Bilgisayar Mühendisliğine Giriş

... konulu sunumlar: "Bilgisayar Mühendisliğine Giriş"— Sunum transkripti:

1 Bilgisayar Mühendisliğine Giriş
Yrd. Doç. Dr. Hüseyin POLAT

2 Bilgisayar Mühendisliğine Giriş
Konular Bilgisayar Sisteminin Anatomisi Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)

3 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Babage’in analitik makinası(1833) Vakumlu lambanın bulunuşu (1910) İlk elektronik sayısal bilgisayar (1946) Transistörün bulunuşu (1947) İlk transistörlü sayısal bilgisayar (1960) Entegre devrenin bulunuşu (1963) İlk mikroişlemci (1970) transistörlü entegre devreler (1981)

4 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Sayısal bilgisayarın en temel üniteleri; Merkezi işlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) Bellek (Memory) Giriş/çıkış birimleri (Input/Output devices)

5 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Bilgisayarın üç birimi arasındaki veri ve program akışını sağlamak üzere, çok sayıda bağlantıdan oluşan yollar bulunmaktadır. Bu yollar; Veri Yolu(Data Bus), Adres Yolu(Adress Bus), Kontrol Yolu(Control Bus)

6 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Adres Yolu (Address Bus) İşlemcinin bilgi yazacağı veya okuyacağı her hafıza hücresinin ve çevre birimlerinin bir adresi vardır. İşlemci, bu adresleri bu birimlere ulaşmak için kullanır. Bir işlemcinin ulaşabileceği maksimum adres, adres yolunun genişliği ile ilişkilidir. Bu yüzden adres yolunun tek yönlü olduğu söylenebilir. Mikroişlemcinin kullanabileceği bellek kapasitesi adres hattı sayısı ile yakından ilgilidir. N=Adress hattı sayısı ise kullanılabilecek bellek kapasitesi; Max. Bellek Büyüklüğü=2N ile gösterilir.

7 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Veri Yolu (Data Bus): İşlemci, hafıza elemanları ve çevresel birimleriyle çift yönlü veri akışını sağlar. CPU veri yolunu çevresel cihaz veya hafızayla arasında veri transferi için kullanır. Birbirine paralel iletken hat sayısı veri yolunun kaç bitlik olduğunu gösterir. Örneğin, iletken hat sayısı 64 olan veri yolu 64 bitliktir. Yüksek bit sayısına sahip veri yolları olması sistemin daha hızlı çalışması anlamına gelir.

8 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Kontrol Yolu (Control Bus): İşlemcinin diğer birimleri yönetmek ve eşzamanlamayı (senkronizasyon) sağlamak amacı ile kullandığı sinyallerin gönderildiği yoldur. Örnek olarak oku ve yaz sinyalleri. CPU’dan hafıza veya çevresel cihazlara tek-yönlü bir bağlantı sağlar.

9 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Sayısal Veri İletimi (Digital Data Transfer) : Veri iletişimi, sayısal olarak kodlanmış bir bilginin iki birim veya cihaz arasında aktarılmasıdır. Bir veriyi iki nokta arasında aktarmanın paralel ve seri olmak üzere iki temel yöntemi vardır.

10 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Paralel iletişim : Paralel iletimde, her bit ayrı bir telden aynı anda iletilir. Bu yüzden paralel iletim daha hızlıdır. Bilgisayarın merkezi işlem birimi ile belleği arasında veri iletimi paralel yollardan olur.

11 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Seri iletişim : Seri iletimde veriler bit bit tek bir tel üzerinden sırayla iletilir. Seri iletim, kendi içinde asenkron, senkron iletim olarak ayrılır.

12 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Seri iletişim ‐ asenkron : Bilgi gruplar halinde gönderilir. Bir grupta genellikle 8 bit olur. Bir grubun geldiğini alıcıya start biti, bittiğini stop biti gösterir. Asenkron iletimin kullanımı kolaydır fakat verimli bir iletim yolu değildir. Çünkü her gönderilen karakterin başında ve sonunda ilave bitlerin kullanılmasını gerektirir.

