Mikroişlemciler ve Assembler Programlama. Teknoloji Fakültesi / Bilgisayar Mühendisliği Öğr.Gör. Günay TEMÜR

Transkript

1 Mikroişlemciler ve Assembler Programlama Teknoloji Fakültesi / Bilgisayar Mühendisliği Öğr.Gör. Günay TEMÜR

2 Mikroişlemciler Mikroişlemciler bilgisayar teknolojilerinin gerçek sürükleyicisi olan donanımsal yenilik ve gelişmelerde büyük rol oynamaktadırlar. Bu bağlamda birçok donanımsal sektöre de yön vermektedirler. Bütün bilgisayar bileşenlerini örnek olarak sayabiliriz.

3 Mikroişlemci Çağı 1971, Intel 4004 ve bit mikroişlemciler 4096 adetlik 4-bit hafıza bölümü 45 komut Çoğu hesap makinesi ve düşük seviye uygulamalar (mikrodalga fırınlar gibi) hala 4-bitlik mikroişlemciler kullanır

4 Mikroişlemci Çağı 1972, Intel bit mikroişlemci 16K satırlık hafıza 48 komut Saniyede 50,000 komut İşlemci genel olarak hesap makineleri, şişeleme makinalarında kullanılmıştır.

5 Mikroişlemci Çağı 1973, Intel K hafıza satırı (8008 den 10 kat daha hızlı) Saniyede 500,000 komut (komut başına 2 s) Trafik lamba kontrolü, güdümlü füzeler içinde de kullanılmıştır.

6 Mikroişlemci Çağı 1974, Motorola , İlk kişisel bilgisayar 1977, Intel 8085 Saniyede 769,230 (komut başına 1.3 s) Dahili saat ve sistem yöneticisi

7 Modern Mikroişlemciler 1978, Intel 8086 ve bit mikroişlemciler Saniyede 2,5 milyon komut Çarpma ve bölme komutları 20,000 den fazla komut çeşitliliği 1983, Intel MB büyüklüğünde hafıza Arttırılmış saat hızı (8 MHz) 1986, Intel bit mikroişlemci 4GB büyüklüğünde hafıza 1989, Intel gibi. Ancak, komutların çalıştırılması, iki değil tek saat çevriminde yapılır 8 KB önbellek

8 Mikroişlemci Çıkış Tarihleri

9 Motorola Motorola Processor Year Bus width Description microprocessor ? 8 Enhanced version of 6800 microprocessor. MC14500B 197? 1 Industrial Control Unit /32 First generation of Motorola 680x0 series of processors ?? 8/32 First generation of Motorola 680x0 series of processors /32 Second generation of Motorola 680x0 series of processors ? 16/32 Second generation of Motorola 680x0 series of processors Third generation of Motorola 680x0 series of processors Fourth generation of Motorola 680x0 series of processors Fifth generation of Motorola 680x0 series of processors Sixth generation of Motorola 680x0 series of processors. PowerPC RISC microprocessor

10 Intel

11 Intel

12 Intel

13 AMD AMD Processor Year Bus width Description bit embedded RISC microprocessor ? bit embedded RISC microprocessor ? bit high-performance embedded RISC microprocessor bit embedded RISC microprocessor with integrated FPU K Pentium-class processor K Pentium/Pentium II-class processor K Pentium II-class processor, enhanced version of K6 K6-III Pentium II-class processor, enhanced version of K6-2 K Pentium III/IV class processor K Eighth generation of x86 processors K Ninth generation of x86 processors Bobcat First generation of ultra low-power x86 microprocessors Bulldozer Family of high-performance x86 microprocessors Jaguar Second generation of ultra-low power x86 microprocessors Puma Third generation of ultra-low power x86 microprocessors ARM-based Microprocessors and systems on a chip, based on ARM IP cores Zen High-performance x86 processors

14 Entegre Devre Diğer adıyla IC (Integrated Circuits), mikrodevre, mikroçip, silikon çip, veya çip. İnce bir tabaka halindeki yarı iletken materyal üzerinde oluşturulmuş olan minyatür elektronik devredir. Genellikle yarı iletken ve pasif devre elemanlarından oluşur.

15 Mikroişlemci Merkezi işlemci ünitesi (CPU) fonksiyonlarını tek bir entegre devre üzerinde toplayan programlanabilir sayısal elektronik bileşen olarak adlandırılır.. Mikroişlemci temelde mantık kapıları, flip-floplar, sayıcı ve saklayıcılar gibi standart sayısal devrelerden oluşur. 8-bit, 16-bit, 32-bit, ve 64-bit mikroişlemci: Tek bir seferde işlenebilen bit sayısını ifade eder. Programların çalıştırılabilmesi için harici bir hafızaya ihtiyaç duyabilir.

