[Constantin]

6.) Mikroişlemci Mimarisi
Bir mikroişlemci mimari yetenekleri ve tasarım felsefesiyle şekillenir. Mimari, kayar noktalı sayıların standartlaştığı, komutların ve verinin bellek-kaydedici arasında taşınmasında kullanılan kaydedicilerin büyüklüğü ve sayısı gibi tasarım kararlarının dahil olduğu, işlemci yeteneklerinin nihai sonucunu gösteren bir yapıdır.
Günümüzde, CISC (Complex Instruction Set Computer - Karışık Komut Kümeli Bilgisayarlar) mimarisine sahip bilgisayarlar ile RISC (Reduced Instruction Set Computers Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayarlar) işlemcili bilgisayarlar arasında kıyasıya bir rekabet yaşanmaktadır. CISC mimarisi Intel 80486, Pentium ve Motorola 68030 gibi işlemcileri oluştururken, IBM 360 ve DEC WAX gibi büyük bilgisayarlarda bu yapıyı kullanmaktadırlar. RISC mimarisi, Motorola PowerPC ve MIPS işlemcilerinde ve IBM 801 ve SUN Mikrosistem gibi büyük sistemlerde kullanılmaktadır.

6.1) CISC İşlemciler
PC’lerde günümüze kadar RAM’ların sınırlı ve pahalı olduğu 1960 ve 70’li yıllarda geliştirilen CISC işlemci mimarisi kullanılmaktadır. Daha çok programların az bellek kullanımı gerektirdiği sistemlerde yer almakta ve az bellek kullanımı için kompleks komutların ve mimarinin oluşumunu ortaya çıkardı. Mimarideki kompleksliğin artması, işlemci performansında negatif oluşumların ortaya çıkmasına sebep oldu. Bununla birlikte programların yüklenme sinde ve çalıştırılmasında düşük bellek kullanımının hızlı olması mesele teşkil etmemekteydi. 1980 ve 90’lı yıllarda bellek ihtiyacının artması işlemci tasarımcılarının kararlarını gözden geçirmesine sebep oldu. Eskiden kullanılan bellekler 16-32Kbayt iken yeni mimarilerde 8-16 Mbayt’ a çıktı ve günümüz kişisel bilgisayarlarında bir standart halini aldı.

6.2) RISC İşlemciler
RISC işlemcili sistemlerde amaç, komut işlenmesinin mümkün olduğu kadar hızlı olmasıdır. Bunu başarmak için ana yol işlemcinin çalıştırdığı komutların basitleştirilmesidir. Komutların basitleştirilmesi ve azaltılması işlemcinin uzun ve kompleks olandan daha hızlı çalışabilmesi demektir. RISC mimarisi, aynı anda birden fazla komutun işlendiği tekniği içeren kanal (pipelining) ve süper skalar çalışmasının kullanımıyla yüksek bir performans sağladı. Doğal olarak bu tasarım tekniği yüksek bellek ve çok ileri derleme teknolojisini gerektirdi. 1980'lerin ortasında bellek fiyatlarının önemli olmadığı yüksek performanslı işistasyonlarında RISC ta banlı işlemciler çok sık kullanıldı. 1990’larda VLSI teknolojisinin gelişimiyle birlikte belleklerin eskiye nazaran daha ucuz oluşu ve makine diline bağımlılığı ortadan kaldıran ileri derleyicilerin çok yaygın olduğu sistemlerde ve hatta PC' lerde yüksek performanslı RISC işlemciler kullanılmaktadır. Örnek olarak CRAY, IBM, DEC, HP, APPLE ve SUN 'ın ürettiği iş istasyonlarını veya süper bilgisayarlarını gösterebilir.

