Bilgisayar Donanımı. Computer Organization Ders 1 - Giriş Kadir Atilla TOKER

Transkript

1 Bilgisayar Donanımı Computer Organization Ders 1 - Giriş Kadir Atilla TOKER

2 Bilgisayar Donanımı CPU-İşlemci Memory-Bellek Giriş/Çıkış - Input/Output 2

3 Bilgisayar Donanımı 3

4 Bilgisayar Donanımı 4

5 Clock İşlemci ve yol işlemlerini senkronize eder. Clock cycle = Clock period = 1 / Clock rate Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 1 Hz = 1 cycle/sec 1 KHz = 10 3 cycles/sec 1 MHz = 10 6 cycles/sec 1 GHz = 10 9 cycles/sec 2 GHz clock = 1/( ) = 0.5 nanosecond (ns)

6 Bilgisayar Donanımı Arithmetic Logic Unit (ALU) aritmetik ve mantıksal işlemleri yapar. Kayıtçılar (Registers) hızlı kayıt yerleridir ve geçici bilgileri tutarlar. Data register, instruction register, program counter. Control Unit bütün işlemcideki işlemleri, onların önceliklerini, aşamalarını kontrol ederler. 6

7 Ana Bellek Main Memory Ana bellek Main memory kayıt yeridir ve hafızadaki yerler adres olarak adlandırılan bölümlere ayrılmıştır. Addresses Values

8 Bit Byte - Word Hafızaya giren ve çıkan bilgiler bit olarak adlandırılır ve bit gruplarına word denir. Bir word 8 bits, 16 bits, 32 bits veya 64 bit lik gruplar olarak bölünürler. 8-bit word = byte, 16-bit = 2-byte = 1 word vb. byte 8 word 16 doubleword 32 quadword 64 8

9 Adres Alanı Unit Bytes Yaklaşık değ. Kilobyte 2 10 (1,024)bytes 10 3 bytes Megabyte 2 20 (1,048,576)bytes 10 6 bytes Gigabyte 2 30 bytes 10 9 bytes Terabyte 2 40 bytes bytes Petabyte 2 50 bytes bytes Exabyte 2 60 bytes bytes 9

10 Adres Alanı

11 Bellek Adresleri Eğer hafıza 2 n word ise, adres yolunda bu kadar bit olmalıdır. Eğer bir bilgisayar 64 kilobyte hafıza derinliğine sahipse, 16 bitlik bir bit genişliğine ihtiyaç duyar. Birinci adres noktası: (address 0), Ve son adres noktası: (address 65535) Hesap makinesi kullanarak hesaplayın! 64 KB yi ikili sisteme çevirin. 11

12 Bellek Adresleri Bir bilgisayar 32 MB lık bir adres derinliğine sahipse. Hafızadaki 1 byte ı adreslemek için ne kadar bit genişliğine ihtiyaç duyarız? Hafıza aralığı 32 MB -> her bir byte ı adreslemek için 25 bit e ihtiyacımız var. 12

13 Bellek Adresleri Bir bilgisayar 128 MB lık bir hafızaya sahip. Tek bir hafıza byte tını adreslemek için ne kadar bit e ihtiyaç var? Hafıza adres derinliği 128 MB, yani 2 27 byte a ihtiyacımız var. 13

14 Bellek Çeşitleri Random access memory (RAM) çoğunlukla ana hafızayı oluşturur. Kullanıcı RAM a geçici bilgileri yazar ve daha sonra üzerine tekrar yazarak onları silebilir. volatile ; bilgiler sistem gücü kesildiğinde silinir. Read-only memory (ROM); Bilgiler üretici firma tarafından üretim sırasında yazılır. Kullanıcı bunları okuyabilir ama bu bilgileri silemez. nonvolatile ; İçeriği sistem güç kaynağı kesildiğinde silinmez. 14

15 Bellek DüzeniD Fastest Speed (Registers) Faster Speed (Cache Memory) Fast Speed (Main Memory) 15

16 Önbellek Cache Memory Ön Bellek - Cache memory, normalde küçük boyutta hafızalardır ve CPU ile ana hafıza arasında bulunurlar. CPU Cache Memory 16

17 Önbellek Cache Memory Önbellek (Cache memory) de herhangi bir zamanda ana hafızanın bir parçası bulunur. Eğer CPU ana hafızadaki bir bilgiye ihtiyaç duyarsa, aşağıdaki prosedürü izler. CPU cahce yi kontrol eder. Eğer istenen adresteki word değeri oradaysa onu alır, değilse ana hafızaya ulaşır ve oradaki değerleri kopyalar. CPU cahce ye ulaşır ve bilgiyi oraya kopyalar. 17

18 Giriş/Çıkış ış Birimleri Input/Output Bilgisayarların dış dünya ile haberleşmesini sağlarlar, sistem gücü kesildiğinde dahi programlar saklanabilir. Giriş/Çıkış cihazları (Input/Output devices) iki geniş katagoriye ayrılabilir. Kaydedeci olmayan cihazlar (Nonstorage devices). Kaydedici cihazlar. (Storage devices). 18

