İşlemciler (CPU) Nasıl Çalışır?

CPU'nun (Central Processing Unit, Merkezi İşlem Birimi), bilgisayarlarımızın temel parçası olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bir sistemdeki herhangibir parça ne işe yararsa yarasın mutlaka işlemciye bağımlı olarak çalışır. Klavyedeki tuşlara her basışınız, yaptığınız her fare hareketi bile bir şekilde işlemciye uğrar. Kullandığınız işlemci, herşeyden önce sisteminizin performansını ve kullanabileceğiniz işletim sistemlerini belirler. Hatta çoğumuz bilgisayar alırken ilk önce işlemciyi belirleriz. Şimdi AMD - Intel savaşını bir yana bırakıp işlemcilerin nasıl çalıştığına bir göz atalım.
Mantık Kapıları ve Boolean Mantığı
Hangi işlemciyi kullanırsanız kullanın çalışma prensibi aynıdır: Bir işlemci elektriksel sinyalleri 0 ve 1 (ikili sistemle çalışan bilgisayarlarımız için anlamlı olan tek değerler) şeklinde alır ve verilen komuta göre bunları değiştirerek sonucu yine 0'lardan ve 1'lerden oluşan çıktılar halinde verir. Sinyal yollandığı zaman ilgili hatta bulunan voltaj o sinyalin değerini verir. Örneğin 3.3 voltla çalışan bir sistemde 3.3 voltluk bir sinyal 1, 0 voltluk bir sinyal de 0 değerini üretir.

İşlemciler aldıkları sinyallere göre karar verip çıktı oluştururlar. Karar verme işlemi her biri en az bir transistörden oluşan mantık kapılarında yapılır. Transistörler, girişlerine uygulanan akım kombinasyolarına göre devreyi açıp kapayabilen ve bu sayede de elektronik bir anahtar görevi gören yarıiletken devre elemanlarıdır. Modern işlemcilerde bu transistörlerden milyonlarca tanesi aynı anda çalışarak çok karmaşık mantık hesaplarını yapabilirler. Mantık kapıları karar verirken (yani akımın geçip geçmeyeceğini belirlerken) Boolean Mantığı'nı kullanırlar. Temel Boolean operatörleri AND (ve), OR (veya) ve NOT'tır (değil). Bu temel operatörlerle birlikte bunların değişik kombinasyonları kullanılır, NAND (not AND) gibi.

Bir AND kapısının 1 değerini verebilmesi (yani akımı iletebilmesi için) iki girişindeki değerin de 1 olması (yani iki girişinde de akım olması) gerekir. Aksi takdirde 0 değerini verecek; yani akımı iletmeyecektir. OR kapısında ise akımın iletilmesi için girişlerin ikisinde de akım olmalı veya ikisinde de akım olmamalıdır. NOT kapısı ise girşindeki değerin terisini çıkışına verir.

OR Kapısı


A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
AND Kapısı

A B Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
NOT Kapısı

A Q 0 1 1 0
NAND kapıları çok kullanışlıdır, çünkü bu kapılar sadece iki transistör kullanarak üç transistörlü AND kapılarından daha fazla işlevsellik sağlarlar.


