İşlemciler

1. İşlemciler Processors

2. Genel Bakış • Bu bölümde şunları öğreneceksiniz; • İşlemcilerin temel birimleri • İkili sayma sistemi • İşlemcinin çalışma sistemi ve komutlar • İşlemci ve hafıza arasındaki ilişki • Modern işlemci türleri • Özel nitelikli işlemciler • İşlemcilerin montaj ve yükseltme (upgrade) işlemleri

3. Merkezi İşlem Birimi • CPU : Central Processing Unit • Bilgisayarın 4 temel biriminden birisi olan “İşlem” birimini oluşturur

4. Temel Kavramlar • CPU çok güçlü bir hesap makinesi gibi çalışır • CPU’lar çok zeki olmayabilir, ancak çok hızlıdır • Sadece 0 ve 1 değerleri üzerinden işlem yaparlar • Güncel hızları MHz veya GHz seviyeleri ile ifade edilmektedir

5. Temel Kavramlar • CPU, PC’nin “beynidir” • Komutları işler • Verileri idare eder • Diğer birimlerle olan etkileşimleri kontrol eder • Temel Birimleri; • İşlem Birimi (ALU) • Yazmaçlar (Register) • Kontrol Birimi

6. Temel Birimler • İşlem Birimi / Aritmetik Birim (ALU) • Aritmetik ve mantıksal asıl işlemleri yapar • Yazmaçlar (Register) • Üzerinde işlem yapılacak verileri tutarlar • Kontrol Birimi • İşlemci içerisindeki işleri koordine eder • İlgili kontrol sinyallerini üretir • İşlemciye gelen komutu çözerek ne olduğunu anlar • Yazmaçlara hangi veriler üzerinde işlem yapılacağını söyler • İşlem birimine veriler üzerinde hangi işlemlerin yapılacağını söyler İşlemci Kontrol Birimi İşlem Birimi (ALU) Yazmaçlar

7. İkili Sistem ve Bit Kavramı • Bilgisayarlar yalnızca 1 ve 0 değerleri üzerinde işlem yaparlar • 1 ve 0, “on/off” veya “açık/kapalı” durumlarını tanımlar • Bu iki durumu tanılamak için ikili (binary) sistem kullanılır • İkili sistem 1 ve 0 sayılarındanoluşan matematiksel bir sayma sistemidir • Her sayıya “binary digits”kelimelerinin kısaltılmışı olan “Bit” denir

8. Byte Kavramı • 8 Bit’in gruplanması ile oluşturulan birimdir • Veriler Byte ve Byte’ın katları olarak depolanır (KB, MB, GB) • 256 farklı karakterin gösterimi için “1” ler ve “0” lardan oluşan yeterli farklı kombinasyonu sağlar • Numaralar • Büyük ve küçük harfler • Noktalama işaretleri

9. Onlu (Decimal) Gösterim • Her basamak için 10 olası değer (0-9) • 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ??? • Sonra ne yaparız? • En sağdaki basamak birler basamağı (0’dan 9’a), • Sonraki onlar basamağı (10’dan 90’a), • Sonraki yüzler basamağıdır (100 den 900 e) • vb... • 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, …, 98, 99, 100, vb. • Örneğin, 506 • 6 bir, 5 yüz • (6 x 100) + (0 x 101) + (5 x 102) = 506 • (6 x 1) + (0 x 10) + (5 x 100) = 506

10. İkili (Binary)Gösterim • Her basamakta sadece 2 olası değer (0 veya 1) • 0, 1, ??? • Sonra ne yaparız? • En sağdaki basamak birler basamağı (0 ve 1), • Sonraki ikiler basamağı (1’den 2’ye), • Sonraki dörtler basamağı (1’den 4’e) • vb... • 0, 1, 1 0, 1 1, 1 0 0, 1 0 1, …, 1 1 0 1, 1 1 1 1, vb. • Örneğin, 1 1 0 • 1 iki, 1 dört • (1 x 22) + (1 x 21) + (0 x 20) = 1 1 0 • (1 x 4) + (1 x 2) + (0 x 1) = 6

