Genel Yapi

Bir bilgisayarin en popüler ve en önemli parçasi islemcidir. Kisaca CPU  ( C entral P rocessing U nit / Merkezi Islem Birimi) olarak anilan islemciler, adindan da anlasilacagi üzere bir bilgisayardaki islemleri yürüten ve sonuçlari gerekli yerlere gönderen elemandir.

1971 yilinda Intel  firmasinin ilk defa binlerce transistörü bir silikon çip üzerinde birlestirmesinle bilgisayar çaginda devrim gerçeklestirilmis oldu. Bu sekilde daha önce sadece büyük sirketlerin ve üniversitelerin kullanabildigi bilgisayarlar iyice küçüldü ve evlere girmeye basladi.

Mikroislemci ler, açma kapama anahtari gibi çalisan milyonlarca transistörden olusmaktadir. Bu anahtarlarin programlanma durumuna göre elektrik sinyalleri bunlarin üzerinden akar. Bu sinyaller, bilgisayarin yaptigi tüm isleri toplama, çikarma, çarpma ve bölme gibi temel matematiksel islemlere indirir. Islemci de bu islemleri en basit sayma sistemi olan ikilik düzen yani sadece 0 ve 1 sayilarini kullanarak yapar.

Mikroislemciler her türlü isi ikilik sayma sistemine dökmüstür. Mesela “Y” harfi ikilik sistemde “ 1011001” ile ifade edilebildigi gibi kirmizi gibi bir renk de bunun gibi ikilik tabandaki üç ayri sayi grubu ile ifade edilir. Ayni sekilde bir ses veya görüntü kaydi da yine buna benzer ikilik sayi gruplari ile ifade edilirler.

Bu  sayi gruplari üzerinde islem yapmak için islemci içerisinde bir takim komut listesinden ibaret bir program mevcuttur. Bu komutlar islemciye iki sayinin çikarilmasi, toplanmasi yönünde emir verebildigi gibi klavyeden girilen tercihlere göre bir takim komut satirini atlayip (sartli dallanma - conditional branch) diger komut satirlarini icra etmeye devam edebilir. Yani klavyeden bir soru karsisinda girecegimiz “E” (evet) veya “H” (hayir) ifadelerine göre program belirli komut satirlarini icra eder veya etmez. Temel olarak, mikroislemcinin yaptigi is, bitler üzerinde islem yapmak üzere komutlari çalistirmaktir.

Üniteler

Islemci üzerinde komutlari icra etme isini uygulama ünite si (execution unit) ya da fonksiyon ünitesi (function unit) adi verilen üniteler gerçeklestirir. Modern islemcilerde degisik komut türlerini isletmek üzere birden fazla fonksiyon ünitesi bulunur. Çogunlukla aritmetik/mantiksal ünite (arithmetic/logic unit)  olarak da anilan tamsayi (integer) üniteleri tam sayilar ile ilgili islemleri yapar. Kayan nokta ünitesi (FPU-Floating Point Unit) ise 5,21 gibi küsuratli sayilarla ilgili islemleri yapar. Bir mikroislemcide ne kadar fazla fonksiyon ünitesi varsa ayni anda çalisabilecek komut sayisi da o kadar artar.

Register seti

Register ler, islem aninda bir program tarafindan kullanilmakta olan sayilarin saklandigi geçici hafiza hücreleridir. Farkli komut ve register setlerine sahip olan islemciler birbirlerinin yazilimlarini çalistiramazlar.

Mimari

Mikroislemciler mimari (architecture) olarak gruplara ayrilirlar. Ortak mimariye sahip olan    islemciler ayni komutlari tanimakta ve ayni yazilimlari çalistirabilmektedirler.

  En meshur mikroislemci mimari si Intel'in x86 islemcisidir. Intel ilk x86 tabanli islemcisini 8086 olarak 1978 yilinda piyasaya sürdü. Daha sonraki yillarda yeni nesil x86 tabanli islemciler çikarildi. 286,386,486, Pentium ve Pentium Pro olarak bu kusaklari görebilmekteyiz. Pentium II, Celeron, Pentium III, Xeon ve Katmai, altinci kusak Pentium Pro'nun varyasyonlaridir.

Intel'in haricindeki diger mimariler ise sunlardir: Modern Machintosh'larda bulunan PowerPC, eski Mac'lerdeki 68oxo serisi, Digital ve Compaq'in güçlü serverlerinde kullanilan Alpha ailesi, Silicon Grahics'in Mips Rxooo serisi, Hawlett-Packard'in PARISC'i ve Sun Microsystems'e ait SPARC'tir.

