DERS 1 GİRİŞ

İÇERİK Mekanik Bilgisayarlar Elektronik Bilgisayarlar Mikroişlemciler Mikroişlemci Uygulama Alanları Mikroişlemci Türleri Mikrodenetleyiciler - PIC DSP İşlemciler – TMS32C6000

Bilgisayar Bilgileri alan, saklayan, işleyen ve bu bilgileri geri sunabilen cihazlardır.

Bilgisayar Görevlerini komutlar (instructions) vası-tasıyla ardışıl bir biçimde gerçekleştirirler. Komutlar iki sayını toplanması, karşılaştırılması veya bir hafıza hücresinden diğerine transferi şeklinde tanımlı temel seviyede (elementary) belirlenmiş ve ikili düzende tanımlanmış işlemler (binary operations) olarak tanımlıdırlar. Bilgisayarın yapacağı görevini belirleyen tüm bu komutların bir araya getirilimesi ile programlar oluşturulurlar.

Bilgisayar Tarihçesi Hesap yapmayı kolaylaştıran bir araç ihtiyacı bilgisayarların gelişimindeki temel etken olmuştur. İlk olarak bilgisayar konsepti Charles Babbage tarafından 19. Yy ortalarında ortaya atılmıştır. Bu cihaz ile matematiksel işlemleri peşpeşe yapacak bir mekanizma önerilmişti.

Bilgisayar Tarihçesi Sadece küçük bir modeli gerçeklenen bu cihaz günün tekniği yeterli olamadığı için gerçeklenemedi. Babbage ait bu konseptin tam olarak gerçekleştirilmesi için 1930’lı yıllardaki elektronik vakum tüplerin icadının beklenmesi gerekiyordu. Ancak 1937 yılında (yaklaşık bir yüzyıl sonra) IBM firması desteği ile Harward Üniversitesinde bu cihaz gerçeklendi.

Bilgisayar Tarihçesi Bu cihaz ile: İşlemlerin ardışıl yapılması İşlemlerin bir çevrim içinde çalışması Değişmez sabit bir donanımın bir bellekte saklanan bilgiler ile yönlendirilmesi gibi günümüz yazılım ve bilgisayarlarının temeli oluşturulmuştur.

Elektronik Bilgisayarlar Elektronik bilgisayar fikri 1919 yılında ortaya atıldı. Buna Eccles ve Jordan’ın gerçeklediği flip-flop devresi temel teşkil etmiştir. İlk ciddi çalışma ve ilerleme II. Dünya Savaşı döneminde oldu. University of Pennsylvania ‘da 1942 ve 1946 yılları arasında yürütülen çalışma ile ilk elektronik bilgisayarlardan biri üretildi.

Elektronik Bilgisayarlar Askeri amaçla tasarlanan bu cihaz ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) olarak adlandırıldı. Saniyede 5000 toplama ve 300 çarpma işlemi yapma kapasitesindeki bu cihaz: 17468 vakum tüp 30 m boy 100 KW 30 ton ağırlık özelliklerindeydi. Bu hız tamamıyla elektronik olan tasarımdan gelmektedir.

Elektronik Bilgisayarlar İlk elektronik bilgisayar (Colossus) Tommy Flowers tarafından gerçeklendi. Colossus İngiliz gizli servisi tarafından II. Dünya Savaşı döneminde Alman askeri kodlarını deşifre etmek amacıyla kullanıldı.

Mikroişlemciler Bilgisayarlarda bir komutu (instruction) gerçekleştiren bölüme Merkezi İşlem Birimi (MİB veya Central Processing Unit) adı verilir. Bu bilgisayarların temel elemanı veya beyni olarak tanımlanır. Bir mikroişlemci (microprocessor) CPU işlemlerini bütünüyle yerine getiren bir silikon chip olarak tanımlanır.

Mikroişlemciler Mikroişlemcilerin toplu üretiminde kullanılan maskeleme ve katkılama teknikleri 1971 yılında yarıiletken teknolojisindeki ilerlemeler ile mümkün olmuştur. Bu alandaki ilk mikroişlemci 1971 yılında Intel firmasının 4-bit CPU tasarımı olan 4004’dür. Aynı yıl Texas Instruments firması TM1802NC adlı ürünü piyasaya sürmüştür. Her iki ürün de bir masa hesap makinası fonksiyonlarını desteklemek amacıyla üretilmişti.

Mikroişlemciler 1972 yılında Intel 8008 adlı mikroişlemci üretti. 1973 yılında TI bir mikroişlemci tasarımı için patent aldı. Yine Intel 1974 yılında 8080ve 1978 yılında 8086 adlı ürünleri piyasaya sundu. Bunlar günümüz modern Pentium’larının atası sayılırlar Bunları Motorola 6800 ve Rockwell 6502 adlı ürünleri ile takip etti.