11. Onlu ve İkili Sistemin Karşılaştırılması

12. Onlu ve İkili Sistem Örnekleri 643 Onlu (Decimal) 101 İkili (Binary) 102 101 100 22 21 20 100 10 1 4 2 1 1 0 1 6 4 3 4 + 0 + 1 + 5 Decimal 600 + 40 + 3 643

13. İkili (Binary) Sistem Örneği

14. İkili Sistemde Aritmetik İşlemler Örnek Toplama İşlemi 2 Tabanında Toplama 0 + 0 = 01 + 0 = 10 + 1 = 11 + 1 = 101 + 1 + 1 = 11

15. Veri Gösterimi (Input/Output) Adım 2.“D” harfi için elektronik sinyal sistem ünitesine gönderilir Adım1.Kullanıcı klavyeden “D” (Shift+D) tuşuna basar Adım 3.“D” harfi için sinyal ASCII ikili koda (01000100) dönüştürülür ve işlenmek için hafızada saklanır Adım4. “D” harfinin ikili kodu üzerindeişlem yapıldıktan sonra kod görüntüye çevrilir ve çıkış aygıtında gösterilir

16. Bir İşlemci Nasıl Çalışır ? Bellek (RAM) 4. Evre: StoreSonuçlarhafızayageriyazılır 1. Evre: Fetch Veri yada programkomutlarıhafızadan alınır İşlemci İşlem Birimi (ALU) Kontrol Birimi 3. Evre: ExecuteKomutlarişlenir 2. Evre: DecodeAlınan komutlar yorumlanır

17. Programlar CPU’da Nasıl Çalışır ? • Programlar, çok basit bir şekilde sıralanmış komutlardır • CPU’lar temelde makine dili ile yazılmış komutları işleyebilirler • Üst seviye diller tarafından yazılan programlar derleyiciler ile makine diline, yani işlemcinin tanıyacağı komutlar dizesi haline getirilirler • İşletim sistemleri sınırlı kaynakları zaman içerisinde dağıtarak CPU’nun belirli bir düzen içinde bu programları çalıştırmasını sağlar

18. Örnek CPU Komutları • İşlem komutları • Add (Hafıza konumunda belirtilen sayıları topla) • Subtract (Hafıza konumunda belirtilen sayıları çıkar) • Hafıza komutları • Store (Hesap Makinesi Sonucu  Hafıza Alanı) • Load (Hesap Makinesi  Hafıza Alanındaki Değer) • Giriş / Çıkış komutları • Get (Giriş Değeri  Hesap Makinesi) • Put (Hesap Makinesi  Çıkış Alanı) • Dur

19. Makine Dilinde Örnek Bir Program • Programlar, çok basit bir şekilde sıralanmış komutlardır • Dikkatli küçük bir çocuk bile komutları takip edebilir • İki sayıyı toplayan makine dilinde örnek bir yazılım: Get 2 Girdi aygıtından 2 değeri okunur Add 2 Okunan değerin, yani 2’nin üzerine 2 eklenir Put Elde edilen 4 değeri çıktı aygıtına gönderilir Stop Döngü bitirilir

20. Ara Özet • Bu bölümde şu ana kadar bunları öğrendiniz; • İşlemcilerin temel birimleri • İkili sayma sistemi ve ondalık sistemle olan karşılaştırması • İşlemcinin çalışma sistemi • Programların CPU üzerinde nasıl çalıştığı

21. Hafıza (RAM) • RAM : Random Access Memory • Geçici verilerin tutulduğu depolama alanıdır • Hafıza çipleri işlemci tarafından okunabilen ve yazılabilen birimlerdir • İhtiyaç olduğunda, daha fazla RAM’e sahip bilgisayar daha hızlı tepki verir • Genellikle MB ve GB olarak gösterilir

22. Bellek Denetleyici Yonga • RAM’ler hesap çizelgesi gibi organize edilmiştir • RAM bölümü adreslenerek, adresten okuma yada bu adrese yazma işlemleri yapılabilir • MCC: Memory Controller Chip • RAM ile CPU arasındaki veri alışverişi MCC tarafından yönetilir • Yeni nesil işlemcilerde CPU içerisinde entegredir

