Merkezi İşlem Birimi (CPU) Girilen bilgilerin işlendiği ve sonuçların üretildiği birimdir. Gelen bilgilerin hangi birime gideceğine işlemci karar verir. Komutları işler. Verileri idare eder. Diğer birimlerle olan etkileşimleri kontrol eder.

İşlemciler (CPU) Nasıl Çalışır? Klavyedeki tuşlara her basışınız, yaptığınız her fare hareketi bile bir şekilde işlemciye uğrar.

İşlemciler Nasıl Çalışır? Hangi işlemciyi kullanırsanız kullanın çalışma prensibi aynıdır: İşlemci elektriksel sinyalleri 0 ve 1 şeklinde alır ve verilen komuta göre bunları değiştirerek sonucu yine 0'lardan ve 1'lerden oluşan çıktılar halinde verir. 3.3 voltla çalışan bir sistemde 3.3 voltluk sinyal 1, 0 voltluk sinyal de 0 değerini üretir.

İşlemciler Nasıl Çalışır? 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 kombinasyonlarına göre devreyi açıp kapayabilen yani elektronik anahtar görevi gören devre elemanlarıdır. Modern işlemcilerde bu transistörlerden milyonlarca tanesi aynı anda çalışarak çok komplike mantık hesaplarını yapabilirler.

İşlemciler Nasıl Çalışır? Mantık kapıları karar verirken (yani akımın geçip geçmeyeceğini belirlerken) Boolean Mantığı'nı kullanırlar. Temel Boolean operatörleri AND (ve), OR (veya) ve NOT'tır (değil).

İşlemciler Nasıl Çalışır? Güncel işlemciler mikroskobik boyuttaki milyonlarca mantık kapısından oluşur. Mantık kapıları entegre devreleri oluşturur. Entegre devreler de elektronik sistemleri oluşturur.

En Basit Haliyle Bir İşlemci

Execution Unit (Core=Çekirdek): Bu ünite komutları çalıştırır. İş hattı (pipeline) denen yollarla; okuma, değiştirme ve komut çalıştırma işlemlerini yapar.

Tek çekirdek-Çift çekirdek

Branch Predictor: Bu ünite bir program çalışırken başka bir satıra atlayacağı zaman hangi satırların işleme konacağını tahmin etmeye çalışır.

Floating Point Unit: Bu ünite tamsayı olmayan hesaplamalardan sorumludur. Floating point :kayar nokta

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.

L1 Cache: İşlemci için önbellektir. İşlemci bunlara daha hızlı ulaşabilsin diye önemli kodlar ve veriler bellekten buraya kopyalanır. Kodlar için Code Cache Veriler için Data cache olmak üzere ikiye ayrılır. Güncel işlemcilerde L2 ve L3 (Level 2, 2. seviye) önbellek de bulunur.

Önbellek (Cache) Cache veriye çabuk ulaşım için kullanılan dağınık veri deposudur. İşlemci RAM’den daha hızlı çalışır ve bellekten gelen cevaplarda bir gecikme olur. Cache RAM’den daha hızlıdır. CPU’ya yakın olduğundan gecikmeyi azaltır ,performansı arttırır. Maliyet nedeni ile yüksek kapasiteli üretimleri yapılmamaktadır. L1, L2, L3 İlk önbellekler CPU’nun dışındaydı.

BUS Interface:Yol arayüzü İşlemciye veri – kod karışımını getirir. Bunları ayırarak işlemcinin ünitelerinin kullanmasını sağlar. Ve sonuçları tekrar birleştirerek dışarı yollar. Bu arayüzün genişliği işlemcinin adresleyebileceği hafızayı belirler. Örneğin 32 bitlik hafıza genişliğine sahip bir işlemci 2 üzeri 32 byte (4 GB) hafızayı adresleyebilir ve bu hafızadan aynı anda 32 bit üzerinde işlem yapabilir. Günümüzde masaüstü pazarına 32 bitlik işlemciler hakimdir. Sunucu uygulamaları ve bilimsel çalışmalar için 64 bitlik işlemciler yaygın olarak kullanılır.