19 Input Devices Key Cap c d e f 8 9 a b Spring Conductor-coated membrane Mechanical switch Logical arrangement of keys Contacts Membrane switch

20 Çıkış Birimleri Output Devices Fusing of toner Cleaning of excess toner Charging Heater Rotating drum Rollers Light from optical system Sheet of paper Toner Laser printing

21 Kaydedici olmayan cihazlar (Non-storage Device) Bu cihazlar CPU ve hafızanın dış dünya ile ilişkisini sağlarlar. Keyboard giriş sağlar, monitorlar çıkış vs. 21

22 Kaydedici Cihazlar Storage Device Kaydedici cihazlar ana hafızadan daha ucuzdurlar. İçerikleri nonvolatile dır. Daha çok yardımcı kaydedici cihazlar olarak adlandırılırlar. Manyetik ve optikal olarak ikiye ayırabiliriz. 22

23 Bellekler Volatile Memory Devices Güç kesildiğinde bilgi kaybolur. RAM = Random Access Memory DRAM = Dynamic RAM 1-Transistor cell + trench capacitor Yavaş, bilgilerin tutulması için sürekli yazma işlemi tekrarlanmalıdır. Ana bellek için kullanılırlar. SRAM: Static RAM 6-Transistor cell, hızlı fakat bellek genişliği DRAM a göre daha düşüktür. Önbellek( cache memory) için kullanılırlar. Non-Volatile Memory Devices Bilgileri üzerlerinde sürekli tutabilirler. ROM = Read Only Memory (Yalnızca okunabilen bellekler) Bilgisayarın başlaması için gerekli bilgiler saklanabilir. Çeşitler: ROM, EPROM, EEPROM, and FLASH FLASH bellekler elektrik ile silinip/yazılabilir.

24 İşlemci-Hafıza Tarihsel Gelişim Processor-Memory Performance Gap 1000 Moore s Law CPU: 55% per year Performance Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% per year) DRAM: 7% per year No cache in microprocessor 1995 Two-level cache on microprocessor

25 Manyetik Kayıtçılar Manyetik diskin fiziksel yapısı 25

26 Manyetik Disk Disk in yüzey organizasyonu 26

27 Manyetik Disk Sürücüsü Diske ulaşma zamanı (Disk Access Time) = Sector Seek Time + Rotation Latency + Transfer Time Read/write head Recording area Actuator Seek Time: (Track) Yollara doğru kafa hareketi (milliseconds) Track 2 Track 1 Track 0 Rotation Latency: Kafanın istenen yola doğru gitmesi sırasındaki disk dönmesi Transfer Time: Verinin transferi Direction of rotation Spindle Platter Arm

28 Manyeti etik Disk Disk üzerindeki bilgileri organize etmek için, her disk yüzeyi yollara track bölünmüş ve her yol dilimlere sector bölünmüştür. Her yol inter-track gap denilen boşluklarla ayrılmışlardır. Her dilim sector ise inter-sector gap denilen boşluklar ayrılmışlardır. 28

29 Manyeti etik Disk Bir manyetik disk random access device olarak adlandırılabilir. En küçük parçası olan dilimlere sector bir zamanda bir kez ulaşılabilir. Diskin performansı birçok faktöre bağlıdır. Dönüş hızı (The rotational speed.) Arama hızı (The seek time.) Bilgi transfer hızı (The transfer time.) 29

30 Manyeti etik Teyp 30

31 Manyeti etik Teyp Yüzey bloklara bölünmüş olmasına rağmen, manyetik teyplerde bloklara ulaşmak için adresleme mekanizması yoktur! İstenen bir bloğu almak için, bütün önceki blokları taramak gerekir. Manyetik teypler disklere göre daha yavaştırlar. 31

32 Optik Kayıtçılar - Optical Storage Devices Optik kaydedici cihazlar bilgiyi kaydetmek ve okumak için lazer kullanırlar. Bunlar; CD-ROMs, CD-Rs and CD-RWs, DVD-RW, blue ray disc (BD) etc. Compact disk read-only memory (CD- ROM) Phillips ve Sony tarafından müzik kaydı için geliştirilmiştir. 32

33 Optik Kayıtçılar - Optical Storage Devices CD-ROM da data yazma ve okuma adımları. 33

34 Optik Kayıtçılar - Optical Storage Devices Blue-violet laser (405nm), red laser (650nm) den daha kısa dalga boyuna sahiptir. Bu lazer ışığın daha hassas okuma yapmasını sağlar. Blu-ray Disc lere 25GB/50GB kadar bilgi kaydedilebilir. Pioneer ın son geliştirdiği teknoloji ile, bir diskte 20 layer kullanılarak 500GB kapasitelerine ulaşılmıştır. ( 34