16 Mikrodenetleyici Bir bilgisayar içerisinde bulunması gereken temel bileşenlerden Hafıza, I/O ünitesinin tek bir chip (yonga) üzerinde üretilmiş biçimine denir.

17 ! Mikrodenetleyici ile mikroişlemci arasındaki tek fark: Mikroişlemcide sadece ALU, kontrol ünitesi ve register lar bulunur. Mikrodenetleyicide ise ROM, RAM, harici üniteler (zamanlayıcı, Girdi/Çıktı portları ve benzeri) bulunur.

18

19 Mikroişlemci Yapısı 64 bit

20 Temel Birimler Giriş / Çıkış (Input / Output) : Sayısal, analog ve özel fonksiyonlardan oluşur ve mikroişlemcinin dış dünya ile haberleşmesini sağlar. Hafıza : RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM veya bunların herhangi bir birleşimi olabilir. Bu birim, program ve veri depolamak için kullanılır. Osilatör : Veri ve komutların CPU 'ya alınmasında, yürütülmesinde, kayıt edilmesinde, sonuçların hesaplanmasında ve çıktıların ilgili birimlere gönderilmesinde gerekli olan saat darbelerini üretmektir.

21 Temel Birimler Zamanlama ve Denetim Birimi: Bu kısım sitemin tüm işleyişinden ve işlemin zamanında yapılmasından sorumlu olan birimdir. Bu birim bellekte program bölümünde bulunan komut kodunun alınıp getirilmesi, kodunun çözülmesi, ALU tarafından işlenip, sonucun alınıp belleğe yüklenmesi için gerekli olan denetim sinyalleri üretir. İletişim yolları: Mikroişlemci mimarisine girmese de işlemciyle ayrılmaz bir parça oluşturan iletişim yolları kendi aralarında üçe ayrılır. Adres yolu (Address Bus); Veri yolu (Data Bus); Kontrol yolu

22 MIB=Merkezi İşlem Birimi Mikroişlemcinin üç temel işlevi bulunur: Temel aritmetik ve mantık operasyonlarını gerçekleştirir. Temel karar mekanizmaları ile program akışını kontrol eder. Kendisi ile hafıza ve girdi/çıktı sistemleri arasındaki veri akışını kontrol eder. CPU aşağıdaki bileşenlerden oluşur: Aritmetik Mantık Ünitesi: Arithmetic Logic Unit (ALU) Register lar Kontrol Ünitesi

23 Register lar CPU nun ikili sayıları hızlı okumaları ve yazmaları için özelleşmiş bölgelerdir. Veri veya adres değerlerini tutabilirler. Sayıları ve tipleri, CPU dizaynına bağlıdır. CPU ve girdi/çıktı alt sistemi tarafından kullanılabilirler. Flip-floplardan oluşan birimlerdir. Genel amaçlı registerlar grubuna A, B,C ve D registerları girer. Özel amaçlı registerlara örnek olarak ise; PC (Program Counter, Program Sayacı), anlık icra edilen komutun adresi bu kaydedicide tutulur. SP (Stack Pointer- Yığın İşaretçisi) Flags (Bayraklar) verilebilir.

24 ALU Ana hafızadan ve/veya register lardan verileri alır ve sonuçların bu ünitelere yazılmasını sağlar. Mikroişlemci, bir sayının sıfır mı, pozitif mi ve benzeri durumlarını kontrol eder. Bu durumları da göz önüne alarak oluşturulan program akışı sayesinde, sistem ile ilgili temel kararlar verilmesine olanak tanır.

25 Kararlar Karar Yorum Zero Sayının sıfır olup olmadığını test eder Sign Carry Parity Sayının pozitif mi negatif mi olduğunu test eder Toplamadan dolayı oluşan eldeyi ve çıkarmadan dolayı oluşan ödünç alma işlemlerini test eder Sayının çift mi tek mi olduğunu test eder Overflow Toplama veya çıkarma sonucunda oluşan sayının geçerliliğini kontrol eder

26 Kontrol Ünitesi Mikroişlemcinin çalışmasını kontrol eden merkezi ünite. Aşağıdaki işlemleri sırası ile gerçekleştirir: Fetch: Makine dili komutlarını hafızadan okur Decode: Komutları tanımlar Execute: Komutların karşılanmasını sağlar Gerekli verileri register lardan veya hafızadan alır Gerekli işlemlerin yapılmasını sağlar Sonuçları register lara veya hafızaya yazar

27 Hafıza Aynı büyüklükteki (genellikle byte) verilerin tutulduğu sayısal bölgeler. Hafızadaki her satırın ayrı bir adresi bulunur. 16-bit adres, 65,636 (64K) hafıza satırının tanımlanmasına olanak tanır. Dikkat: Bilgisayardaki adres büyüklüğü ile hafızadaki toplam büyüklüğü birbiri ile karıştırmayın. Hafızadan veri transferi read (okuma) operasyonudur. Hafızaya veri transferi write (yazma) operasyonudur.