Saat çevrimi (Clock cycle) Bir işlemcideki bütün elemanlar saat vuruşlarıyla çalışır. Saat hızı bir işlemcinin saniyede ne kadar çevrim yapabileceğini belirler. Saat hızı 200 MHz olan bir işlemci kendi içinde saniyede 200 Milyon çevrim yapabilir. Bu saat vuruşları anakart üzerindeki Clock Generator denen çipte üretilir. Bu çipin içinde titreşim yani salınım üreten kristaller (osilatör) vardır. Bu kristallerin titreşimleri saat vuruşlarını oluşturur.

Kristal(osilatör)

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

Makine Dili İşlemciler komutları bizim yazdıklarımızdan çok daha farklı bir şekilde algılarlar. Bir komut bit dizilerinden oluşur fakat bu bit dizilerini akılda tutmak çok zordur. Bu yüzden komutlar bit dizileri yerine kısa kelimelerle ifade edilir ve bu kelimelerden oluşan dile Assembly Dili denir. Assembler bu kelimeleri bit dizilerine çevirerek işlemcinin anlayabileceği şekilde hafızaya yerleştirir.

Assembler Komutlarına örnekler: LOADA mem – bellek adresini A yazmacına(register) yükle LOADB mem – bellek adresini B yazmacına yükle CONB con – B yazmacına sabit bir değer ata SAVEB mem – B yazmacını bellek adresine kaydet SAVEC mem – C yazmacını bellek adresine kaydet ADD – A ile B'yi toplayıp sonucu C'ye kaydet SUB – A'dan B'yi çıkartıp sonucu C'ye kaydet MUL – A ile B'yi çarpıp sonucu C'ye kaydet DIV – A'yı B'ye bölüp sonucu C'ye kaydet COM – A ile B'yi karşılaşıtırıp sonucu teste kaydet JUMP addr – adrese atla JEQ addr – eşitse adrese atla JNEQ addr – eşit değilse adrese atla JG addr – büyükse adrese atla JGE addr – büyük veya eşitse adrese atla JL addr – küçükse adrese atla JLE addr – küçük veya eşitse adrese atla STOP – işlemi durdur

İşlemci Komut Kümeleri Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayar (RISC - Reduced Instruction Set Computer) Mimarilerde, nispeten küçük bir komut kümesi kullanılır ve RISC yongaları bu komutları çok hızlı bir şekilde yürütmek üzere tasarlanmıştır. Kompleks Komut Kümeli Bilgisayar (CISC - Complex Instruction Set Computer) Mimarilerde büyük bir komut kümesi kullanılarak işlem başına düşen adım sayısı azaltılır.

Soket / Slot

Programlar CPU’da Nasıl Çalışır ? Programlar, 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 CPU’nun belirli bir düzen içinde bu programları çalıştırmasını sağlar.

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)

Yaygın CPU Paketleri Pin Grid Array (PGA) Single Edge Cartridge (SECC) PIN sayısı işlemciye göre değişir. İşlemcilere göre değişen soketlere takılır. Single Edge Cartridge (SECC) İşlemci bir kartın üzerindedir. Kart anakarta takılır.

Yaygın CPU Paketleri Zero Insertion Force (ZIF) Ball Grid Array (BGA) İşlemcinin kolayca takılmasını sağlar. Kol işlemciyi sabitler. Ball Grid Array (BGA) En yaygınıdır. CPU üzerinde PIN yoktur. PIN’ler anakart soketinde bulunur.

İşlemcilerde 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 çip alanını küçültmüştür Voltage Regulator Module (VRM) CPU’nun voltaj regülatörlerinin standardize edilmesini sağlayan küçük bir karttır.

