B.Ç. / E.B. MİKROİŞLEMCİLERE GİRİŞ BEKIR ÇAKIR ERSOY BEŞER

Transkript

1 MİKROİŞLEMCİLERE GİRİŞ 1 BEKIR ÇAKIR ERSOY BEŞER

2 2 BİLGİSAYARIN TARİHSEL GELİŞİMİ

3 Elektronik dalında ilk adım olarak sayılan mekanik bilgisayar tahminen 1623 yılında Wilhelm Schickard tarafından tasarlanmıştır. Bugüne kadar bu bilgisayarın gerçekten yapıldığı noktasında bilgiye rastlanılmamıştır. Schickard ( ) Tübingen kentinde babil dili profösörlüğü daha sonrada matematik ve astronomi dalında çalışmıştır. Wilhelm Schickard s Calculator 3

4 1642 yılında Fransız matematikçi ve filozof, Blaise Pascal, dişliler kullanılarak ilk mekanik dijital hesap makinesini icat etti. Bu makine tam sayılar üzerinde toplama ve çıkarma işlemleri yapabiliyordu. Fakat bu makinenin çok zahmetli bir üretim işlemi vardı bu sebeple pahalıydı ve sadece Pascal kullanabildi. 4

5 5

6 1671 yılında Gottfried Wilhelm Leibnitz ( ) Pascal ın geliştirdiği mekanik bilgisayara dayalı ve ek olarak çarpma ve bölme yapabilen bir bilgisayar geliştirdi. 6

7 1820 yılında Charles Xavier Thomas da benzer şekilde çarpma ve bölme yapabilme özellikli bir makine geliştirdi. 7

8 1804 yılında Joseph Marie Jacquard, tarafından dokuma tezgahlarının birbirine zincir düzeni şeklinde bağlanmasıyla oluşan delikli kartlarla programlanan bir makine geliştirdi. Bu delikli kartlar ilk bilgisayar programlarından birisi olarak kabul edebilir. 8

9 9

10 1834 yılında Charles P. Babbage, "bilgisayarın babası", uzun hesaplamaların birçoğunda sabit döngüler olduğunu fark etti. Buhar gücüyle çalışan tam otomatik ve sabit bir program komutasında çalışan bir makina tasarladı. Analitik motor olarak adlandırdığı makine, temelde sadece bir hesap makinesi olmayıp, aritmetik işlemleri arka arkaya yapan ve karar verme özelliğine sahip ve programlanabilen, yani hafızalıydı. Program kumandası delikli karttan takip edilmekteydi. En önemli yeniliği mekanik yapının şartlı dallanmayı desteklemesidir. Bu bilgisayar da hiç bir zaman tamamen çalışır halde gerçekleştirilemedi. Ama 1970 öncesi bilgisayarların çalışma prensibi bu temele dayanır. 10

11 1850 yılında George Boole, ilerleyen zamanda bilgisayar devrelerinde kullanılacak "Boole Mantığı" nı geliştirdi yılında, Dr. Herman Hollerith, ABD nüfus sayımında bilgileri derlemek için kullanılan ilk elektromekanik delikli kart veri işleme makinesi tanıttı. Geliştirdiği aracı halka pazarlama konusunda başarılı oldu. Onun şirketi sonunda, International Business Machines yani bilinen ismiyle IBM olacaktı. 11

12 1906 yılında mekanik bilgisayarlarda kullanılacak "vakum tüpü" Amerikalı fizikçi Lee De Forest tarafından icat edildi. 12

13 1939 yılında Dr. John V. Atanasoff ve asistanı Clifford Berry ilk elektronik dijital bilgisayar oluşturdu. Makinaya, Atanasoff-Berry- Computer (ABC) ismi verildi. Bu makine elektronik dijital bilgisayarlardaki gelişmeler için temel oluşturdu. 13

14 Konrad Zuse, mekanik bir bilgisayar geliştirdi. Z1 olarak adlandırdığı bilgisayarda onlu sayısı sistemini değil ikili sayı sistemini kullanmıştır. 14

15 Daha sonra 1941 yılında Z3 olarak adlandırılan ilk programlanabilen universal bilgisayar geliştirildi. 15

16 Z3 ün Önemli Özellikleri : Komut ve sayılar ikili düzende, Hafıza ve işlem için ikili anahtarlama elemanı kullanılmış, AND, OR ve NOT ifade kullanımı, Reel sayı işlemleri yapabilen, Hesaplama adım dizisi olarak akış düzeni kullanılmış, Elektromanyetik röleli yapı (hesaplama için 600 röle, hafıza için 1400 röle, 22-bit sözcük için 64 röle) 8 kanal delikli çizgi üzerinde kumanda 3 saniyede kök alma, çarpma ve bölme 16