Mikroişlemciler Mikroişlemcilerin geliştirilmesi elektronik ve bilgisayar tarihinde çok önemli bir dönüm noktası olmuştur. Böylece: Düşük maliyetli bilgisayar üretimi (PC) Tümleşik (embedded) Sistemler: Elektronik bir cihaz veya alt-sistemi kontrol eden mikroişlemcili yapı Hemen çoğu sanayi ve bilimsel elektronik cihazlar mikroişlemcileri bünyesinde barındırır.

Mikroişlemcilerin Uygulama Alanları standart bir donanım ile üretilen genel amaçlı (general-purpose) bilgisayarlarda belli bir amaca hizmet etmek üzere tasarlanmış atanmış (dedicated) bilgisayarlarda kullanılırlar. Genel amaçlı bilgisayarlar Ana bilgisayar (server) İş istasyonu (workstation) Kişisel Bilgisayar (PC) Atanmış bilgisayarlar (gömülü sistem) Bilgisayar destekli üretim tezgahları Bilgisayar kontrollü çamaşır makinası Bilgisayar içerikli otomobiller

Mikroişlemci Sistemleri Bellek (memory) Veri, Adres, Kontrol YOLU (BUS) Giriş/Çıkış (I/O) Ünitesi MİB (CPU)

Genel-amaçlı Mikroişlemcili Sistemler Genel-amaçlı problemleri çözmede yeterli olmalıdırlar: Mikroişlemci sistem bileşenlerinin her biri genel ihtiyacı karşılayacak yeterlilikte (kapasitede) olmalıdırlar: hızlı ve yüksek kapasiteki hafıza veya yüksek işlem kapasiteli MİB gibi Genel ihtiyacı kariılayacak başka donanım bileşenleri de olmalıdır: USB cihazlarla iletişimi sağlayacak donanım veya ses bilgisi üretmede kullanılacak donanım gibi Dolayısıyla bu sistemler her biri ayrı ayrı çiplere ancak sığdırılabilen muhtelif sayıdaki donanım bileşeni (MİB, hafıza, giriş/çıkış üniteleri), muhtelif bağlantı yollarından oluşan devre kartları ile başka çevresel donanım kartlarından oluşan Fiziksel olarak büyük Güç tüketimi yüksek sistemlerdir.

Genel-amaçlı Mikroişlemcili Sistemler Yaygın olarak genel-amaçlı bilgisayarlarda kullanılan CPU’lar MİKROİŞLEMCİ olarak tanımlanırlar

Atanmış Mikroişlemcili Sistemler Üretim maliyetinin ön plana çıktığı fazlaca miktarlarda üretilen uygulamalarda gerekli olurlar. Sadece gerekli ihtiyaca yönelik yeterlilikte bileşen içerirler. Bunların çoğu taşınabilir güç kaynakları (pillerle) çalışan sistemlerdir. Dolayısıyla bu sistemler: Fiziksel büyüklükleri Güç tüketimi Sadece gerekli donanımı taşıması anlamında optimize edilmiş olup genellikle CPU, hafıza yollar gibi tüm bileşenlerinin tek bir çip olarak bir araya getirildiği sistemlerdir.

Atanmış Mikroişlemcili Sistemler Yaygın olarak atanmış bilgisayarlarda kullanılan CPU’lar MİKRODENETLEYİCİ veya DSP İŞLEMCİ olarak tanımlanırlar

Mikroişlemcilerin Türleri Günümüzde 3 farklı türde mikroişlemci aşağıdaki alanlarda kullanılmak üzere optimize edilmişlerdir: Bilgisayar sistemleri: Genel-amaçlı mikroişlemci Gömülü sistem uygulamaları: Mikrodenetleyici (mikrokontrolör) Sinyal işleme uygulamaları: Digital Signal Processor (DSP)

Aşağıdaki dizayn kriterlerinin sağlanması gerekli olduğunda bir genel amaçlı işlemci kullanılır: Büyük Hafıza Gelişmiş işletim sistemleri Aşağıdaki dizayn kriterlerinin sağlanması gerekli olduğunda bir DSP işlemci veya mikrokontrolör kullanılır: Düşük Maliyet Daha küçük fiziksel ölçüler Düşük güç tüketimi Birçok ‘yüksek’ frekanslı sinyalinin gerçek-zamanda işlenmesi

Mikrodenetleyici (PIC) Microchip firmasını ürettiği PIC ailesi mikrodenetleyicileri Bilgisayar denetimi gerektiren uygulamalardaki yeterliği Maliyet düşüklüğü Simulasyon desteği özellikleriyle yaygın hale gelmişlerdir. Adını Peripheral Interface Controller (çevresel üniteleri denetleyici arabirim) kelimelerinden alır. RISC (Reduced Instruction Set Computer) mimarisi ile üretilmiilerdir: PIC16F84 sadece 35 konuta sahiptir.

