Mikroislemci Temelleri

Mikroislemci Temelleri

Bu yazida, mikroislemcinin nasil calistigini ve bir mikroislemci mimarisinin nasil olduguna bakacagiz.

Mikroislemci Nedir?

Mikroislemciler, bilgisayar sisteminin beynidir. Programlanabilir genel amacli araclar olarak da bilinirler. Herhangi bir donanima baglanabilir, hafiza birimlerinden veri okuyarak donanim uzerinde belirli bir takim gorevleri gerceklestirebilirler.


Hafiza birimlerinde saklanan verilerden kastimiz talimatlar (instructions) veya operasyon kodlari (opcodes) kavramlaridir. Bu kavramlar, islemcinin hangi talimati gerceklestirecegini soyler. Talimatlar, tipik olarak bazi kalici hafiza birimlerinde (ROM ve hdd) saklanirlar.

Ayni dizayn konseptine sahip olmalarina ragmen farkli mimariye sahip bir cok mikroislemci mevcuttur. Bu farkli mimariler genelde ortak olan su bilesenleri icerir: control unit, arithmetic and logic unit, register,  system bus.

Control Unit

Adindan da anlasilacagi gibi kontrol birimi, islemcinin olaylari kontrol etme gorevine sahip oldugu birimdir. Talimatlari hafizadan alma, alinan talimatlari aciklama ve talimatlarin gerceklenebilmesi icin islemcinin  farkli bilesenlerine sinyal gonderme gorevleri bu birim tarafindan yapilir. Bu birimi, bir insaat sirketinin  yoneticisi olarak dusunebilirsiniz. Yonetici, insaat planlarini alir, belirli gorevleri olan ve gorevlerini nasil icra edecegini bilen farkli bir kac insaat takimina planlari aktarir ve sureci denetler.

Kontrol birimi, sabit frekansta dusuk ve yuksek voltaj degerleri ureten ve bu sayede islemciye diger bilesenlerini kontrol ve senkronize etme sansi taniyan, titreyen bir saat (oscillating clock) araciligi ile surulur. Bu titreyen saatin hizi MHz(megahertz) veya GHz(gigahertz) birimleri ile aciklanir. Bu birimler, insanlarin islemci veya cekirdek hizlarindan bahsederken kullandiklari birimlerdir.

Arithmetic and Logic Unit
Aritmetik ve Mantik Birimi, kisaca ALU, matematiksel ve mantiksal islemlerin yapilmasindan sorumlu olan birimdir. Bir seylerin toplamina, farkina, carpimina veya bolumune ihtiyac oldugu zaman, ALU devreye girer. Kullanicinin siradan matematiksel islemlerine ek olarak, ALU ayni zamanda mantiksal islemler icin de kullanilir. Ornegin; boolean karsilastirmalari, shifting (bit kaydirma) islemleri gibi.

Register

Bir an icin yazilim ile bilgisayar hafizasi arasindaki iliskiyi dusunun. Bilgisayar uzerinde calisan yazilimin  yararli bir seyler yapabilmek adina, butun matematiksel islemler, zamanlama mekanizmalari ve daha sonra kullanilmak  uzere kullanici girdilerini kayit etme islemleri icin periodik olarak RAM'dan datalar alinir veya RAM uzerinde  saklanir.

Kaydediciler, kisa zamanli veri saklayan, mikroislemcideki kucuk RAM parcalari olarak dusunulebilir. Programlama terimi olarak aciklamak gerekirse kaydediciler, mikroislemcinin talimat argumanlarinin saklandigi, zamani geldigi anda uygun adresteki verilerin alip islenecegi kayit alanlari olarak tanimlanabilir. Bir islemci mimarisinde genelde 4 adet kaydedici vardir: program counter register, flag register, accumulator register ve general purpose register.

Program Counter Register
Program Sayac Kaydedicisi, butun mikroislemcilerde ortak olan kaydedicidir. Her zaman program sayaci gorevini yerine  getirmek icin kullanilmayabilirler fakat genelde bu islevi gerceklestirirler. Program sayacinin amaci, programin duzenli bir sekilde calisabilmesi icin bir sonraki talimatin adresini saklamaktir. Kontrol birimi bu talimati alip, isleyip, calistirdiktan sonra, program sayaci bir artar ve kontrol birimine bir sonraki talimati calistirabilmesi icin olanak sunar.