23. MCC Veri ve Adres Yolu • Veriler, harici bir veri yolu ile CPU ve RAM arasında taşınır • Veri yolundan farklı bir kablo seti olan adres yolu ile CPU MCC’yi kontrol eder • CPU, RAM’den okuma veya yazma yapacağında hangi bölümün okunacağını veya yazılacağını adres yolu ile MCC’ye bildirir • MCC yeni nesil işlemcilerde CPU içerisinde entegredir

24. Bellek Gecikme Zamanları (Latency Time) • İşlemci çalışırken her zaman RAM’e giderek yeni komut istemesi oldukça zaman alıcı bir iştir • Aynı zamanda CPU RAM’den daha hızlı çalışmaktadır • Gecikme zamanları, RAM’e istek gönderdiğinde kaç saat darbesi beklemesi gerektiğini belirtir • Bu gecikmelerin etkisini azaltmak için işlemciye önbellek (cache) ilave edilmiştir

25. CPU Sınıflandırmaları • Üretici (Intel, AMD) • Model (Pentium, Athlon, Core2, Phenom vb.) • Paketleri yada nasıl monte edildiği (PGA, SEC, SEP, BGA) • Dış Hız / Dış Saat (Kristalin Hızı) • Çarpan (Kristale Uygulanan) • İç Hız (Kristal Hızının Çarpımından Oluşan Hız) • Pentium 4 3.2 GHz ifadesindeki 3.2 GHz • Model Numarası (Core2 Duo E6600) • Önbellek (Cache) • Üretim Teknolojisi (Nanometre) • Çekirdek Sayısı (Dual, Triple, Quad) Güncellendi

26. CPU Performansı • Dış Saat Hızı (Sistem Kristali) • CPU Çarpanı • Saat Hızı (Klasik Anlamda İşlemci Hızı) • İçsel Yapı Tasarımı ve CPU Paketi • Adreslenebilir Bellek Miktarı • Önbellek Boyutları • Pipelining (İş Hatları) • Voltaj, Harcanan Güç ve TDP • Çekirdek sayısı • Üretim Teknolojisi • Nanometre Güncellendi

27. Sistem Kristali • Saat sinyalini üreten bileşendir • Dış saat hızı olarak da bilinir • Genellikle şekildeki gibi anakarta lehimlidir • Sistem kristali CPU’nun ve PC’nin diğer bileşenlerinin çalışacağı hızı belirler • CPU ve diğer bileşenler için farklıkristaller mevcuttur Quartz Oscillator

28. Saat Hızı ve Çarpan (Multipliers) • Sistem kristalinden dış hız alınır • CPU’nun çarpanı ile çarpılarak CPU’nun daha yüksek hızlarda çalışması sağlanır • CPU’nun çalışma hızı, çarpma sonucunda oluşan hızdır • 66 MHz Kristal (Dış Saat) • 2x Çarpana Gönderilir • 132 MHz CPU Hızı Elde Edilir Orijinal (Dış) Saat 2 İle Çarpılmış Saat

29. CPU Paketi • Bir CPU paketi aşağıdakilerden oluşur; • Asıl Chip (Die) • Plastik, Metal veya Seramik Kasa • Kablo ve/veya Konektörler • Destek Chipleri • Soğutma Bileşenleri

30. Yaygın CPU Paketleri • Pin Grid Array (PGA) • PIN sayısı işlemciye göre değişir • İşlemcilere göre değişen soketlere takılır • Single Edge Cartridge (SECC) • İşlemci bir kartın üzerindedir • Kart anakarta takılır • Zero Insertion Force (ZIF) • İşlemcinin kolayca takılmasını sağlar • Kol işlemciyi sabitler • Ball Grid Array (BGA) • En yaygınıdır • CPU üzerinde PIN yoktur • PIN’ler anakart soketinde bulunur

31. Demo: CPU Paketleri

32. Adreslenebilir Bellek Miktarı • Adres yolundaki kablo sayısı CPU’nun kullanabileceği maksimum RAM’i belirler • İlk Pentium’lar 32 bitlik adres yoluna sahip idi • Şu anki işletim sistemleri 32 veya 64-Bit’dir (232) • Yeni CPU’lar 36-Bit adres yoluna sahiptir • 236, 64 GB belleğin adreslenebilmesini sağlar • Bazı 32-Bit’lik işletim sistemleri ek belleği işletim sistemifonksiyonları veya “Extensions” yardımı ile adresler • Bellek 4GB’lık bölümlere ayrılarak bölümseçme işlemi ile erişilir.