Çok Çekirdekli İşlemciler Tek bir çip üzerinde birden fazla yürütme çekirdeği mevcuttur. İlk olarak 2 çekirdekli Pentium 4 türevi olan Pentium D’ler piyasaya sunuldu. 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 modellere X2, X3 … şeklinde ilave etmiştir Çoklu çekirdek, ancak buna uygun yazılım olması durumunda performans sağlar

Mobil İşlemciler Dizüstü bilgisayarlar için özel tasarlanırlar. Daha az güç harcasın, daha az ısınsın düşüncesiyle geliştirilmiştir. Yeni nesil masaüstü işlemcilerde de aynı teknoloji kullanılmaya başlanmıştır. Yanlarına konulan bir M harfi ile ifade edilirler.

Sunucu İşlemcileri Bunlar sunuculara özel güçlü işlemcilerdir. Büyük önbelleklere sahiptirler. 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 piyasaya sunulmuştur. İlk Itanium (64-Bit) işlemciler de özel sunucu işlemcileridir

64-Bit İşlemciler 64-Bit komutları kabul etme ve işlem yapabilme yeteneğine sahiptirler. 64-Bit adres yolu demektir 64-Bit veri yoluna sahibiz İlk olarak Intel Itanium işlemciler Itanium sunucular için Itanium II PC’ler için 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

İşlemci Karşılaştırması CPU Phenom Phenom II Core i7 Core 2 Duo Üretim 65 nm 45 nm 65 ve 45 nm En Yüksek Saat 2.6 GHz 3.0 GHz 3.2 GHz L1 Önbellek 64 + 64 KB 32 + 32 KB L2 Önbellek 512 KB 256 KB 4 MB L3 Önbellek 2 MB 6 MB 8 MB Güç Tüketimi 140 W 125 W 136 W Veri Yolu Türü HT-Link QPI-Link FSB Veri Yolu Hızı (En Yüksek) 3.2 GHz 25.6 GB/s 6.4 GT/s 12.8 GB/s 400 MHz 12.8 GB/s Veri Yolu Hızı (En Düşük) 800 MHz 6.4 GB/s 4.8 GT/s 9 GB/s 200 MHz 6.4 GB/s

İşlemci Montajı İşlemci montajını kesinlikle kasanın dışında yapın PIN’ler (iğnelere) sakın dokunmayın Elektrostatik boşalma ve fiziksel hasar Soketi montaja hazır hale getirin AMD işlemcilerde PIN’ler CPU’nun üzerindedir Intel işlemcilerin çoğunda PIN’ler anakart üzerindedir Türüne göre sabitleme kolunu veya çerçeveyi açık duruma getirin

İşlemci Montajı ZIF veya BGA yönlendirmesine dikkat edin İşlemciyi doğru ve sorunsuz şekilde takabileceğiniz tek yön vardır İşlemciyi Yatağına Yerleştirin Düşürmeyin, olabildiğince dengeli davranın. İşlemciye "yumuşak iniş” yaptırın ve eğim olmayacak şekilde oturtun İşlemci yerine tam oturmamışsa kenarlarından tutup dikkatlice kaldırın ve yeniden yerleştirmeyi deneyin

İşlemcinin Sabitlenmesi PIN’ler işlemcinin üzerinde ise soketin yanında yer alan kolu aşağıya doğru bastırarak kilitleyin PIN’ler anakartın üzerinde ise ise, çerçeveyi CPU üzerine kapatın ve kolu kilitleyin

İşlemci Fanının Takılması Montaj öncesinde mutlaka termal macun uygulanmalıdır Sabitleyiciler kilitlendikten sonra kımıldamıyor olmalı Aşırı baskı uygulanmamalı

Üreticiler –Advanced Micro Devices (AMD) –ARM Ltd. –Freescale Semiconductor (formerly of Motorola) –IBM Microelectronics (PowerPC) –Intel Corp – (Intel) –MIPS Technologies (RISC) –NEC Electronics – (V850) –Sun Microsystems – (RISC) –Texas Instruments –Transmeta Corporation –VIA Technologies (VIA)

İşlemci Çalışması

MCC