13 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Seri iletişim ‐ senkron : Start ve stop biti olmadan bitler ard arda gönderilir. Bitleri gruplara ayırmak ve zamanlama işlemleri alıcı tarafından yapılır. Asekrona göre daha hızlıdır. İletişimin sürekli ve hızlı olması gerektiği durumlarda iletişim kullanılır. Senkron iletimde, alıcı ile verici arasında saat (clock) bilgisi de taşınır. Bu bilgi senkronizasyonu sağlar.

14 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Seri iletişim ‐ senkron : Senkron iletim metodu pahalı ve uygulaması daha zor bir iletişim metodudur. Yüksek hızlarda iletişim gerektiği zaman kullanılır. Ağ teknolojileri Ethernet, ArcNet, Token Ring etc bu iletişim yöntemini kullanmaktadırlar.

15 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi
Veri İletişiminde Bant genişliği Kavramı : Bant genişliği (Bandwith) : Bir iletim ortamının ya da haberleşme kanalının kapasitesini ifade etmek için kullanılır. Bant genişliği ne kadar büyükse, belli bir süre içinde aktarılabilecek verinin hacmi de o kadar büyük olur. Bandwidth (bps) = Bus Width (bits) x Bus Speed (Hz) x Data Cycles per Clock

16 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi

17 Bilgisayar Sisteminin Anatomisi

18 ÖDEV Bilgisayar mimarisinin tarihi John Von Neumann tarafından yılında yazılan makaleye dayanır. John Von Neumann mimarisi nedir?

19 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Bilgisayarın gözle görülebilen ve elle tutulabilen kısımlarına donanım denir. Bilgisayar donanımı, bilgisayarı oluşturan fiziksel parçaların genel adıdır. Örneğin, işlemci, bellek, ekran, klavye, sabit disk, fare, yazıcı gibi.. Donanımlar, kasanın dışında olabileceği gibi içerisinde de yer alabilir. Kasa içerisinde yer alan donanımlara «dahili donanım» kasa dışında kalan donanımlara ise «harici donanım» denir.

20 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU):

21 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU): İşlemci bir bilgisayarın beyni olarak yorumlanabilir. Çünkü bilgisayarda ana işlemleri gerçekleştiren birimdir. İşlemciler temelde kendilerine gönderilen komutları işler. İşlemciye gönderilen komutlar genellikle veriler üzerinde işlem yapmasına neden olacağından, işlemci veriler üzerinde de işlem yapar; yani komutlara göre verileri idare eder. İşlemci aynı zamanda bilgisayardaki diğer aygıtları kontrol eder. Diğer aygıtlar ile interrupt, yani kesme komutları aracılığı ile iletişim kurar.

22 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU): İşlemci temel birimleri; Aritmetik-mantık birimi (Arithmetic/logic unit (ALU) Kontrol birimi (Control unit) Yazmaçlar (Registers)

23 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Kontrol Birimi (Control Unit) : Bellekten komutları okur ve işlemci içindeki komut yazmacına (Intruction Register) aktarır. Bellekten okunan komutların anlamlarını çözer. İşlemci içindeki ve dışındaki birimlerin eş zamanlı olarak çalışmasını sağlayan kontrol sinyallerini üretir. Register birimine hangi register’lar üzerinde işlem yapacağını bildirir. ALU’ya gelen veriler üzerinde hangi işlemin gerçekleştirileceğini bildirir.

24 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Aritmetik Mantık Birimi (Arithmetic Logic Unit-ALU): İşlemci tarafından gerçekleştirilecek matematiksel (+,-,x,/) ve mantıksal (AND,OR,NOT...) işlemlerin yapıldığı bölümdür. Gelişmiş işlemcilerde noktadan sonraki sayılar için matematiksel işlem yapan FPU (Floating Point Unit–Kayan nokta ünitesi) birimi bulunmaktadır. Bu ünite tamsayı olmayan floating point (kayan nokta) hesaplamalarından sorumludur.

25 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Yazmaçlar (Register) : Yazmaçlar, üzerinde işlem yapılacak veri ve/veya komut parçacıklarını tutarlar, bunlar geçici hafıza alanlarıdır. Ana belleğe göre çok daha hızlı çalışırlar. Yazmaçlar 8bit, 16bit, 32bit, 64bit genişliğinde olabilirler. Yazmaç genişliği işlem hızına çok büyük oranda etki eder. Bu yüzden yazmaç genişliğine göre işlemciler i8bit, 16bit, 32bit, 64bit işlemciler biçiminde genel olarak sınıflandırılabilir. Intruction Register (IR) Memory buffer register (MBR) Status Register (SR) Memory data register (MDR) General Purpose Registers Memory address register (MAR) ….vs.