33. Önbellek (Cache) • Önbellek (cache) veriye çabuk ulaşım için kullanılan dağınık veri deposudur • CPU RAM’den daha hızlı çalışır ve bellekten gelen cevaplarda bir gecikme zamanı söz konusudur • Cache RAM’den daha hızlıdır • CPU’ya yakın olmasından dolayı gecikme zamanlarını azaltacağından performansı arttırır • Maliyet nedeni ile yüksek kapasiteli üretimleri yapılmamaktadır • L1, L2, L3 • İlk önbellekler CPU’nun dışındaydı

34. Pipelining • Pipelining birden fazla komutun CPU’nun farklı alanlarını kullanmasıdır. Aynı anda CPU’nun tüm yapıları farklı komutlar tarafından kullanılır. • Komutlar işlemciye taşıma bandı şeklinde girer • CPU’nun birden fazla işi aynı zamanda yapmasına olanak tanır

35. CPU’larda Voltaj • Eski CPU’lar 5 Volt’a ihtiyaç duyardı • CPU voltajı daha sonra 3.3 Volt ve daha aşağıya düşürüldü • Daha sonraki geliştirmeler voltajı daha da düşürdü ancak voltajda bir standart yoktur • Daha küçük boyutlar düşük voltajla çalışabilmeyi sağlamış ve yonga alanını küçültmüştür • Voltage Regulator Module (VRM) CPU’nun voltaj regülatörlerinin standardize edilmesini sağlayan küçük bir karttır

36. İşlem Kapasitesi ve Harcanan Güç • Harcanan güç Watt olarak ölçülür • Hızlı CPU’lar yaparken, daha az güç harcamasına ulaşmak • Daha küçük işlemciler, daha düşük voltaj, düşük güç tüketimi ve dolayısıyla da az ısınma demektir • Üretim teknolojisinin küçüklük ölçütü • Wafers kalınlık ölçümü • Günümüzde işlemciler 45 nm seviyesinin altına inmeye başlamıştır • Yaklaşık 455 hidrojen atomu sıklığındadır • İnsan saçının 1/3077 oranında Hidrojen Atomu

37. TDP: Thermal Design Power • Bir işlemci için ısıl tasarım enerjisini ifade eder • Maksimum yük altında gereken gücü gösterir • Düşük TDP; daha az tüketim ve daha az ısınma anlamına gelir • Overclock işlemlerinde, düşük TDP’li CPU’lar daha fazla tercih edilir • Uzun zaman çalışacak bilgisayarlarda ya da gerçek zamanlı sunucu sistemlerde TDP değerinin düşük olması çok önemlidir Yeni Eklendi

38. İşlemciler ve Gelişimi • CPU üreticileri yıllar boyunca yapılarına birçok geliştirme eklemişlerdir • Geniş dış veri yolları • Geniş adres yolları • Saat hızlarındaki artış • Intel 1990’ların başlarında Pentium CPU’lara başladı • 32-bit yazmaçlar (register) • 300 MHz e kadar hız • Birden çok programı aynı anda yürütebilme • Cache RAM’e süper hızlı erişim • İki yada daha fazla kod satırını aynı anda işleyebilme

39. Moore Kanunu

40. Intel İşlemci Aileleri ve Modeller Güncellendi

41. Intel CPU Paketleri Not: Bu tabloda tüm CPU paketleri verilmemiştir; en yeniden eskiye doğru yaygın kullanım alanı olan yapılara yer verilmiştir. Yeni Eklendi

42. AMD İşlemci Aileleri ve Modeller

43. AMD CPU Paketleri Not: Bu tabloda tüm CPU paketleri verilmemiştir; en yeniden eskiye doğru yaygın kullanım alanı olan yapılara yer verilmiştir. Yeni Eklendi