35 Alt sistemlerin Bağlanmas lanması CPU ve hafıza normalde üç grup yol ile birbirlerine bağlanırlar. Bunlar bus olarak adlandırılır.: Data bus, address bus and control bus. CPU Data Bus Address Bus Control Bus Memory 35

36 Addres, Veri ve Kontrol Yolları Adres yolu (Address Bus): Hafıza adresi adres yoluna koyulur. Eğer hafıza adresi a bit kadarsa, 2 a kadar yer adreslenebilir. Veri yolu (Data Bus): İki yönlü yoldur. (bi-directional bus) Veri yolunda bilgiler iki yönlü transfer edilir. (Giren/Çıkan) Kontrol yolu (Control Bus) Veri transferlerini kontrol eder Okuma isteği Yazma isteği Transfer gerçekleştirildi bilgisi Processor Address Register Data Register Bus Control address bus a bits data bus d bits read write done Memory a 1...

37 Hafızadan Veri Okuma Birden çok saat periyodu gerekiyor. Hafıza, CPU dan daha yavaş cevap veriyor. Addres bilgisi adres yoluna verilir. Read Line (RD) 0 yapılır, bu CPU nun okuma isteği olduğunu belirtir. CPU hafızanın cevap vermesini bekler (1 veya daha fazla cycles ) Read Line (RD) 1 olur, veri yoluna veri konulduğunu belirtir. Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 CLK ADDR Address RD DATA Data

38 Alt sistemlerin Bağlanmas lanması Veri yolu Data bus bir çok yoldan oluşur ve her biri 1 bit bilgiyi taşır. Adres yolu Addres bus hafızadaki belli bilgileri işaretlemeye yara. Eğer hafıza 2 n word ise, adres yolunda bu kadar bit olmalıdır. 38

39 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices Her bir I/O cihazı için 1 kontrol yolu vardır. 39

40 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices The small computer system interface (SCSI) 8, 16, 32 yollu bir paralel arabirimine sahiptir. 40

41 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices FireWire, çok hızlı bir seri bağlantıdır. Bilgileri 50 MB/sec hızındaki paketler halinde gönderir. 41

42 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices The universal serial bus (USB) de bir seri bağlantı şeklidir. Keyboard, mouse gibi cihazları bilgisayara bağlamaya yarar. USB 1.1 ve USB 2.0 veri iletişim hızlarını bulun! 42

43 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması USB transfer hızları: Connecting I/O I O Devices Low Speed: 1.5 Mbps= 192KB/sn Full Speed: 12 Mbps= 1.5MB/sn High Speed: 480 Mbps= 60MB/sn 480Mbit hızın sadece USB 2.0 ile elde edilebilmesi. Low ve full speed hızlar ise USB 1.1'den kalma. Ancak USB 2.0 geriye uyumlu olduğundan, bu iki hızı da kapsıyor. 43

44 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices 44

45 Giriş/Çıkış ış Cihazlarının n Bağlanmas lanması Connecting I/O I O Devices Memory-Mapped I/O methodunda, CPU I/O denetleyicisindeki her bir kayıtçıyı hafızadaki bir yer olarak görür. CPU buradaki bilgileri transfer için özel komut kullanmaz. Sadece Read komutu kullanılır. 45

46 Program İşlenmesi Program Execution CPU her saat periyodunda komutları bir bir baştan sona işler. Basitleştirilmiş çevrim üç aşamadan oluşur. Al, Çöz ve İşle. No Start More Instructions? Yes Fetch Decode Execute Stop 46

47 Program İşlenmesi Program Execution 47

48 Program İşlenmesi Program Execution Programı işlemeden önceki hafıza ve CPU durumu. 48

49 Program İşlenmesi Program Execution Birinci ve ikinci işlem sonucunda bellek değerleri. 49

50 Program İşlenmesi Program Execution Üçüncü ve dördüncü işlem sonucunda bellek değerleri. 50

51 Giriş/Çıkış ış İşlemi Programlanmış I/O methodunda, senkronizasyon çok basittir. CPU I/O cihazını bekler. CPU I/O cihazını sürekli kontrol ederek zamanı boşa harcar. 51

52 Giriş/Çıkış ış İşlemi Interrupt driven - Kesilme temelli I/O metodunda, I/O cihazı hazır olduğunu CPU ya gönderir. (interrupts) Bu zamana kadar CPU diğer işleri yapabilir. 52

53 Giriş/Çıkış ış İşlemi Direct Memory Access (DMA) Geniş boyutlu verilerin, çok hızlı Giriş/Çıkış birimleri, sabit disk ile bellek arasındaki hızlı iletişim. DMA kontroller CPU nun bazı komutlarını kullanır ve kontroller kayıtçılarında blok verileri transfer öncesi ve sonrası tutar. 53

54 Giriş/Çıkış ış İşlemi 54

55 Giriş/Çıkış ış İşlemi CPU, DMA ve hafıza arasındaki veri alışverişi sırasında boştadır. 55