Mimariler, ortaya çiktiklari dönemin felsefesine göre dizayn edilirler. 1970'lerde veri saklama cihazlari ve hafiza bu güne göre çok kisitliydi. Bu kaynaklari tasarruflu bir sekilde kullanabilmek için  Intel x86 tabanli islemcilerde CISC (Complex Instruction Set Computing - Karmasik komut seti ile hesaplama) diye bilinen  bir mimari kullandi. CISC'in karakteristik iki özelligi, degisken uzunluktaki komutlar ve karmasik komutlardir. Degisken uzunluktaki komutlar hafiza tasarrufu saglar. Çünkü basit komutlar karmasik komutlardan daha kisadir. Karmasik komutlar da iki ya da daha fazla komutu tek bir komut haline getirdikleri için hem hafizadan hem de programda yer almasi gereken komut sayisindan tasarruf saglar.

Ilerleyen yillarda CISC'in kisitlamalari ve hafizayi tasarruflu kullanmanin önemini yitirmesi neticesinde CISC'a rakip olarak RISC (Reduced Instruction Set Computing - daraltilmis komut seti ile hesaplama) ortaya çikti.

RISC'in komutlarinin uzunlugu sabittir (genelde de 32 bit'tir) ve her bir komut basit bir islemi yerine getirir. Bir RISC çipi bu iki karakteristik özelligi sayesinde, fetch (komutu hafizadan tasima), decode (komutun anlamini çözme) ve komutu çalistirma islemlerini daha kolay bir sekilde yapabilir. RISC'in bir dezavantaji kodun uzamasidir. Tüm komutlar gerek olsun olmasin 32 bitliktir. Dolayisiyla RISC programlari CISC programlarindan daha fazla hafiza gerektirebilirler. Buna ragmen decode asamasinin CISC'e göre daha hizli gerçeklesmesine ek olarak, çogu  RISC komutlari sabit bir zaman diliminde islem görür. Bu da superscalar pipelining teknolojisi kullanan modern islemciler için önemli bir özelliktir.

Pipelining

Pipelining , tipki bir fabrikadaki seri üretim bandi gibi çalisir. Bir fonksiyon ünitesi, her komutun isletilmesini asamalarina ayirir. Basit bir pipeline'de bes ya da alti  asama olabilir. Bir superpipeline'da ise 10 ya da daha fazla asama olabilir. Böyle bir pipeline'dan ayni anda birkaç komut birden akabilir. Her komut da ayri bir asamada islem görmekte olabilir. Superscalar bir islemcide her birisinin kendisine ait pipeline'i olan iki ya da daha fazla fonksiyon ünitesi yer alabilir. Böyle bir islemci birkaç komutu birden paralel olarak isletebilir.

RISC bu teknige daha da elverislidir. Çünkü basitlestirilmis komutlar pipeline'lardan daha pürüzsüz bir sekilde akarlar ve CISC komutlarinin neden olabildigi tikanmalara maruz kalmazlar.

Cache

Cache , çalismakta olan bir programa ait komutlarin geçici olarak saklandigi bir hafizadir. Cache hafizalar, islemcinin komutlari daha hizli yüklemesini saglayan yüksek hizli hafizalardir. Cache hafizlar, Level 1 (L1) ve Level 2 (L2) olmak üzere ikiye ayrilirlar. Islemci ihtiyaç duydugu komutu ilk önce L1 cache hafizada arar. Eger islemcinin aradigi komut burada yoksa L2 cache hafizaya bakilir. Eger burada da yoksa (cache miss durumu) sirayla, RAM ve HDD üzerindeki sanal hafiza üzerinde arar. L1 cache hafiza bunlar içerisinde en hizli olanidir ve genellikle islemcinin üzerine imal edilir. L2 cache hafiza ise L1 e göre daha yavas olmasina ragmen gene de hizi çok yüksektir. Bir kisim islemcilerde (Celeronlarin ilk nesillerinde oldugu gibi) L2 cache hafiza bulmayabilmektedir. Bu durumda L1 cache hafizaya sigmayan komutlar L2 olmadigi için direkt olarak daha yavas olan RAM a yazilmakta ve islemcinin performansi düsmektedir. L2 cache hafiza genelde  islemcinin yakinindaki yüksek hizli hafiza çiplerinden olusur. Bazi yeni islemcilerde (Celeron  300A ve sonrasi gibi) L2 cache hafiza islemcinin içine  monte edilmis ve daha hizli erisim saglanmistir.