6.3) CISC ve RISC Tabanlı İşlemcilerin Karşılaştırılması
CISC ve RISC tabanlı işlemcilerin karşılaştırılmasında iki önemli faktör farklılıklarını ortaya çıkarmada yeterlidir.
Hız: Genelde RISC çipleri kanal tekniği kullanarak eşit uzunlukta segmentlere bölünmüş komutları çalıştırmaktadır. Kanal tekniği komutları kademeli olarak işler ki bu RISC’in bilgi işlemini CISC’den daha hızlı yapmasını sağlar RISC işlemcisinde tüm komutlar 1 birim uzunlukta olup kanal tekniği ile işlenmektedir. Bu teknikte bazıları hariç komutlar, her bir basamağında aynı işlemin uygulandığı birimlerden geçerler. Kanal teknolojisini açıklamak için herhangi bir komutun işlenmesindeki adımlar ele alınırsa:
Komut kodu ve işlenecek veriler dahil bütün bilgilerin MIB’deki kaydedicilerde olduğu düşünülürse, birinci adımda yapılacak işin kaydedicide bulunan komut kodu çözülür, ikinci adımda üzerinde çalışılacak veri (işlenen) kaydediciden alınıp getirilir, üçüncü adımda veri, komuta göre Aritmetik ve Mantık Biriminde işleme tabii tutulur ve dördüncü adımda da sonuç kaydediciye yazılacaktır. Böylece bir komutun işlemesi için her bir basamak bir saat çevrimi gerektirirse, dört çevrimle (adımda) gerçekleşmiş olmakta ve bir adım bitmeden diğeri başlayamamaktadır.
Kanal tekniği ile çalışan işlemcilerde birinci adımda komut kodu çözülür, ikinci adımda birinci komutun üzerinde çalışacağı veri (işlenen) kaydediciden alınırken, sıradaki ikinci işlenecek olan komutun kodu çözülür. Üçüncü adımda ilk komutun görevi ALU’da yerine getirilirken, ikinci komutun işleyeceği işlenen alınıp getirilir. Bu anda sıradaki üçüncü komutun kodu çözülür ve işlem böylece devam eder.
Kanal (Pipeline) tekniğinde çevrim zamanın düşmesi için komut kodlarının hızlı çözülmesi gereklidir. RISC mimarisinde tüm komutlar 1 birim uzunlukta oldukları için komut kodunu çözme işlemi kolaylaşır. Sistemde kullanılan kaydedicilerin simetrik bir yapıda olması, derleme işlemini kolaylaştırmaktadır. RISC işlemcilerde belleğe yalnız yükle ve depola komutlarıyla ulaşılır.
Bazı eski CISC mimarisinde de olmasına rağmen RISC mimarisinin sabit uzunluktaki basit komutlarla çalışması pipeline sistemini daha iyi kullanmasına sebep olmaktadır. Bu yüzden hesaplama oranlarının birinci öncelik arz ettiği yerlerde iş-istasyonları ve dağıtıcılarda çok tercih edilmektedir.
Transıstör sayısı: CISC mimarisinde kullanılan transistor sayısı RISC’e nazaran daha fazladır. Transistör sayısının bir yerde çok olması fazla yerleşim alanı ve ayrıca fazla ısı demektir. Bundan dolayı da fazla ısı üretimi soğutma olayını gündeme getirmektedir. CISC tabanlı Pentium işlemcilerde karışık ısı dağıtıcısı veya soğutma fanlar kullanılmaktadır.
RISC mimarisindeki önemli üstünlüklere karşı bazı mahzurları ortaya çıkmaktadır. RISC mimarisi, CISC’in güçlü komutlarından yoksundur ve aynı işlemi yapmak için daha fazla komut işlenmesini gerektirir. Bundan dolayı da RISC’in bant genişliği artar. Bu sistemde güçlü komutların yokluğu ikinci bir yardımcı işlemciyle ya da işlemci içinde oluşturulacak ayrı bir pipeline bölümüyle giderilebilir. Komut ön-belleğinin kullanılması yüksek komut alıp getirme işlemini azaltmaktadır. RISC mimarisi diğerine nazaran daha kompleks yazılımlara ihtiyaç duyar
Günümüzde her iki mimarinin üstün özellikleri birleştirilerek bir çok yeni sistemler üretilmekte ve üretilecektir. IBM RISC/6000 ile Intel 860 ve 960 mimarileri bir makina çevrimin de birden fazla komut işleyerek son derece hızlı bir performans yakalamışlardır.