26 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Merkezi İşlem Birimi Yapıları: CISC (Complex Instruction Set Computer): Çok sayıda makina dili komutu sağlar. Toplama, çıkartma, taşıma, karşılaştırma gibi birçok işlev için komutlar sağlar. Programların az bellek kullanımı gerektirdiği sistemlerde uygulanmıştır. Komplex komut ve mimari oluşumuna sebep olmuştur. Bu yaklaşım programlamayı kolaylaştırmakla birlikte işlemcileri karmaşık duruma getirmekte ve yavaşlamalarına neden olmaktadır. Intel 80486, Pentium, Motorola IBM 360, DEC WAX

27 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) Merkezi İşlem Birimi Yapıları: RISC (Reduced Instruction Set Computer) : Bu işlemcilerde amaç komut işlenmesinin mümkün olduğu kadar hızlı olmasıdır. Komut sayısı azaltılmış ve komutlar basitleştirilmiştir. Dolayısıyla işlemci verimi artmıştır. Buna karşılık olarak da programlama işleminin karmaşıklığı artmıştır. Motorola Power PC, IBM 801, Sun Microsystem Günümüzde heriki mimarinin üstün özellikleri birleştirilerek yeni sistemler üretilmektedir.

28 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Veri Gösterimi (Input/Output) Adım 2. “D” harfi için elektronik sinyal sistem ünitesine gönderilir Adım 3. “D” harfi için sinyal ASCII ikili koda ( ) dönüştürülür ve işlenmek için hafızada saklanır Adım 1. Kullanıcı klavyeden “D” (Shift+D) tuşuna basar Adım 4. “D” harfinin ikili kodu üzerinde işlem yapıldıktan sonra kod görüntüye çevrilir ve çıkış aygıtında gösterilir

29 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Bir işlemcinin çalışma döngüsündeki 4 ana evre İşlemci İşlem Birimi (ALU) Kontrol Birimi Bellek (RAM) 1. Evre: Fetch Veri yada program komutları hafızadan alınır 2. Evre: Decode Alınan komutlar yorumlanır 3. Evre: Execute Komutlar işlenir 4. Evre: Store Sonuçlar hafızaya geri yazılır

30 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU)

31 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : 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 GHz ifadesindeki 3.2 GHz) Model Numarası (Core2 Duo E6600) Önbellek (Cache) Üretim Teknolojisi (Nanometre) Çekirdek Sayısı (Dual, Triple, Quad)

32 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : CPU Performansı : Dış Saat Hızı (Sistem Kristali) CPU Çarpanı Saat Hızı (Klasik Anlamda İşlemci Hızı) İçsel Yapı Tasarımı ve CPU Paketi Adreslenebilir Bellek Miktarı Önbellek Boyutları Pipelining (İş Hatları) Voltaj, Harcanan Güç ve TDP (Thermal Design Power) Çekirdek sayısı Üretim Teknolojisi Nanometre

33 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Merkezi işlemcilerin performans ölçümleri : MIPS (Million înstructions Per Second) ya da FLOPS (FLoating-point Operations Per Second) MIPS, bir saniye içerisinde işlemci tarafından yapılabilen işlemlerin sayısını ölçen bilgisayar çalışma hızı ölçüsüdür. FLOPS ise bir saniyede yapılabilen reel(gerçel) sayılı işlemleri gösterir.

34 Bilgisayar Donanımı (Computer Hardware)
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) : Önbellek (cache): Önbellek (cache) veriye çabuk ulaşım için kullanılan dağınık veri deposudur. CPU RAM’den daha hızlı çalışır ve bellekten gelen cevaplarda bir gecikme zamanı söz konusudur. Cache RAM’den daha hızlıdır. CPU’ya yakın olmasından dolayı gecikme zamanlarını azaltacağından performansı arttırır. Maliyet nedeni ile yüksek kapasiteli üretimleri yapılmamaktadır.