BİLGİSAYAR MİMARİSİ-I

(Computer Architecture)

Merhaba değerli arkadaşlar,

Bilgisayar Mimarisi:
Bilgisayar Mühendisliğinde bir bilgisayar sisteminin temel kullanıma hazır yapısı ve kavramsal tasarımı olarak açıklanabilir.
Bilgisayar Mimarisi en az 3 ana alt kategoriden oluşur. Bu alt kategorileri şu şekilde sıralayabiliriz.

{C}1-      Instruction Set Architecture ( Komut Kümesi Mimarisi ) veya ISA (Instruction Set Architecture)

-          Komut Kümesi Mimarisi (ISA) bir bilgisayar donanımının, alt düzey programcıya

(sistem programlarına) görünen yüzüdür.

{C}-          Assemby Dili

{C}2-      Micro Architecture (Mikro Mimari)

{C}3-      System Design (Sistem Tasarımı)

{C}-          Bilgisayar Bus’larını ve Switch’lerini Sisteme bağlamak

{C}-          Memory kontrolcüsü ve hiyerarşileri

{C}-          CPU off load mekanizmasının bazı memory’lre direkt girişi

{C}-          Multi-Processing gibi önemli noktalar.

 ISA ve Micro Mimari, Donanım içinde kendine has tasarımları mevcuttur. Bu tasarım işlemi Implementation olarak adlandırılır. Implementation genellikle donanım tasarım mühendisliği için mimarisel bir tanım olarak düşünülmemelidir.

Implementation safhası 3 parçaya ayrılır, bunlar:

{C}-          Logic Implementation
Bu safhada Gate seviyelerde micro mimari içinde Blockların tasarımı tanımlanır

{C}-          Circuit Implementation

Bu safhada ise bazı büyük blockların (ALU,cache vb) ve transistor seviyesi temel elementlerinin (gate’ler, multiplexer’lar,latch’lar vb) tasarımı yapılır.

{C}-          Physical Implementation
Bu safhada ise, kablo bağlantılarının yolu belirlenerek ve bir tahta (bord) üzerinde farklı devre elemanlarının yerleştirilmesidir. Fiziksel tasarım yapılır.

Bir Bilgisayar Sisteminin Katman yapısı ve modeli aşağıdaki şekildeki gibi olabilir: Şekillerimiz hem İngilizce olarak hem de Türkçe olarak verilmiştir. Daha iyi kavrayabilmek ve kıyaslama yapabilmek adına.

Şimdi dilerseniz, Bu açıklamaların hemen ardından Temel Bilgisayar Organizasyonunu ve Tasarımı’nda bilmemiz gereken birkaç tanımı birlikte irdeleyelim. Burada mesela, Bilgisayarın Fonksiyonu ve çalışma prensiplerini anlatacağım. Bu yazımızı yazarken kısmen de olsa Assembly dili komutları hakkında bilgi sahibi olduğunuzu varsayarak anlatıma giriş yaptım.

Genel anlamda, Bilgisayar Organizasyonu (Donanım) , aşağıdaki şekildeki gibi ayrışabilir.

è Bilgisayarın Yapısı ve  Fonksiyonu

Bilgisayar Sistemi milyonlarca elektronik bileşenleri içeren karmaşık bir sistemdir. Bilgisayar Sistemini Structure(Yapı) ve Function(Fonksiyon) terimleri ile tanımlanır.

Bir Bilgisayar Sisteminin yapısına göz attığımızda 4 ana yapısal bileşenin olduğunu görürüz. Bu bileşenleri maddeler halinde verecek olursak:

{C}-          CPU (Central Processing Unit) denilen Merkezi İşlem Birimi

{C}-          Main Memory olarak adlandırılan Ana Hafıza

{C}-          Dış Çevre Birimleri ve Bilgisayar arasında veri taşıyan Giriş-Çıkış üniteleri (Input/Output)

{C}-          Sistemin Birbirine bağlı olması (System Interconnection): Bunu açıklayacak olursak, Bazı mekanizmaların Input/Output ,CPU ve Ana Hafıza arasında iletişimi sağlaması olarak açıklayabiliriz.