Dünden bugüne x86 islemciler

8086/8088

Intel, 16 bitlik 8086 islemcisini 1978 yilinda piyasaya sürdü. Yüksek seviyeli programlama dillerine ve daha etkin isletim sistemlerine sahip ilk islemci olan 8086, IBM uyumlu sistemlerin temelini olusturdu. Arkasindan çikan 8088 islemci ile IBM ilk kisisel bilgisayari (PC) piyasaya sürdü. Bu ilk PC'nin 16K hafizasi, grafik özelligi olmayan ekrani  ve bir teyp bandi sürücüsü vardi.

Bu ilk islemci dis veriyolu olarak 8 biti destekliyordu ve 4.77 MHz saat hizinda çalismaktaydi.

80286

Kisa bir süre sonra Intel, 80286 islemcisini çikartarak PC performansini yeni bir seviyeye yükseltti. 80286 islemci 16 bit veriyolunu hem içte hem de dista kullanabiliyordu. Bu da  kendinden  önceki islemcilerden çok daha fazla ilgi görmesine sebep oldu ve artik PC'ler için daha güçlü yazilimlar üretilmeye baslandi.

80386

Intel'in bir kusak sonraki islemcisi olan 80386  islemcisi PC dünyasina büyük degisiklikler getirdi. SX ve DX modelleri olan bu islemcinin en büyük özelligi 32 bit bir islemci olmasiydi. 286'lardaki veri yolunun iki katina çikartilmasi PC'lerde grafik islemlerini artirdi. Ayrica saat hizinin 16 MHz'den 33 ve 40 MHz'e çikartilmasi islemleri daha da hizlandirdi.

i486

Intel Nisan 1989 yilinda i486 islemciyi piyasaya sürdü. i486 islemcisi entegre bir chiptir. Bu chip dört farkli islev grubunu (asil CPU'yu, bir matematik yardimci islemcisini, bir önbellek denetleyicisini ve DX/DX2 modellerinde bir adet genel önbellek, DX4 modellerinde ise iki adet ayrik 8K  önbellegi) bir bilesende birlestirmektedir. i486 hem içten hem de distan 32-bit yapi kullanir. Saat hizi olarak da 100 MHz'e ulasmistir.

Pentium

i486 islemcilerin hizla yayginlastigi bir dönemde Intel P5 kod adiyla tasarladigi yeni islemci ailesini Pentium adiyla piyasaya sürdü. Dis veriyolu 64-bit iç veriyolu ise 256-bit olan bu islemci iki adet ayrik 8K'lik önbellege sahiptir. Pentium  islemci 486'lardan farkli olarak iki adet tamsayi islemcisine sahiptir. Kayan nokta islemcisi de iyice gelistirilmistir. Ayrica 486 islemcilerde olmayan  Branch Protection (dallanma tahmini) teknolojisi kullanilmistir. Bu teknoloji, program sirasinda isletilecek olan dallanma (jump) komutlarinin dallanacagi tahmin edilen kod kümelerinin daha hizli erisilen bir ortama kopyalayarak islenmeye baslanmasina dayanir. Bu sekilde %25 oraninda performans artisi saglanir.

Pentium islemciler 0.28 mikronluk BICMOS ve CMOS teknolojisi ile üretilmislerdir. 60 MHz, 75 MHz, 90 MHz, 100 MHz, 120 MHz, 133 MHz, 166 MHz, 200 MHz ve 233 MHz saat hizinda üretilmislerdir.

Pentium Pro

Pentium islemcilerin yaklasik iki kati islemci gücüne sahip olan bu   islemcilerde 5.5 - 6.1 milyon arasinda transistör kullanilmistir. +2.9V besleme gerilimi ile çalisan bu islemci 166 MHz, 200 MHz, 233 MHz ve 266 MHz  saat hizlarinda üretilmislerdir. Bu islemci daha çok server bilgisayarlar için tasarlanmistir ve x86 tabanindaki islemciler için yazilmis tüm yazilimlari desteklemektedir. Pentium Pro  öncelikle 32 bitlik programlara ihtiyaç duyar. Bu sebeple islemcinin tam performansla çalisabilmesi için Windows NT gibi gerçek 32 bitlik isletim sistemi kullanilmalidir.

