Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler ve Mikroişlemcilerin Rakipleri

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Mikroişlemcilerin performanslarının arttırılmasına yönelik birçok yeni teknoloji/özellik mevcuttur. Süper Ölçekli Kanal Komut İşleme (Hyper-Pipelined) Teknolojisi, Geliştirilmiş Dallanma Tahmini (Improved Branch Prediction), Dinamik Yürütme (Advanced Dynamic Execution) Teknolojisi, Hızlı İşleme Motoru (Rapid Execution Engine) , Çift Kanal (Dual Channel) Teknolojisi, Komutların Mikroişlemlere Bölünmesi ve İşlem İzleme Belleği, Çoklu Program İşleme (Hyper-Threading) Teknolojisi, Genişletilmiş Kayan Nokta Birimi ve SSE İşlemi, Çift Çekirdek (Dual Core) Teknolojisi, Ön Bellek Sistemi, Düşük Güç Tüketimi, 2

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Süper Ölçekli Kanal Komut İşleme (Hyper-Pipelined) Teknolojisi Mikroişlemcilerde bir komutun işlenmesi genel olarak 5 aşamada gerçekleşir. Komutu al-getir (fetch), Komutun kodunu çöz, İşlem yapılacak veriyi al-getir, Yapılması gerekli işlemleri gerçekleştir, Sonuçları yaz (belleğe aktar) Yandaki işlemlerin, her bir komut için sırası ile gerçekleştirilmesi ve komut bitirildikten sonra yeni bir komuta başlanması işlemcinin hızını düşürür. CPU-RAM-I/O Operations CPU Operations 3

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Süper Ölçekli Kanal Komut İşleme (Hyper-Pipelined) Teknolojisi Mikroişlemcili sistemlerin komut işleme hızını arttırmak için ‘kanal komut işleme tekniği (pipelining)’ kullanılır. Bu teknikte bir komut alınıp-getirilip (fetch) komut kodunun çözüleceği birime iletilmesini takiben, yeni bir komut alıp-getirilir. Böylece mikroişlemcide bulunan birimler, bir komut ile ilgili işlemi bitirdikten sonra yeni bir komuta ait işlemlere başlar. Süper ölçekli (Hyper-Pipelined) kanal komut işleme tekniğinde komut işleme 20 kademeden oluşmaktadır (Pentium 4). 4

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Superpipelined ve Superscalar Komut ile ilgili bir işlem gerçekleştirilirken (işlem saykılının yarısında) yeni bir komuta ait işlem gerçekleştirilmeye başlandığı teknik ‘superpipelined’ olarak adlandırılır. Eş zamanlı çalışan iki kanal komut işleme tekniğine sahip yapı ‘superscalar’ olarak adlandırılır. Kanal komut işleme tekniğinde önemli sorunlardan biri yanlış dallanma anında iş hattından atılacak komut sayısının fazlalığıdır. Bu sorunu aşmak için (performans kaybını azaltmak için) dallanma tahmini algoritmaları kullanılır. Dallanmadaki yanlış tahminden kaynaklanan zaman kaybını azaltmak için çalışma izleme ön belleği ve hızlı çalışma motoru gibi teknikler geliştirilmiştir. 5

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Geliştirilmiş Dallanma Tahmini (Improved Branch Prediction) İş hattında komutlar eş zamanlı işlendiğinden bir dallanma komutu işlenirken bellekte dallanma komutundan sonraki gelen komutlar da (dallanma nedeniyle yürütülmeyecek) iş hattına alınmış olur. Eğer dallanma gerçekleşirse, iş hattındaki komutların çıkarılıp, dallanma yerindeki komutların iş hattına yüklenmesi gerekmektedir. Program içerisinde başlangıçtan itibaren dallanma komutlarının tarihçesi tutulur ve bu bilgilerden yararlanılarak benzer dallanma komutlarında gerçekleştirilmesi muhtemel işlemler tahmin edilmeye çalışılır. …………. SJMP Git Komut A Git: Komut B Koşulsuz dallanma komut (SJMP) ile Komut paralel olarak iş hattına girmektedir. Ancak dallanma komutu yürütüleceğinden Komut A’nın yürütülmemesi yerine Git etiketinden sonra belirtilen (Komut B)komutların yürütülmesi gerekmektedir. Bunun için Komut A yürütlmeden önce iş hattından çıkarılmalı ve yerine Komut B yüklenmelidir. Dallanma tahmini, dallanma komutlarında yapılacak işlemlerin önceden tahmin edilmesidir. 6