Bilgisayar Bileşenleri (Computer Component):

Bir program, sıralı komut (Sequential instruction) kümesidir. Her aşamada veya adımda bir aritmetik veya mantık işlemi yapılır.ve Her işlem için çok sayıda kontrol işareti üretilmiş olur.Kontrol işaretleri üretilme aşamasına göz attığımız zaman nasıl açıklayalım, her işlem için aynı zamanda tekil bir kod sağlanır.(ADD, MOVE gibi) Sağlanan bu tekil kodlar,donanım tarafından alınarak nihayetinde belirtmiş olduğumuz Kontrol işaretleri üretilir.

En önemli bileşen yapısına baktığımızda Kontrol Birimi(Control Unit) ya da ünitesi ve Aritmetik Mantık Birimi(ALU-Arithmetic Logic Unit) mikroişlemciyi oluşturur.

Veriler (Data) ve komutlar(İnstructions) sistem içine dışarıdan alınır veya sistem içinden dışarı aktarılır. (Input/Output)

Program ve verilerin geçici saklanması için geçici bir depolama birimine gereksinim duyulur. Bu geçici depolama birimine ise Main Memory(Ana Hafıza) denir

          Şimdi bir bilgisayar sisteminin yapısını aşağıdaki şekillere bakarak daha net bir şekilde kavrayabiliriz:

Kontrol Unitesinin (Control Unit) birkaç uygulama yaklaşımı vardır.

Hardwired Control  (Donanımsal Kontrol)
Microprogrammed Control (Mikroprogram Kontrol)

MOV  A , [x]  à  Ana komut, Kontrol hafızası içine yüklenirken mikro komutların kurulumu tarafından Mikroişlemciye alınan her bir komutun (Fetch) ,çalıştırılması (Execute) Micro-Programmed Kontrol yaklaşımı ile Mikroprogram içine alınmasıdır.

Bir bilgisayar sisteminin yapısını inceledikten sonra hemen şimdide bir Bilgisayar Sisteminin Fonksiyonuna bakalım:

Bir Bilgisayar şu temel fonksiyonları yerine getirir:

{C}-          Data Processing (Veri İşleme)

{C}-          Data Storage (Veri Depolama)

{C}-          Data Movement(Veri Taşıma)

{C}-          Control (Kontrol)

Çalışma Çeşitlerine(Types of Operation) göz attığımızda ise aşağıdaki şekilleri incelersek, Bir bilgisayar sisteminin çalışma çeşitleri hakkında bilgi edinmiş oluruz:

Bu figüre baktığımızda,
              Bir Peripheral’dan başka bir Peripheral’a veri taşır .

Bilgisayarın işlevine baktığımızda, Mikroişlemci(Microprocessor)gerçekleştireceği işlemleri ve adımları programdaki komutları kullanarak görevini yerine getirir. En basit haliyle bir Mikroişlemci(Microprocessor) gerçekleştireceği işlemleri iki aşamada yerine getirir.
Bu aşamaları aşağıdaki gibi maddeler halinde verecek olursak:

{C}1-      Birinci aşamada söz konusu komutlar Mikroişlemciye alınır. Bu olay Fetch olarak adlandırılır.

{C}2-      İkinci aşamada ise Mikroişlemciye alınan komutlar çalıştırılır. Bu olay ise Execute olarak adlandırılır.

              Mikroişlemci(Microprocessor) tarafından gerçekleştirilen bu iki aşama Komut Döngüsü(instruction Cycle) olarak adlandırılır.

Evet, değerli arkadaşlar isterseniz daha ayrıntıya inerek Komut Döngüsü yani instruction Cycle dediğimiz aşamaları biraz daha açalım ve bir blok diyagram üzerinde çalışma prensibini gösterelim.