MMX Teknolojisi

Intel, 1997'nin baslarinda Pentium MMX islemciyi piyasaya sürerek   Pentium tasarimina yeni bir boyut kazandirdi. M ulti M edia E x tension'in kisaltilmisi olan MMX , Pentium islemcisine 57 adet yeni komutun eklenmesiyle olusmus bir islemcidir. Yani birkaç komutun yaptigi bazi islemler tek komutta toplanmistir.  S ingle I nstruction - M ultiple D ata -SIMD (Tek Komut - Çoklu Veri) teknolojisinin kullanildigi bu islemcilerde tek bir komutun getirdigi bir çok islem paralel olarak bir arada yapilabilmektedir.

Bu islemcilerde  multimedya için komut setinin genisletilmesiyle birlikte L1 önbellek kapasitesi de 32 KB'a yani iki katina çikartilmistir. Islem performansi söz konusu oldugunda MMX islemcilerin verimliligi tartisilmaz.  MMX   islemcilerin hizli olmasindaki en büyük faktör önbellegin büyüklügüdür.  Ayrica MMX islemcilerde besleme gerilimi 5V veya 3.2V'tan 2.8V'a düsürülerek islemci çekirdegindeki kayip performans düsürüldü. Bu sayede yüksek saat hizina ragmen islemci daha az isinmaktadir.

Pentium II

MMX teknoloji ile yakaladigi performansi Pentium Pro ile birlestiren Intel Pentium II islemcileri piyasaya sürdü. Pentium II islemciler hem yapi olarak hem de fiziki olarak önceki islemcilerden farkliliklar tasimaktadir. Önceki islemcilerde Soket 7 yi kullanan Intel Pentium II ile birlikte SEC (Single Edge Contact) adini verdigi ve Slot 1'e girecek yapida bir dizayn kullandi.

Pentium II ailesinin ilk modeli 233 MHz hizinda üretildi. Arkasindan 266 MHz, 300 MHz ve 333 MHz modelleri geldi. Intel bu asamadan sonra 66 MHz'lik veri yolunun yaninda 100 MHz'lik veri yolunu da kullanmaya basladi ve daha sonra çikan islemciler 350 MHz, 400 MHz ve 450 MHz olarak çikti.

Pentium II'lerin yapilarindaki ve veriyolu hizlarindaki bu degisiklikler beraberinde anakartlarin da çesidini artirdi. 66 MHz veri yolunu kullanan Pentium II'ler için 440LX chip set kullanan anakartlar üretildi. Arkasindan 100 MHz veri yolu kullanan islemciler için 440BX chip setli (ayni zamanda 66 MHz veri yolunu da destekler) anakartlar üretildi.

Pentium II ailesinin son ferdi olan 450 MHz den sonra Pentium III'ler piyasaya sürüldü.

Celeron

Daha çok is istasyonlari ve CAD/CAM gibi genis uygulamalar için tasarlanan Pentium II'ler son kullanicilar için pahali gelmekteydi. Bu durumu degerlendiren Intel, son kullanicilara yönelik yeni bir islemci piyasaya sürdü. Celeron  ismini verdigi bu islemcilerin Pentium II'den en büyük farki L2 ön belleginin olmamasiydi.

Bu serinin ilk ferdi 266 MHz olarak tasarlanmistir. L2 ön bellegi olmayan Celeronlar Pentium Pro ile ayni performansi göstermektedir. 266 MHz islemcinin arkasindan yine L2 önbellegi olmayan Celeron 300 üretildi.

Ilk nesil Celeron islemcilerin fiyati çok cazip olmasina ragmen önbellek gerektiren uygulamalarda yetersiz kalmasi bu islemcilere ilgiyi azaltti. Bu sirada Intel yine bir atak yaparak 128KB L2 önbellege sahip Celeron 300A islemcisini üretti. Arkasindan gelen 333 MHz, 366 MHz, 400 MHz, 433 MHz ve 466 MHz islemciler 128 KB önbellek gelenegini devam ettirdiler.

Celeron islemciler 333 MHz'e kadar Slot-1 yapisinda üretilirken (Sekil 3 ) bundan sonra Soket-370 yapisinda üretilmistir.

Bu islemciler 0.25 mikron CMOS teknolojisi ile imal edilmislerdir. Önbellek içermeyen Celeron islemcilerde 7.5 milyon transistör varken önbellek içeren islemcilerde 19 milyon transistör oldugunu görmekteyiz.