7.) Mikroişlemcilerin Özellikleri
Bilgisayarın beyni sayılan mikroişlemcileri birbirinden ayırt eden en önemli unsurlar onların işlevleri ve özellikleridir. Bunlar;

7.1) Mikroişlemcinin Bir Defada İşleyebileceği Kelime Uzunluğu
Mikroişlemcilerde kelime uzunluğu veya bit uzunluğu, paralel olarak işlenen veri bitlerinin sayısıdır. Kelime işlemcideki genel amaçlı kaydedicilerin büyüklüğü ve aynı zamanda her bir bellek mahalli kapasitesidir. Büyük kelime uzunluğu, aynı anda birçok işlemin birlikte yapılması ve bazı uygulama program yazımları için kolaylık demektir işlemciler, her bir saat çevriminde senkronize olarak o anda komut kuyruğunda bulunan komutları ve bunlara göre de bellekteki verileri işlerler. Bilgi bitleri mikroişlemcinin tipine göre bir, dört, sekiz, onaltı ve otuzikilik sıralar halinde işlenir. Bir mikroişlemcili sistemde çok basit problemler tek bit kodunda işlenebilir. Buna örnek olarak içerisinde işlemci bulunan soğuk içecek makinelerdir ve tek bit esasına göre tasarlanmıştır. Küçük hesap makineleri ve cep bilgisayarlarda basit aritmetik problemlerin çözümünde dört bit kullanılmaktadır. Normal bilgisayarlarda bütün bilgiler sekiz bit (1 Bayt), onaltı bit (1 Word) veya otuziki bit (1 Doubleword) olarak işlenirler. Eğer komutlar veya veriler küçük gruplar halinde işlenirse hızda bir azalma olacak ve bu yüz den performans düşecektir. Kelime uzunluğu büyük olan işlemcide yapılan aritmetik işlemlerde doğruluk oranlan kısa uzunluklu kelimelilere nazaran çok yüksektir (4-bit %6, 8-bit %0,4 ve 16-bit %0,001). Eğer işlemcinin kelime uzunluğu, tek bir kelimeyle ele alınan belirli bir problem için yetersizse, tek bir verinin işlenmesi için işlemci daha fazla zaman harcayacak ve veri işleme hızı düşecektir.

7.2) Mikroişlemcinin Tek Bir Komutu İşleme Hızı
Bir mikroişlemcinin hızı saat frekansıyla doğrudan ilgilidir. Fakat saat frekansı her zaman gerçek çalışma frekansını yansıtmaz. İşlemci hızını belirleyen bir çok yol vardır. Bunlar, çalışma çevriminin uzunluğudur ki (algetir-kodunu çöz-işlet-depola), bu ölçüm fazla kullanışlı değildir. Bilgisayar üreticileri daha çok hız ölçmek için özel bazı test programları geliştirmişlerdir. Baslıca mikroişlemci hızları mikrosaniye olarak 16, 25, 33, 100 MHz ve MIPS’tir (Saniyede milyon adet komut işleme).
Bir mikroişlemciyi diğerinden daha hızlı yapan unsurlar şunlardır:
· MIB’in devre teknolojisi ve planı: Mesela katı durum elektroniğinde kullanılan bazı teknolojiler diğerlerine nazaran daha hızlı cevap veren devreler üretmektedirler.
· Birinci maddede açıklandığı gibi işlemcinin bir defada işleyebileceği kelime uzunluğu.: Uzun kelime hızlı işlem demektir.
· İşlemci komut kümesi çeşidi: Bir işlemcide bir işlem tek bir komutla yapılırken diğerinde daha fazla komutla yapılabilir.
· Genel olarak zamanlama ve kontrol düzeni.
· Kesme altyordamların çeşitleri.
· Bilgisayar belleğine ve I/O cihazlarına erişim hızı.
7.3) Mikroişlemcinin Doğrudan Adresleyebileceği Bellek Büyüklüğü
Bilgisayar sistemlerindeki ana bellek mikroişlemci tarafından adres yolu vasıtasıyla adreslenir. Adres yolu hattı ne kadar çoksa adresleme kapasitesi de ona göre büyük olur. Adres yolu doğrudan mikroişlemci yapısıyla ilgili olup işlemciye göre standarttır. Fakat işlemci içerisindeki kaydedicilerin büyüklüğü bir devre oyunuyla adres yoluna çoğullanmakta ve büyütülebilmektedir. XT tipi bilgisayarlarda kaydediciler 16-bitlik olmasına rağmen adres bilgisi dört bit kaydırılarak 20-bitlik hatta verilip, 1 MB.'lık bellek adreslenebilmektedir. AT tipi bilgisayarlarda 24, 32, 46-bitlik adres hattı kullanılarak gerçek modda 4 Gigabayt ve korumalı modda 70 TeraBayt adreslenebilmektedir. 210 Kilobayt, 220 Megabayt,230 Gigabayt ve 240 Terabayta karşılık gelir.