17 1944 yılında Howard Aiken, IBM mühendisleri ile işbirliği yaparak büyük bir otomatik dijital dizi kontrollü bilgisayar inşa etti. Harvard Mark I isimli bilgisayar dört aritmetik işlemi sonuçlandırabiliyordu, logaritma ve trigonometrik fonksiyonlar için yerleşik programlara sahipti. 17

18 yıllarında John W. Mauchly ve J. Presper Eckert tarafından ilk modern bilgisayar (Electronic Numerical Integrator and Calculator) yapılmıştır. Önemli özellikleri : elektronik tüp, 1500 röle, 30t ağırlık, 0.2 ms toplama işlem zamanı, 2.8ms çarpma işlem süresi. 18

19 1945 yılında Dr. John Von Neumann, kayıtlı program kavramı ortaya koyan bir bildiri sundu yılında IAS-bit Parallel bilgisayar geliştirdi. 19

20 1948 yılında tranzistör ün icad edilmesiyle elektronik dalında yeni bir çağ başladı ve 1970'li yıllarda delikli kartlı bilgisayarlar vardı. 70'li yılların sonuna doğru kişisel disketli sisteme geçildi yılında ilk işlemci Intel tarafından 4-bitlik 4004-serisi ile yaklaşık 2300 tranzistörden oluşan entegre devre olarak üretilmiştir. Çalışma frekansı 108kHz idi. Genel amaçlı bir işlemci olarak üretilmiş olup ilk uygulaması hesap makinesi olarak gerçekleşmiştir. 20

21 1971 yılında Intel kendi aritmetik mantık ünitesini kullanabilen PASCAL programlama dili ni tanıttı yılında, Motorola MC6800, Zilog Z80 ve Intel 8085, 8 bit işlemcilerini piyasaya sürdü. 21

22 22

23 1978 li yıllarda 16 bit işlemciler, yıllar arasında 32 bit işlemciler, yıllar arasında 64 bit Pentium işlemciler geliştirilmiştir. Bazı Motorola serisi işlemciler : 68000, 68010, 68020, ve Bazı Intel serisi işlemciler : 8088, 8086, 80286, 80386, ve (Pentium) 23

24 1999: 180nm, Intel Pentium 3 İşlemci 9,5 Milyon Transistor 2001: 130nm, Intel Pentium 4 İşlemci 55 Milyon Transistor 2003: 90nm, Intel Pentium 4 İşlemci 125 Milyon Transistor 2005: 65nm, Intel Core 2 Duo İşlemci 291 Milyon Transistor 2007: 45nm, Intel Core 2 Duo İşlemci 410 Milyon Transistor 2008: 45nm, Intel Core i7 İşlemci 731 Milyon Transistor 2010: 45nm, zenterprise Milyar transistor (512mm2 alana) 24

25 25

26 Intel Core i7-970 : 1.17 Milyar Transistör (32nm teknolojisi) 26

27 Intel Core i (Sandy Bridge Architecture) : 1.16 Milyar Transistör (216mm2 alana, 32nm teknolojisi) 27

28 Intel Core i (Ivy Bridge Architecture) : 1.4 Milyar Transistör (160mm2 alana, 22nm teknolojisi) 28

29 Intel Core i (Ivy Bridge-E Architecture) : 1.86 Milyar Transistör (256mm2 alana, 22nm teknolojisi) 29

30 BELLEKLER 30

31 Genel olarak bellekler, elektronik bilgi depolama üniteleridir. Bilgisayarlarda kullanılan bellekler, işlemcinin istediği bilgi ve komutları maksimum hızda işlemciye ulaştıran ve üzerindeki bilgileri geçici olarak tutan depolama birimleridir. İşlemciler her türlü bilgiyi ve komutu bellek üzerinden alır. Bilgisayarın açılışından kapanışına kadar sağlıklı bir şekilde çalışmak zorunda olan en önemli bilgisayar bileşenlerinden biri bellektir. Mikroişlemcilere benzer olarak bellekler de milyonlarca transistör ve kapasiteden oluşan entegre devrelerdir. Genel olarak bilgisayar hafızalarında bir transistör ve bir kapasite, bir hafıza hücresini oluşturur ve tek bir bit bilgiyi temsil eder. Kapasite bir bit lik bilgiyi (0 veya 1) tutar, transistör ise bir anahtar görevi görerek bilginin okunmasını veya değiştirilmesini kontrol eder. Bellek miktarı 8MB olan bir yongada 64 milyon tansistör, 64 milyon kapasite ve bunları birbirine bağlayan yollar bulunur. 31