  Celeron'larin içerdigi 128 KB önbellek islemcinin içerisindedir ve çekirdek ile ayni hizda çalisirlar. Bu, Celeron islemcilerin daha kolay overclock edilmelerini saglar. Ancak Pentium II'ler her zaman Celeron'lara göre daha üstündürler. Çünkü daha önce de belirttigimiz gibi Celeron'lar son kullanicilar için, Pentium II'ler ise daha kapsamli isler için tasarlanmistir.

Pentium III

Katmai olarak isimlendirilen çekirdekle tasarlanan islemci, beraberinde bir çok yenilikler de getirdi. Daha önce MMX islemcilerde gördügümüz (fakat onlardan çok daha karisik) sekilde 70 adet yeni komutla gelen bu islemcinin asil performansi temel yapisindaki degisiklik  olmadigi için hemen birden bire bilgisayarimizda bir performans artisi gözlenememektedir. Intel, Pentium III'te de Pentium Pro'dan beri  iyilestirilerek kullanilagelen çekirdek kismi kullanilmistir.

Islemciye 70 adet yeni komut eklenmis ve bu komutlari kullanan birimlerde degisiklikler yapilmistir. Bu komutlar MMX'teki gibi belli bir konuya mahsus komut degillerdir ve üç ana baslik altinda toplanirlar.

Intel'in SIMD (Single Instruction, Multiple Data Parallelism - Çoklu Veri Paralelligi Saglayan  Tek Çevrimli Komutlar) genisletmeleri olarak adlandirdigi bu komutlar islemci içinde farkli çalistirma birimlerinde isletilirler. Bu   komutlardan ilk 50'si FPU ( F loating P oint U nit - Matematik Islem Birimi) içerisinde islenir. Bu sekilde SIMD FPU komutlari normalde onlarca saat çevriminde halledilebilecek 32-bitlik çarpimlari tek bir saat çevriminde yapabilmekte ve bu komutlarda ayni anda 4 tanesi birden isletilebilmektedir. Bu sayede 3 boyutla ilgili hesaplarin yapilma süresi ve MPEG-1 ve MPEG-2 kodlarinin çözümleri daha kisa zamanda yapilabilmektedir.

Bu komutlarla birlikte islemciye eklenmis diger yapisal bir degisiklik de 8 adet yeni registerdir. Bu yeni register'lar islemcide yeni SIMD FPU komutlari tarafindan kullanilmak üzere  yer aliyorlar. Register'lar 128-bit'lik bir genislige sahiptir. Bu sayede birden çok (dörde kadar) FP ucu bir register'a yüklenebiliyor ya da SIMD komutlari bu register'larda saklanabiliyor. Bu sekilde Intel, RISC islemcilere göre en büyük eksiklik olan register sayisinin azligini yavas yavas kapamaya basladi.

Pentium III islemcilere eklenen komutlardan 12 tanesi “yeni medya” komutlari olarak adlandirilarak MMX ünitesince degerlendirilmektedir. Daha hizli islenen iki boyutlu grafikler ile video oynatimi, MPEG çözümünde extra hiz, codec'lerin kullanilmasinda kolaylik ve daha hizli istatistiki bilgi kullanilmasi mümkün olmaktadir.

Diger 8 adet komut ise Pentium III'ün dis dünya ile konusmasini saglayan bus kontrolörüne eklenmistir. Bu komutlar sayesinde daha büyük 3D veri tabanlarinin kullanim hizini, düzgün video akisini ve performansi düsüren hafiza iskalari konularinda islemler olur.

Daha önce de bahsettigimiz gibi Pentium II'nin önbellegi islemci hizinin yari hizinda çalismaktaydi. Bu durum Pentium III'de de devam etmistir ve bu durum performansi bir miktar düsürmektedir. Pentium III'lerin yeni çikan bazi modellerinde cache bellek 256 KB'a düsürülmüs ve çekirdek içerisine konarak islemci ile ayni hizda çalismasi saglanmistir. Bu modellerin sonuna “E” harfi konmaktadir.Ayrica normalde 100 MHz veriyolu hizinda çalisan Pentium III islemcilerin yine yeni çikan modelleri 133 MHz hizinda çalismaktadir. Bu modellerin sonuna da “B” harfi eklenmektedir. Mesela Pentium III 600EB islemcisi 133 MHz hizinda çalisan ve 256 KB cache bellege sahip bir islemcidir.