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Dinamik Yürütme (Advanced Dynamic Execution) Teknolojisi Pentium Pro işlemcisi ile kullanılmaya başlanmıştır. Üç farklı işlemin kullanılması ile oluşmaktadır. Çoklu Dallanma Tahmini: İşlenen bir programda bulunan dallanmalarda program yürütme akışını tahmin ederek işlemcinin çalışmasını hızlandırır. Veri Akışı Analizi: İşlenen komutlar arasındaki veri ilişkilerini/bağımlılıklarını analiz ederek, komutların yeniden sıralanmış görev sırasını oluşturmakta ve işlemlerin daha hızlı (kısa sürede) gerçekleşmesini sağlamaktadır. Tahmini Yürütme: İşlenen bir programda görev sırasına göre tahmini komutları yürüterek, işlemcinin yürütme birimlerinin sürekli meşgul olmasını ve işlemcinin genel performansının artmasını sağlamaktadır. 7

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Hızlı İşleme Motoru (Rapid Execution Engine) Yanlış dallanma tahminleri birim zamanda gerçekleştirilebilen işlem sayısını (throughput) düşürmektedir. İş çıkarma oranındaki (throughput) düşüşün etkisi, işlemci saat frekansının iki katı hızında çalışan iki adet ALU yardımı ile giderilmektedir (azaltılmaktadır). Hızlı çalışma motoru komutların gerçekte işlendiği yerdir. P4 işlemcide hızlı işleme motoru 4 GHz hızında çalışmakta ve temel işlemlerin (toplama, çıkarma, VE, VEYA) yarım saat sinyali süresinde gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. 8

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Çift Kanal (Dual Channel) Teknolojisi İşlemci ile ana bellek arasındaki iletişimi güçlendirir. Aynı anda iki bellek yolu oluşturularak işlemci ile belleğin haberleşmesi sağlanmaktadır. Böylelikle iletişim band genişliği iki katına çıkarılmaktadır. 9

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Ön Bellek Sistemi (Cache Memory) Mikroişlemci içerisinde, komutları ve verileri geçici ya da kalıcı olarak saklamak için kullanılan bellek birimidir. Ön bellek sistemi, işlenmek için bekleyen verilerin belirli bir kısmı ön belleğe alınarak işlenmek üzere hazır bekletilir. Komut ve verileri saklamak için aynı veri alanı kullanılabileceği gibi ayrı alanlarda kullanılabilir. İlk zamanlar ön bellek birimi küçük boyutlu (8K) ve mikroişlemcinin dışında iken yeni mikroişlemcilerde dahilidir. Ön bellekler L1, L2 ve L3 olarak üç farklı gruba ayrılmaktadır. 10

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Çoklu Program İşleme (Hyper-Threading) Teknolojisi Pentium 4 (C Serisi) ile kullanılmaya başlanmıştır. Bir işlemcinin iki işlemci gibi kullanılmasını ve yapılacak işlemlerin iki ayrı noktaya yığılmasını sağlar. Böylece, kısa sürecek ve az bir işlem gücü ile yapılabilecek işlerin, işlemcinin bir anlık bile olsa tüm performansını kullanmasının önüne geçilmektedir. Hyper-Threading teknolojisini kullanan işlemciler, tek bir işlemci çekirdeğinde iki ayrı mantıksal işlem birimine sahiptir. İki mantıksal işlem birimi, işlemcinin kaynaklarını paylaşarak yapılması gereken işlemleri gerçekleştirir. Hyper Threading amacı işlemcinin birden fazla uygulamayı aynı anda çalıştırmasını sağlamaktadır. Özetle sanal olarak çift çekirdek kullanımıdır. 11

Mikroişlemcilerde Kullanılan Yeni Teknolojiler Çift Çekirdek (Dual Core) Teknolojisi Bu teknoloji ile tek bir çip içerisinde iki adet işlemci çekirdeği yardımıyla işler iki bölünerek gerçekleştirilmekte ve iki çekirdek tarafından aynı anda gerçekleştirilebilmektedir. Çift çekirdek teknolojisinden yüksek performansla yararlanabilmek için programlar parçalara ayrılıp, paralel çalışmaya uyarlanmalıdır (paralel programming) Paralel işleme teknolojisine uyarlanmamış programlarda performans artışı, çekirdeklerde aynı anda farklı programların çalıştırılması ile sağlanır. Hyper Threading teknolojisinden farkı sanal işlemcilere karşın fiziksel çekirdeklerin bulunmasıdır. 12