32 Her hafıza hücresinde 1 bit lik veri saklanır. Bu 1 bit lik veri, hafıza hücresinde elektriksel bir yük olarak depolanmaktadır. Bulunduğu konumun satır ve sütun olarak belirtilmesi hâlinde veriye anında ulaşılması mümkündür. Başka bir deyişle adresinin bilinmesi halinde veriye anında ulaşılır. Belleklerin görevi, işlemcinin verileri işlemesi sırasında gerekli olan verileri geçici veya kalıcı olarak saklamaktır. Bellekler Yapılarına göre dört ana grupta incelenebilir. Mekanik Bellekler Optik Bellekler Manyetik Bellekler Elektronik Bellekler 32

33 Mekanik Bellekler Mekanik depolamada, veriler mekanik bir yöntemle, örneğin taşıyıcıda fiziksel olarak çukurluklar ya da yükseklikler yaratarak saklanır. İşlenmiş olan taşıyıcı sadece okunabilir tekrar yeni veri yazılamaz. Mekanik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; Taş Plak : İki tarafında da ses sinyalleri kaydedilmiş en ilkel plak türüdür. 1890'larda ortaya çıktı. Aslında 78,26 devir'de okunabilen plak türüdür. Üretimi neredeyse 1940'lı yıllara kadar devam etse de, çok kırılgan olması sebebi ile üretimi kaldırılmıştır. Plak : PVC'den üretilen, her iki tarafına da kayıt yapılabilen dairesel bir ses depolama birimidir. Pikap veya gramofon denilen cihazlarda okunarak, üzerine kaydedilmiş ses izleri dinlenebilir. Delikli Kart : Üzerindeki belirli noktalara açılan (veya açılmayan) delikler sayesinde sayısal bilgi taşıyabilen karton parçalarıdır. Günümüzde bir veri saklama aracı olarak modası geçmiş olmakla birlikte, 19. yüzyıl boyunca dokuma tezgahlarını denetlemekte ve 20. yüzyılda hesap makinalarında ve bilgisayarlarda kullanılmıştır. Delikli Bant 33

34 34

35 Optik Bellekler Verileri okuyup yazmak için Laser ışını kullanılır. Optik kayıtta kayıt ortamının yansıtma ve eğilip bükülme özelliklerinden yararlanılır. Kayıt biçimi digitaldir. Optik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; CD : Bilgi ve verileri, kalıcı olarak kaydetmeye yarayan elektronik kayıt cihazıdır. Teker biçiminde, üzeri spiral biçiminde izler taşıyan, alüminyum kaplamalı, yassı bir elektronik kayıt malzemesidir. CD yüzeyindeki bazı bölümler, kaplama (üretim) sırasında, biraz derinleştirilmiştir. Pits denilen bu çukurlar, lands denilen ve çukurlaştırılmamış olan bölümlere göre, gelen ışınları biraz daha erken yansıtır. Verilerin yazılması ve okunması, zayıf bir lazer ışınının, bu çukur ve düzlükler üzerinde yansıma (ya da yansımaması) sayesinde gerçekleşir. Bir CD ROM'un çapı 12 santimdir. Üzerine 650 ile 900 MB arasında bilgi kaydedilebilir. Ancak, tüm CD Sürücüler (CD-ROM aygıtları) bu verileri okuyamadığından, yaygın olarak, 700 MB kapasiteli olan CD'ler kullanılır. CD-ROM üzerine kayıtlı olan bilgi ve verilerin, ne kadar süreyle saklanabildiği henüz tam olarak bilinememektedir. Yapılan tahminler, CD ROM 'un nasıl depolandığına bağlı olarak, 10 ile 50 yıl arasında değişmektedir. 35