Yukarıda bahsettiğimiz Mikroişlemci tarafından gerçekleştirilen ikinci aşama yani Execute aşaması birden fazla alt aşamadan oluşabilir. Örnek verecek olursak; Komut operand gerektiriyorsa operandların alınması Execute aşamasında gerçekleştirilir.

Yukarıdaki blok diyagramda gösterilen Fetch Cycle’ a değinecek olursak, birinci aşamada komutlar Mikroişlemciye alınmıştı ve bu olaya biz Fetch demiştik. Şimdi bu Fetch döngüsü içinde yani Fetch Cycle’ın gerçekleştirmiş olduğu adımlar:

-          Program Counter (PC) Mikroişlemci içine alınan komutlardan bir sonraki komutun adresini tutma görevini üstlenir.

-          İşlemci Program Counter ile gösterilen adresten komutu alır.

-          Program Counter alınan komut boyutu kadar artırılır(Eğer atlama(JUMP) komutu çalışırsa farklı bir adrese geçilir)

-          Hafızadan alınan komut, Komut Kaydedicisine yani Instruction Register’a (IR) aktarılır.

-          İşlemci alınan komutu yorumlayarak gereken işlemleri gerçekleştirir.

Bir diğer döngümüz ise Execute Cycle’dır. Bunu açıklayacak olursak:

Mikroişlemciye alınan komutların çalıştırıldığı aşama Execute aşaması idi. Ve yine yukarıda belirtmiştik. Execute aşaması içinde birden fazla alt aşama gerçekleşir. Ve farklı işlemler yapılabilir:

-          CPU(Central Processing Unit)-Hafıza

Merkezi İşlem Birimi (CPU) ile Hafıza arasında veri aktarılır.

-          CPU-I/O (input/output)

Merkezi İşlem Birimi(CPU) ile İnput/Output cihazları arasında veri aktarılır.

-          Veri üzerinde işlem

Aritmetik ve mantık işlemlerinden birisi yapılır.

-          Kontrol (Control)
Program içerisindeki komutların çalışma esnasında değişiklik yapılır.

Yazmış olduğumuz bu farklı işlemlerden bir kaç tanesi birlikte yapılır.

Bugünlükte bizden bu kadar diyor ve makalemizin sonuna gelmiş bulunuyoruz. Kafanıza takılan soru işaretleri var ise mail yoluyla sorularınızı iletebilirsiniz.

Bilgisayar Mimarisine dair bir sonraki yazımızda görüşmek dileğiyle.

 NOT:
Bu makalemizde de gerek yerli gerek yabancı kaynakları tarayarak ve gerek kendi bilgi ve tecrübelerimizden kattığımız Bilgisayar Mimarisine kısa bir giriş yaparak sizlerle paylaşımda bulundum. Bir sonraki yazımızda ise Bilgisayar Sistemi fonksiyonlarında Interrupt yani Kesmeler konusunu zaman buldukça sizlerle paylaşmaya çalışacağım. Üniversitelerin Bilgisayar Mühendisliği veya Mekatronik Mühendisliği, Elektrik –Elektronik Mühendisliği gibi mühendislik alanlarında Mikroişlemci Sistemleri tasarımı ya da Bilgisayar Mimarisi dersini almakta olan arkadaşlara ve Akademisyenlere yol gösterici olması amacıyla faydalı olması dileğiyle. Bir sonraki makalemizde görüşmek dileğiyle şimdilik hoşça kalın.

Kaynak:   Muhammed ÖNAL,2012.Bilgisayar Organizasyonu ve Mimarisi & Mikroişlemci Tasarımı                          
                 Morris Mano, Computer Architecture,3rd Edition
                 Prof.Dr.K.Balasubramanian –Microprocessor Systems and Comp.Org.& Architecture

Saygılarımla;

Muhammed ÖNAL
Bilgisayar Mühendisi
RFID Sistemleri Uzmanı
BT Yönetişimcisi

Blog:  http://www.muhammedonal.com
Web : http://www.yazilimdilleri.net

Copyright © Muhammed ÖNAL , 2012