Mikroişlemcilerin Rakipleri Mikrodenetleyiciler (Microcontroller) Programlanabilir Mantık Denetleyiciler (Programmable Logic Controllers, PLC) Sayısal Sinyal İşlemciler (Digital Signal Processor, DSP) Programlanabilir Yapılar FPGA (Field Programmable Gate Array) CPLD (Complex Programmable Logic Device) ASIC (Application Specific Integrated Circuits) PSOC (Programmable System On-Chip) 13

Mikrodenetleyici Tek-çip bilgisayar, mikrobilgisayar veya yerleşik bilgisayar sistemleri isimleri altında da tanıtılan mikrodenetleyici, tek bir silikon kılıf üzerinde toplanmış entegre devredir. Bir mikrodenetleyici genel olarak aşağıdaki birimlerden oluşur. Bir mikroişlemci çekirdeği (CPU) Program ve veri belleği (ROM, RAM) Giriş/Çıkış (I/O) birimleri Saat darbesi üreteçleri Zamanlayıcı/Sayıcı birimleri Kesme kontrol birimi A/D–D/A (Analog/Dijital–Dijital/Analog) çeviriciler Darbe genişlik üreteci (PWM) Seri Haberleşme Birimi (UART, RS-232, CAN, I2C vb.) Diğer çevresel birimler. 14

Mikrodenetleyici Fonksiyonel Blok Diyagramı 15

Mikrodenetleyici Yaygın olarak kullanılan mikrodenetleyiciler ve üretici firmaları şunlardır: Üretici Firma Mikrodenetleyici Intel 8051 (MCS-51 Ailesi) Microchip PIC Ailesi Atmel AVR serisi Motorola 68HC Texas Instruments MSP430 Yukarıda verilen mikrodenetleyiciler, günümüzde Siemens, Atmel, Philips, Hitachi, Microchip, Intel vb. birçok firma tarafından üretilmektedir. 16

Programlanabilir Mantık Denetleyiciler (Programmable Logic Controllers, PLC) Sayısal ve Analog I/O portları Dahili güç ünitesi ve ekran Kutulu Pahalı, yüksek yatırım Endüstriyel üretim sistemleri 17

Sayısal Sinyal İşlemciler (Dijital Signal Processor, DSP) Daha hızlı ve performanslı Son derece esnek Pahalı çip ve yazılım araçları Geniş ölçekli projeler ve bütçeler Karmaşık ve pahalı baskı devre 18

Programlanabilir Yapılar (FPGA, CPLD) Hız ve performans amaçlı Son derece esnek Pahalı çip ve yazılım araçları Zor öğrenilen diller (VHDL, VERILOG, SystemC) Geniş ölçekli projeler ve bütçeler Karmaşık ve pahalı baskı devre 19

ASIC (Application Specific Integrated Circuits) Hız ve performansta rakipsiz Düşük Esneklik Pahalı çip ve yazılım araçları Karmaşık teknolojiler (VLSI) Karmaşık Diller (VHDL, Verilog, SystemC) Geniş ölçekli projeler ve bütçeler Karmaşık ve pahalı baskı devre 20

PSOC (Programmable System On-ChipLC) Daha hızlı ve performanslı Son derece esnek Sayısal/Analog sistem tasarım imkanı Az sayıda üretici, yetersiz rekabet Yaygınlaşmayan tasarım ürünleri Sınırlı uygulama alanları 21

Mikroişlemcinin Rakiplerinden Temel Farkları Kelime veya bayt temelli işlemler Harici birim gereksinimi Daha esnek Daha hızlı, daha iyi performans Geniş bellek alanı Geniş baskı devre alanı Büyük enerji ihtiyacı 22

Bilmemiz Gerekenler Mikroişlemcilerde kullanılan yeni teknolojileri sayınız. Mikroişlemci hangi birimlerden oluşur? Mikroişlemcide bir komutun işlenmesi için gerekli aşamaları sayınız. Mikroişlemcilerin rakiplerine örnekler veriniz. Mikroişlemciyi rakipleri ile kıyaslayınız, hangi özellikleri ön plana çıkmaktadır. 23

KAYNAKLAR A.T. ÖZCERİT, M. ÇAKIROĞLU, C. BAYILMIŞ, “C İle 8051 Mikrodenetleyici Uygulamaları”, Papatya Yayınevi, 2005. Prof. Dr. Hüseyin EKİZ, Doç. Dr. Murat ÇAKIROĞLU, Yrd. Doç. Dr. Bülent ÇOBANOĞLU, “Mikroişlemciler ve Mikrodenetleyiciler”, WITPET Nurettin TOPOLOĞLU, “Mikroişlemciler ve Assembly Dili”, Seçkin Yayınevi, 1999. Stallings, W., "Computer Organization and Architecture 7/e", Prentice Hall, 2006