Bilgisayar Mimarisi

Mimari programcıya görünen kısımları ifade eder.

Instruction set, veri gösterimindeki bit sayısı, I/O mekanizmaları, adresleme teknikleri.
Örnek: Çarpma işlemi olup olmadığı mimariyle ilgilidir.

Organizasyon programcıya görünmeyen kısmı ifade eder.

Kontrol sinyalleri, arayüzler, hafıza teknolojisi.
Örnek: Çarpmanın ne şekilde yapıldığı organizasyonla ilgilidir (ardarda toplama veya Booth algoritması)

Yapı (Structure) ve Fonksiyon (Function)

Structure, elemanların birbirleriyle ne şekilde ilişkili olduğunu ifade eder. Function, herbir elemanın işlevini gösterir.

Her bilgisayar aşağıdaki işlevleri yerine getirir.

Data processing
Data storage
Data movement
Control

CPU bileşenleri:

Registers (Yazmaçlar)
Aritmetik mantık birimi
CPU dahili bağlantısı
Kontrol Birimi

Kontrol Birimi bileşenleri

Sıralama mantığı
Kontrol birimi yazmaçları ve kod çözücü
Kontrol Memory

Her geçen yıl bilgisayarların performansı ve kapasitesi artarken fiyatları önemli oranda düşmektedir. Resim işleme, konuşma algılama, video konferans, multimedya ve simülasyon uygulamaları yüksek performans gerektirir. Yaklaşık her üç yılda bir çip içerisindeki transistör sayısı dört katına çıkmıştır. Bilgisayar teknolojisindeki gelişmeler tek başına performansı istenen seviyede artırmaya yeterli olmamaktadır. Teknolojideki hız artışına paralel bir şekilde mikroişlemcide performansı artırmak için yeni teknikler
geliştirilmiştir.

Pentium mikroişlemciler Complex Instruction Set Computer (CISC) mimarisine sahip bilgisayarların gelişimini, Power PC mikroişlemciler ise Reduced Instruction Set Computer (RISC) mimarisine sahip bilgisayarların gelişimini göstermektedir.

Bilgisayarın Fonksiyonu

Instruction Cycle
Kesmeler (Interrupt’lar)

Mikroişlemci gerçekleştireceği işlemleri programdaki komutları kullanarak yerine getirir. En temel olarak mikroişlemci iki adımda bir işlemi gerçekleştirir. Birinci adımda komutlar mikroişlemciye alınır (fetch). İkinci adımda komut çalıştırılır (execute). Bu iki adıma komut döngüsü (instruction cycle) denilmektedir.

Execute adımı birden fazla alt adımdan oluşabilir. Örneğin, komut operand gerektiriyorsa operandların alınması execute adımında gerçekleştirilir.

Bilgisayarın Fonksiyonu – Fetch Cycle

Program counter (PC) bir sonraki komutun adresini tutar. İşlemci PC ile gösterilen adresten komutu alır. PC alınan komut boyutu kadar artırılır (Atlama komutu çalışırsa farklı bir adrese geçilir). Hafızadan alınan komut Instruction Register (IR)’a aktarılır. İşlemci alınan komutu yorumlar ve gereken işlemleri yapar.

Execute aşamasında farklı işlemler yapılabilir.
CPU-Hafıza
• CPU ile hafıza arasında veri aktarılır.
CPU-I/O
• CPU ile I/O cihazları arasında veri aktarılır.
Veri üzerinde işlem
• Aritmetik ve mantık işlemlerden birisi yapılır.
Kontrol
• Programdaki komutların çalışma sırasında değişiklik yapılabilir.

Yukarıdakilerden birkaç tanesi birlikte yapılabilir.

Bilgisayarın Fonksiyonu-Komut Döngüsü

Bilgisayarın Fonksiyonu-Kesmeler

Kesmeler I/O cihazları tarafından üretilebilirler ve işlemcinin normal çalışmasını keserler.
Program kesmeleri
• Overflow, division by zero.
Timer kesmeleri
• CPU’nun içindeki timer’lar tarafından üretilirler.
I/O kesmeleri
• I/O denetleyicileri tarafından oluşturulur.
Donanım kesmeleri
• Memory parity hatası, pil uyarısı, disk okuma hatası.

Interrupt cycle

Komut döngüsünün sonuna eklenir.
• İşlemci kesme gelip gelmediğini kontrol eder.
Kesme gelmemişse sonraki komut fetch edilir.
Kesme gelmişse,
• Çalışmakta olan program beklemeye alınır.
• Register içerikleri saklanır.
• PC’ye yeni adres değeri aktarılır.
• Kesme için gerekli işlemler gerçekleştirilir.
• Önceki programa dönülür ve register değerleri yeniden elde edilir.

Kesmenin gerçekleştirilmesi

Kesmeyle birlikte komut döngüsü

Kesme ile birlikte komut döngüsü

Çoklu kesmeler

Yeni gelen kesmeler etkisiz kılınır:
- İşlemci bir kesmeyi çalıştırırken yeni gelenleri beklemeye alır.
- Önceki kesme bitirildiğinde bekleyen kesmeler oluştukları sırayla işlenir.
Önceliklendirme yapılır:
- Bir kesme çalışırken yeni gelen kesmenin önceliği daha düşükse yeni gelen beklemeye alınır.
- Bir kesme çalışırken yeni gelen daha öncelikli ise çalışan kesme olduğu yerde bırakılır ve yeni gelene geçilir.
- Öncelikli kesme bitirildikten sonra yarıda kesilen kesmeye kaldığı yerden devam edilir.

Kesmelerin sıralı çalışması