NAND Kapısı

A B Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Bunların yanında NOR (not OR), XOR (eXclusive OR) ve XNOR (eXclusive not OR) gibi değişik kapıların değişik kombinasyonlarından oluşan ve çok daha farklı aritmetik ve mantık işlemleri için kullanılan kapılar vardır.
Bu mantık kapıları dijital anahtarlarla beraber çalışırlar. Oda boyutundaki bilgisayarların zamanında bunlar bildiğimiz fiziksel anahtarlardı fakat günümüzde MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) denen bir çeşit transistör kullanılır. Bu transistörün basit ama hayati öneme sahip bir görevi vardır: Voltaj uygulandığında devreyi açarak veya kapatarak tepki verir. Genel olarak kullanılan MOSFET türü, üst sınırda veya ona yakın voltaja sebep olan bir akım uygulandığında devreyi açar, uygulanan voltaj 0'a yaklaşınca da devreyi kapatır. Bir programın verdiği komutlara göre milyonlarca MOSFET aynı anda çalışarak gerekli sonucu bulmak için akımı gerekli mantık kapılarına yönlendirir. Her mantık kapısı bir veya daha fazla transistör içerir ve her transistör akımı öyle kontrol eder ki, sonuçta devre kapalıyken açılır, açıkken kapanır veya mevcut durumunu korur.
AND ve OR kapılarının şemalarına bakarak nasıl çalıştıkları hakkında fikir sahibi olabiliriz. Bu iki kapıda iki sinyal alıp onlardan bir sinyal üretir. AND kapısından akım geçmesi için girişlerine uygulanan sinyallerinin ikisinin düşük de voltajlı (0) veya ikisinin de yüksek voltajlı (1) olması gerekir. OR kapısında ise giriş sinyallerinden birinin değerinin 1 olması yeterlidir akımın geçmesi için.
Her girişteki elektrik akışını o girişin transistörü belirler. Bu transistörler devrelerden bağımsız ayrı elemanlar değillerdir. Çok miktarda transistör yarı-iletken bir maddenin (çoğu zaman silikonun) üzerine yerleştirilip kablolar ve dış bağlantılar olmadan birbirine bağlanır. Bu yapılara entegre devre denir ve ancak bu entegre devreler sayesinde karmaşık mikroişlemci tasarımları yapılabilir.
Güncel işlemciler mikroskobik boyuttaki transistörlerin dirençler, kondansatörler ve diyotlarla bir araya getirilmesinden oluşan milyonlarca karmaşık mantık kapısından oluşur. Mantık kapıları entegre devreleri oluştururken entegre devreler de elektronik sistemleri oluşturur.
İşlemcilerde PİPELİNE
Arkadaslar islemcilerin performanslarini etkileyen faktorler vardir.Forumlarimizda ne zaman presscott tan bahsedilse northwood dan (uzun pipeline) sebebiyle yavas oldugundan bahsedilir.Peki nedir bu pipeline(Turkcesi ishatti)dedikleri olay.Bir bakalim genel kultur sahibi olalim

Efendim islemcilerin bir komutu isleyebilmeleri icin islemcini yapmasi gereken dort evre vardir.Bu evreler sirasiyla

Fetching:Bellekteki verinin yerinin bulunmasi ve verini istenmesidir.
Decoding.Program tarafidan verilen komutlari islemcinin anlayacagi dile cevrilmesidir.buna komut cevrimi de denir.
Executing:Alinan verinin uzerinde gerekli islemlerin yapilmasi.Komut isleme diyoruz
Store:Islemin sonuclandirilmasi ve bellege kaydedilmesidir.

Efendim islemcinin kabaca ne yaptigini ogrendkten sonra pipeline ne ise yaradigini anlatmaya baslayalim.simdi pipeline sahibi olmayan bir islemcimiz olsun.bu islemcimizin saat frekansi da 1 hz olsun.Bu islemcimiz yukarida bulunan 4 islemi de 1 hz de yapiyor olsun.soru 1 bu islemciyi nasil hizlandiririz.hemen akliniza gelen yontem daha iyi uretim teknolojileri kullanarak cekirdegi kucultmektir.bunu biliyoruz peki ya baska ne yapabiliriz.ornegin bu islemcide ki islemleri 2 ye bolsek ilk kademede fetching ve decoding i yapsak.sonraki kademede de executing ve storing i yapsak islemcimizin saat hizi artmaz mi?Artar evet simdi 2 hz lik bir islemcimiz oldu degil mi?Gordugunuz gibi 2 hz lik bir islemcimiz oldu fakat orjinal islemcimizle ayni performansta.Diyelim ki islemcimizi 4 hz te calitirmak istiyoruz.yapilan islemi tekrar 2 ye bolsek nasil olur.boylece 1 kademede Fetching, 2. kademede decoding, 3. kademede executing ve 4. kademede storing yapmis olur.Goruldugu uzere 4 hz lik bir islemcimiz var.peki 1 hz lik 2hz lik ve 4 hzlik bu islemilerin performansi arasinda bir fark var midir?yoktur.peki neden pipeline kullaniliyor bir fark yoksa?

Arkadaslar aslinda pipeline mekanizmasini bulanlar intel , amd veya herhangi bir teknoloji sirketi degil.Bildiginiz Ford.Fakat Henry Ford bu islemi islemciler icin gelistirmedi tabi.Bildiginiz gibi eskiden otomobiller el yapimi idiler ve pek tabi bu fiyatlara yansiyodu.1 otomobil yaklasik 1 gunde yapldigi icin uretim ve tuketim sinirli idi.henry Ford bunu gorup uretim bantlarini gelistirdi.Her isci otomobilin kucuk bir parcasini yerine takiyordu boylece isler daha hizli yuruyordu.Soz gelimi fabrikadaki ishattinin basindaki isci karburatoru yerine takiyor olsun bandin bir sonraki sirasindaki isci de emme manifoldunu takiyor olsun.simdi 1. isci isini bitirdikten sonra otomobil bitene kadar yatmiyor herhalde siradaki otomobile karburator takmakla ugrasiyor.Boylece verimlilik artmis oluyor.