DSP İşlemci Her ne kadar ayrı bir tür mikroişlemci olarak gruplandırılsalar da temelde gömülü sistem uygulamalarına girerler. Dijital sinyal işleme alanında kullanılmak üzere optimize edilmiş sistemlerdir:s Ses, görüntü işaretlerini düzenlemede veya başka hesaplama uygulamalarında kullanılırlar. Diğer gömülü sistemlerden: Aritmetik işlemleri etkin yapmasını sağlayan donanım hızlandırıcıları (mesela çarpma işlemi için) Gerçek-zamanlı hesaplama (real-time) yapabilme özellikleri ile ayrılırlar.

DSP İşlemci - Neden Dijital? Analog sinyal işlemede kullanılan analog devre elemanları: Direnç Kapasite Bobin Bunların toleransı veya sıcaklık, gerilim ve mekanik etkilerle değer değişimleri analog devrelerin etkinliğini önemli ölçüde etkiler

DSP İşlemci - Neden Dijital? DSP ile elde edilen kolaylıklar: Uygulamayı değiştirebilme Uygulamayı düzeltebilme Uygulamayı yenileyebilme Ayrıca DSP Gürültü bağımlılığını Tümdevre sayısını Ürün geliştirme süresini Maliyet Güç tüketimi azaltır

Gerçek-zamanda İşlem (Real-time processing) DSP işlemciler görevlerini gerçek-zamanda yapmalıdırlar. Bu nasıl tanımlanır? Örnek: Bir 100-örnekli bir FIR filtre gerçek-zamanda yapılacaksa aşağıdaki işlem iki örnekleme arası sürede tamamlanmalıdır

Gerçek-zamanda İşlem (Real-time processing) Waiting Time Processing Time n n+1 Sample Time Eğer aşağıdaki şart sağlanırsa gerçek-zamanlı bir uygulamadan bahsedebiliriz: Bekleme süresi  0

Tipik DSP Algoritmaları Çarpımların toplamı (Sum of Products- SOP) çoğu DSP algoritmasında anahtar elementir:

Donanım/Mikrokod Çarpması DSP işlemciler çarpma ve toplama işlemlerini gerçekleştirmek üzere optimize edilmişlerdir. Çarpma ve toplama donanım seviyesinde bir saat çevriminde (cycle) yapılırlar. Örnek: 4-bit işaretsiz çarpma işlemi Donanım Mikrokod 1011 x 1110 1011 x 1110 10011010 0000 Cycle 1 1011. Cycle 2 1011.. Cycle 3 1011... Cycle 4 10011010 Cycle 5

Bir DSP İşlemci Seçerken Göz Önünde Bulundurulacak Parametreler Parameter Arithmetic format Extended floating point Extended Arithmetic Performance (peak) Number of hardware multipliers Number of registers Internal L1 program memory cache Internal L1 data memory cache Internal L2 cache 32-bit N/A 40-bit 1200MIPS 2 (16 x 16-bit) with 32-bit result 32 32K 512K 64-bit 1200MFLOPS 2 (32 x 32-bit) with 32 or 64-bit result TMS320C6211 (@150MHz) TMS320C6711 (@150MHz) C6711 Datasheet: \Links\TMS320C6711.pdf C6211 Datasheet: \Links\TMS320C6211.pdf

Bir DSP İşlemci Seçerken Göz Önünde Bulundurulacak Parametreler Parameter I/O bandwidth: Serial Ports (number/speed) DMA channels Multiprocessor support Supply voltage Power management On-chip timers (number/width) Cost Package External memory interface controller JTAG 2 x 75Mbps 16 Not inherent 3.3V I/O, 1.8V Core Yes 2 x 32-bit US$ 21.54 256 Pin BGA TMS320C6211 (@150MHz) TMS320C6711 (@150MHz)

DERS 1 GİRİŞ - SON - Kaynaklar: 1) An Introduction to Digital Signal Processors, Bruno Paillard 2) Mikroişlemciler Mikrobilgisayarlar, Eşref Adalı, ISBN 975-511-175-1 3) Texas Instruments DSP Teaching Materials, Naim Dahnoun 4) Mikrodenetleyiciler ve PIC, Orhan Altınbaşak, Altaş Yayıncılık