28 Bus Bilgisayar sisteminde Anakart üzerindeki parçaların birinden diğerine bilgileri iletmek için kullanılan yollara verilen addır. Mikroişlemci, hafıza ve girdi/çıktı üniteleri arasındaki adres, veri ve kontrol bilgilerini transfer eder. Address bus: CPU tarafından, halihazırdaki komutun gereksinim duyduğu okuma ve yazma operasyonlarının hangi adres ile ilişkili olduğu bilgisini iletmede kullanılır. Data bus: Mikrobilgisayarın farklı parçaları arasındaki veri akışlarında kullanılır. data bus width (bit olarak): Mikrobilgisayar sistemindeki verilerin büyüklüğünü tanımlar. Control bus: Mikrobilgisayar içerisindeki olayların kontrolünde ve senkronizasyonunda kullanılan sinyallerin iletiminde kullanılır.

29 Bus Yapısı

30 Mikroişlemci Mimarileri

31 Mikroişlemci Tasarım Mimarileri Bilgisayarın yüklenen tüm görevleri çok kısa zamanda yerine getirmesinde yatan ana unsur bilgisayarın tasarım mimarisidir. Bir mikroişlemci, mimari yetenekleri ve tasarım felsefesiyle şekillenir. İki temel mimari vardır. Von Neuman Harvard

32 Von Neuman (Princeton) Mimarisi Bilgisayarlarda kullanılan ilk mimaridir. Geliştirilen bu mimari beş birimden oluşmaktadır. Bu birimler; aritmetik ve mantıksal birim, kontrol birim, bellek, giriş-çıkış birimi ve bu birimler arasında iletişimi sağlayan yolardan oluşur

33 Von Neuman (Princeton) Mimarisi

34 Harvard Mimarisi Harvard mimarili bilgisayar sistemlerinde veri ve komutlar ayrı ayrı belleklerde tutulur. Buna göre, veri ve komut aktarımında iletişim yolları da bir birinden bağımsız yapıda bulunmaktadırlar.

35 Harvard Mimarisi

36 Mikroişlemci Komut Tasarım Mimarileri Mikroişlemciler komutları işleme teknikleri açısından iki mimariye ayrılmaktadır. Karmaşık komut kümeli bilgisayar (CISC) Azaltılmış komut kümeli bilgisayar (RISC)

37 RISC ve CISC Mimarilerinin Karşılaştırılması CISC mimarisi Bu mimari, programlanması kolay ve etkin bellek kullanımı sağlayan tasarımdır. Yazılımı basitleştirmektedir. CISC komut seti mümkün olabilen her durum için bir komut içermektedir. CISC mimarisinde yeni geliştirilen bir mikroişlemci eski mikroişlemcilerin assembly dilini desteklemektedir. RISC mimarisi RISC mimarisinin en önemli özelliği küçültülen komut kümesi ve azaltılan adresleme modları sayısıdır. Yüksek seviyeli dilleri desteklemektedir. Çok sayıda kaydediciye sahiptir.

38 RISC ve CISC Mimarilerinin Karşılaştırılması Mikrokod denetimli CISC mimarisi Donanım denetimli RISC mimarisi

39 RISC ve CISC Mimarilerinin Karşılaştırılması

40 Assembler

41 Assembly dili 1950lerin başlarında, UNIVAC benzeri sistemlerin gelişmesi ile kullanımı genişlyen, digital komutların girilmesini kolaylaştıran bir düşük seviyeli bir programlama dilidir.

42 Assembly dili 1950lerin başlarında, UNIVAC benzeri sistemlerin gelişmesi ile kullanımı genişlyen, digital komutların girilmesini kolaylaştıran bir düşük seviyeli bir programlama dilidir. Anabellekteki (RAM deki ) ve işlemci kaydedicilerindeki değerleri doğrudan değiştirebilme imkanı vardır.

43 Assembly dilinin dezavantajları Assembly dilinde program yazmak için mikroişlemci içyapısı bilinmesi gerekir. Assembly dili mikroişlemci tipine göre değişir. Bir mikroişlemci için yazılan bir program başka bir mikroişlemcide çalışmayabilir. Program taşınabilir platformdan bağımsız değildir. Assembly dilinde program yazmak yüksek seviyeli dillere göre daha zor ve zaman alıcıdır.

44 Assembly dilinin avantajları İşlemcinizin gücünü en iyi şekilde ortaya koyabilecek tek programlama dilidir. Küçük boyutlu bellekte az yer kaplayan programlar yazılabilir. Donanıma direk erişim özelliğinden dolayı virüslerin yazımında kullanılırlar. İyi öğrenildiğinde diğer dillerde karşılaşılan büyük problemlerin assembly ile basit çözümleri olduğu görülür.

45