7.4) Kullanıcı Veya Programcının Mikroişlemci Üzerinde Çalışabileceği
Kaydedici Sayısı
Kullanıcı verileri bu kaydediciler üzerinde çalıştırır. Kaydedici sayısının fazla olması manevra kolaylığı ve elastikiyet sağlar. Genel amaçlı kaydediciler (EAX, EBX, ECX ve EDX), İşaretçi ve İndeks kaydedicileri (ESP, EBP, ESI, EDI, EIP), Bayrak kaydedicileri (C, P, A, Z, S, T, D, I, D, O, NT, RF, VM, AC) ve Segment kaydedicileri (CS, DS, ES, SS, FS, GS). Bunların haricinde korumalı modda kullanılan Selektör, Tanımlayıcı ve bunlara ilişik olarak Tablo Kaydedicileri vardır (TR, LDTR, GDTR, IDTR).

7.5) Programcının Elde Edebileceği Değişik Tipteki Komutlar
Mikroişlemci hızını etkileyen komutlar, veri manevra komutları, giriş/çıkış komutları, aritmetik komutlar, mantık komutları ve test komutları gruplarından birisine dahildir. Mikroişlem cinin kütüphanesinde bulunan komutların çokluğu sisteme belki elastikiyet sağlar fakat, asıl olan komutun az saykılla işlemi tamamlamasıdır.

7.6) Programcının Bellek Adreslerken Gerek Duyacağı Farklı Adresleme Modları
Doğrudan adresleme, dolaylı adresleme ve indeksli adresleme gibi adresleme türleri programcıya ekstra kolaylıklar sağlar. Adresleme modları, üzerinde çalışılan bir verinin belleğe nasıl ve ne şekilde yerleştirileceği veya üzerinde çalışılacak bir verinin bellekten nasıl ve hangi yön temle çağrılacağıdır. Bu işlem bir mektubun gideceği yere birisinin eliyle mi? yoksa bir nesne baz alınarak mı? sokaklar ve evler eklenerek mi? gibi kısa bir tarifle ulaşmasıdır.

7.7) Uygulamalar İçin Sistemin Yazılım Uyumluluğu
CP/M, DOS, MacOS, SISTEM7, WINDOWS, UNIX, OS/2 ve LINUX gibi işletim sistemi ve bunlar üzerindeki uygulamalara yapısal olarak uygun olma durumu.

7.8) İlave Edilecek Devrelerle Uyumluluğu
Mikroişlemcili sisteme eklenecek devrelerin en azından işlemci hızında çalışması gerekir. Sisteme ilave edilecek bir SIMM veya SIP kartındaki bellek entegrelerinin hızları nanosaniye cinsinden işlemci ile aynı hızda olması tercih edilmelidir. Aynı şekilde sisteme takılan ekran kartının hızlandırıcısı ve VideoRAM’ların hızları ve performansları mikroişlemci ile aynı veya çok yakın olmalıdır Mikroişlemcinin çok hızlı çalışması diğer elemanlardaki pasiflikten veya hastalıktan dolayı zamanla düşer.