Islemcilerdeki pipeline in da sirri bu 1 hz lik ve 4 hz lik islemcilerimiz bir isi ayni surede yapiyor.Fakat 4 hz lik islemcimiz daha 1. islemi birtirmeden 2. isleme baslamis oluyor.yani islem Executing asamasindayken 2 islem decoding asamsinda 3 islem ise Fetching de oluyor.bilmem anlatabildim mi?Bu islemcimiz de 10 saniyede kac komut islenir peki 37 komutu boylece isleyebiliriz.40 olmasi gerekiyor diyenler yanildilar .Cunku ilk islemde 3 saat darbesi bosa gidiyor.cunku islemcimizin Fetching unitesi isini yapaken diger uniteler isin bitirilmesini bekliyor.Sonuc olarak 4 hzlik islemcimiz 1 hz lik islemcimizden daha verimli.Ve reklam acisindan daha sansli sonucta 4 kat daha yuksek frekansi var

Peki madem pipelinelar verimliligi arttiriyor.o zaman yapalim 200-300 pipeline li islemciler performansi ucuralim diyorsunuz.(Netekim ben dedim)pipeline kademesi arttikca islemci maliyetleri buyuyor ve zate komplex olan yapi iyicene karisiyor.Pahali islemci almak istemiyoruz degil mi gencler?Bir husus daha var tabi x86 komutlarinin bir kismi nin calisma esasina gore bir islemin yapilabilmesi isin diger islemin sonucuna ihtiyac var.Soyle orneklersek

asama 1:x=y+z deki x degerini belirle
asama2:Eger x degeri 6 ve 6 dan buyukse 3 le carp t=3x
asama 3 :Eger x degeri 6 dan kucukse 2 ile carp p=2x

gordugunuz gibi islemimiz dallara ayriliyor.Bu durumda fetching unitesi bosu bosuna saat darbeleri haciyor.Bu seferde pipeline imiz bir ise yaramiyor.Bunu engellemek icin dallanma tahmin tablolari kullaniliyor ki bu tahminlerin dogru cikma olasiligi %90-%93 arasinda.Peki yinede islemcimiz yanlis bir tahmin yapmis olsun.sozgelimi bir p4 northwood.bu islemci ilk asamada yanlis tahmin yaparasa 20 kademeli ishattina sahip oldugu icin tam 19 saat cevrimi bosa gitmis olacak.Ayni durumu presscott ta dusunursek tam 30 cevrim bosa gitmis oluyor.Athlon da ise sadece 9 cevrim.Aslinda islemci performansina etki eden bir ton sebep olmasina ragmen athlonun ayni saat hizinda daha hizli olmasinin nedenleinden biri de budur sevgili arkadaslar.Peki arkadaslar 200 kademeli bir pipeline kullanirsak durum ne olacak tam 199 dongu bosa gitmis olacak ki bunu istedigimizi sanmiyorum


Simdi bazi islemcilerin kac kademeli ishatlarina sahip oldugunu yaziyorum:

Pentium 3 :Pentium 3 ler 10 kademeli ishatlarina sahipler
athlon:Athlon Thunderbird, pluto,thoroughbred,barton hepsi 10 kademeli ishatti sahibiler
Athlon64 :12 kademeli ishtatti
Pentium4 williamette,northwood 20 kademeli ishattina sahipler
Presscott ise 31 kademeli ishattina sahip

AS-400 nedir? .. özellikleri nelerdir? ..
AS-400 hem donanım hemde yazılım özelliklerini birlikte barındıran bir işletim sistemi olduğu için konuyu buraya açtım.. Belki bir gün işletim sistemleri ile ilgili ödev hazırlarken birilerinin işine yarar.. belki de okumak isteyen olur
AS/400 NEDİR?

IBM, AS/400’ü başlangıçta “orta boy çok kullanıcılı bir is bilgisayar sistemi” olarak adlandırılmıştır. IBM Rochester/Minnesota laboratuarında, “Silvertake” kod adi ile geliştirilen ve sistemin bas mimari Dr.Frank Soltis tarafından yönetilen bir grup tarafından çok titiz ve yoğun bir çalışmanın ürünü olarak ortaya çıkan AS/400 piyasaya ilk sürüldüğü 1988 yılından itibaren tüm endüstri sektörlerinin bir is bilgisayarı olarak ilgisini çekmiş ve bu ilgi katlanarak devam etmiştir.