44. İşlemciler ve Özel Durumlar • Hyper-Threading İşlemciler: Pentium 4 • Çok Çekirdekli İşlemciler: Duo, Quad, X2, X3 • Mobil İşlemciler: SpeedStep ve PowerNow Teknolojileri • Sunucu İşlemcileri: Xeon ve Opteron • 64-Bit İşlemciler: Itanium ve 32-Bit Çalışan 64-Bit’ler • FSB, HT-Link ve QPI Kavramları Güncellendi

45. Hyper-Threading İşlemciler • Sadece Intel Pentium 4 serisinde vardır • Sistemde tek çekirdekli bir işlemci takılı iken, sanki 2 işlemci takılıymış gibi davranır • Çift çekirdekli Intel işlemcilerinde HT desteği bulunmamaktadır • Corei7 serisi ile birlikte HT desteğinin tekrar sağlanacağı ve örneğin 4 çekirdekli bir Corei7 işlemcinin sistemde 8 işlemci varmış gibi görüneceği duyurulmuştur

46. Çok Çekirdekli İşlemciler • Tek bir çip üzerine birden fazla yürütme çekirdeği olmasıdır • İlk olarak 2 çekirdekli Pentium 4 türevi olan Pentium D’ler geldi • Intel bu seride D ifadesiyle çift çekirdeği simgeledi • Core serisi ile çekirdek sayıları Duo (2 çekirdek), Quad (4 çekirdek) isimleri ile gösterilmeye başlanmıştır • AMD ilk çok çekirdeklisi Athlon64 X2 • AMD çekirdek sayılarını modellereX2, X3 … şeklinde ilave etmiştir • Çoklu çekirdek, ancak buna uygun yazılım olması durumunda performans sağlar

47. Mobil İşlemciler • Dizüstü bilgisayarlar için özel tasarlanırlar • Isınma ve güç gereksinimi problemlerinden dolayı daha az güç kullanılması amacıyla geliştirilmiştir • Throttling kullanır • Önceki adıyla system managment mode (SMM) • CPU’ya az ihtiyaç duyulduğunda CPU’yu yavaşlatır • Intel’in ticari adı: SpeedStep • AMD’nin ticari adı: PowerNow! • Yeni nesil masaüstü işlemcilerde de aynı teknoloji kullanılmaya başlanmıştır

48. Sunucu İşlemcileri • Sunuculara özel güçlü işlemciler • Büyük önbellekler • Kolayca simetrik çok işlemcili sistem oluşturmakta kullanılabilir • 2, 4 ve hatta 8 CPU setlerinde çalışmak için özel olarak dizayn edilmişlerdir • Intel Xeon ve AMD Opteron markaları ile sunmuştur • İlk Itanium (64-Bit) işlemciler de özel sunucu işlemcileridir

49. 64-Bit İşlemciler • 64-Bit komutları kabul etme ve işlem yapabilme • 64-Bit adres yolu demektir • 64-Bit veri yoluna sahibiz • 264 (çok büyük miktarda) bellek adresler • İlk olarak Intel Itanium işlemciler • Itanium sunucular için • Itanium II PC’ler için • Sadece 64-Bit • 32-Bit’de çalışan 64-Bit’ler • Athlon64 ilk masaüstü 64-Bit işlemci • Intel’de devamında bu desteği sağladı • Yeni işlemcilerin çoğu 64-bit desteği sağlar

50. FSB, HT-Link ve QPI-Link Kavramları • Hepsi aslında CPU ile RAM arasındaki harici veri yolunun teknolojisini, dolayısıyla da hızını ifade eder • İlk olarak Intel ve AMD FSB (Front Side Bus) hızı olarak ifade ediyorlardı • AMD bellek kontrolcüsünü Athlon64 ile CPU içine entegre edince HT-Link (Hyper Transport) olarak ifade ettiği üçüncü nesil veri yolu teknolojisini kullanmaya başladı • Intel Corei7 ile birlikte bellek kontrolcüsünü CPU içine entegre etti ve QPI-Link (QuickPath Interconnect) adını verdiği veri yolu teknolojisini kullanmaya başladı • Üçüncü nesil veri yolu teknolojileri, daha yüksek hız ve aynı anda daha çok aygıtın aynı anda veri yolunu kullanabilmesi ve çift yönlü kullanım gibi teknolojik gelişmeleri içerir