Flag Register

Bayrak Kaydedicisi, mimariden mimariye farklilik gosterebilir ama genel itibariyle program sayaci gibi kullanimi mimariler arasinda sabittir. Bayrak kaydedicisi, onceden calistirilmis talimatlar hakkinda boolean bilgi saklayan kaydedicidir. Bayrak kaydedicisinin her biti true ve false durumuna karsilik gelir. Ornegin; hafizadaki degeri devamli olarak 1 azaltan fakat 0 oldugu anda durmasini istedigim bir program yaziyorum. En olasi yol, degerin veya bayrak  kaydedicisinin bitinin 0 olup olmadigini kontrol etmektir. Eger 0 biti 1 olarak sonlanmissa, bu daha onceki islemin sonucunun 0 oldugu anlamina gelir, eger 0 biti 0 olarak sonlanmissa, bu da bir onceki islemin sonucunun 1 oldugunu gosterir.

Net olarak anlasilmadiysa, endise etmeyin cunku ilerleyen zamanlarda bayrak kaydedicisinin kullanimina daha detayli olarak deginecegiz ama suan icin kaydedicinin gorevinin, bir onceki islemin sonucu hakkinda basit olarak true veya false cevaplari saklamak icin kullanildigini bilmemiz yeterlidir.

Accumulator Register

Hafiza kaydedicileri, adindan da anlasilacagi gibi islenen talimatin sonuclarinin saklandigi kaydedicilerdir. Daha  genel tabirle, bir islemin sonuclarinin otomatik olarak saklandigi kaydedicilerdir. Butun islemci mimarilerinde en azindan bir tane hafiza kaydedicisi bulunur.

Genel orneklerde, hafiza kaydedicileri, matematiksel islemlerin sonuclarinin sakladigi gosterilir. Ornegin; 1 ile 2 sayisi toplanirsa, hafiza kaydedicisi 3 sayisini saklar.

General Purpose Register
Genel amacli kaydediciler, amac ne olursa olsun programcinin uygun gordugu verileri saklamak icin kullanilir. Islem sonucu olusan degerleri kayit etmezler, sadece kendi iclerinde saklanan degerler yerine baska degerler yazilana kadar eski degerleri saklarlar.

Register Width

Islemci kapasitesine gore (8, 16, 32 ve 64) kaydedicilerin genisligi degisebilir. Bazen oyunlar hakkinda yanlis olarak bilinen bir yargi vardir: 8-bit oyun sistemleri 8-bittir cunku 8-bit renk derinligi vardir. Oysaki 8-bit sistemlerin 8-bit olmasi demek genel amacli kaydedicilerinin 8 bit olmasi ve en fazla 8 adet bit veri saklayabilmesinden dolayidir.

Kaydedici genisligi, ozellikle program sayacinin genisligi, bir islemcinin rahatlikla kullanabilecegi maximum hafiza miktarini belirler. Ornegin, 16-bit bir program sayaci rahatlikla 65.536 byte alana erisebilir.

System Bus

Tipki bir sehir otobusunun insanlari bir yerden baska yere tasimakla sorumlu oldugu gibi sistem yolu da farkli islemci bilesenleri arasinda bilgi transferi yapmakla sorumludur. Mikroislemcilerde genel olarak 3 adet sistem yolu mevcuttur:  control bus, address bus ve data bus.

Control Bus

Kontrol yolu, ALU ile veri yolu arasinda kaydedici degerlerinin transferi ve bir takim islemleri gerceklestirebilmek icin islemcinin farkli bilesenleri arasinda sinyal gonderme islemlerinden sorumlu olan yoldur.

Address Bus

Birisi ROM'dan, RAM'den veya harici bir cihazdan bir veriye erismek istedigi zaman, baska birisinin bu kisiye adres yolunu soylemesi gerekmektedir. Hafiza adresleri onaltilik tabanda tutulur ve birer birer artarlar. Bu adresler, islemci icin uygun olan toplam hafizanin 1 byte'ini (8 bitini) temsil ederler.

Adres yolu, islemcinin data yolu uzerinden kendisine bir adres dondurmesi icin hafiza adresine bir sinyal gondermesine izin verir.

Data Bus

Veri yolu, islemcinin kaydedicileri, harici cihazlar ve hafiza arasindaki veri transferine izin veren yoldur.

Kaynak : http://letshackarcadegames.com/?p=36