36 DVD : CD-ROM görünümünde elektronik kayıt ortamıdır. CD'ye göre, çok daha yüksek kayıt kapasitesine sahiptir. Tek katmanlı bir DVD, standart bir CD'nin yedi katı olan 4.7 GB bilgiyi saklayabilir. 650 nm dalga boyundaki kırmızı bir lazer (CD için bu değer 780 nm'dir) ile okuma yapılabilmektedir. DVD de, fiziksel tabakada daha verimli bir kodlama yöntemi kullanır. Blue-Ray Disk : Dünyanın önde gelen üreticilerinin Blu-ray Disc birliği (Blu-ray Disc Association - BDA) adı altında geliştirdikleri yeni format özellikle yeni nesil yüksek çözünürlüklü (HD) videoların tek bir diskte saklanabilmesinde yardımcı olurken aynı zamanda çok büyük miktarda veri depolamaya da yardımcı olmaktadır. Tek tabakalı bir Blu-ray disk 25 GB lık kapasitesi ile iki saatten fazla HD kalitesinde görüntü veya on üç saat civarında standart çözünürlüklü görüntü saklayabiliyor. Çift tabakalı biçimi ise 50 GB veri depolama kapasitesine sahiptir. Blu-ray ileride kolayca genişletilebilsin diye ayrıca çoklu-katman desteği de barındırıyor, her bir katmanda 25 GB veri ile ileride veri kapasitesi GB seviyelerinde olabilmesi planlanmaktadır. Halihazırda kullanılmakta olan DVD gibi optik disk teknolojileri veri yazmak ve okumak için kırmızı lazer kullanırken, yeni format mavi-mor lazer kullanmaktadır. Blu-ray ürünler farklı lazer tipleri kullanılmasına rağmen, BD/DVD/CD uyumlu optik okuyucusu yardımıyla CD ve DVD leride oynatabilmektedir. 405 nm lik mavi-mor lazerin dalga boyu, 650 nm dalga boyuna sahip kırmızı lazerden daha kısadır. HD DVD : HD DVD, ya da High-Definition DVD yüksek tanımlamalı videolar veya veri taşınması için artık geliştirilmeyen bir optik depolama teknolojisidir. HD DVD tek katmanda 15 GB,çift katman söz konusu olduğunda ise 30 GB veri saklayabilir. 36

37 Manyetik Bellekler Verilerin manyetik özelliğe sahip malzemeler üzerine manyetik biçimde kaydedilmesidir. Bunun için kağıt, karton, bant, plak gibi malzemeler kullanılabilir. Manyetik ortamlara bir okuma/yazma kafası aracılığıyla okunup yazılabilir. Manyetik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; Manyetik Bant : Doğrusal kaydetme yöntemi; bandın tüm genişliği boyunca yayılan bant kafasının bant onun üzerinden geçerken tüm izleri okuması veya yazmasıdır. Disket : Disketler, farklı ebat ve hacimlere sahiptirler. Bir disketin fiziksel büyüklüğü bir kenarının inç olarak uzunluğuyla anılır. Günümüz piyasasında kullanımı en yaygın olan disket türü 3,5 inçlik (3.5") diskettir. Geçmişte 5,25 inçlik ve 8 inçlik olanları da kullanılmıştır. Disketler veri saklama kapasitesine göre de sınıflara ayrılır. Disketin kapasitesi sağ üst köşesinde yazan DD ve HD harflerinden anlaşılır. DD (Double Density) disketler 720 KB, HD (High Density) disketler 1,44 MB'lık veri saklama kapasitesine sahiptir. 37

38 38

39 Sabit Disk : Hard disklerde veri yazımı; metal, cam veya plastikten yapılmış, yüzeyi demir oksit ya da başka manyetik özellikteki malzeme ile kaplı diskler üzerine yapılır. Bu kayıt ortamlarında veriler mıknatıslanma yolu ile kaydedildiğinden istenerek silinene kadar sabit kalırlar, elektrik kesintileri gibi durumlarda bilgisayar bellek yongalarındaki gibi kaybolmazlar, bu nedenle anılan şekilde adlandırılmışlardır. Bir sabit diskte çoğunlukla metal olan bir veya birden fazla sayıda kayıt diski bulunur. Metal disk ya da diskler 3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 10000, d/dk (devir/dakika) gibi hızlarla dönerken disk yüzeyleri üzerinde gezinen kafa veya kafalar okuma-yazma işlemlerini yaparlar. Gelişen teknoloji sabit disklerin boyutlarını küçültmüş ve bilgi saklayabilme yeteneklerini arttırmıştır. Birkaç megabayt büyüklüğündeki ilk örneklerin yerini günümüzde GB (giga byte) veri saklayabilmekte olanları almıştır ve her geçen yıl bu artmaktadır. Günümüzde bir bilgisayar sabit diskinin küçültülmüş örnekleri olan, 20 gramdan daha az ağırlıkta kompakt flaş ölçüsünde (42,8x36,4x5 mm) 64 GB'a varan veri saklama olanaklı küçük sabit diskler de üretilmektedir. 39

40 40

41 Elektronik Bellekler Bilginin elektronik yapı elemanları temelli malzemelerin üzerine kaydedilmesi olarak adlandırılır. Günümüzde elektronik kayıt pratik olarak silisyumundan yapılmış olan entegre devreler aracılığıyla yapılır. Elektronik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; RAM Bellek ROM Bellek PROM Bellek EPROM Bellek EEPROM (E2PROM) Bellek Flash Bellek PLA Oku / Yaz Bellekler Sadece okunabilen Bellekler Oku / Yaz Bellekler 41

42 ROM (Read Only Memory) Bellekler ROM üzerindeki bilgiler hiçbir şekilde değiştirilemez veya silinemez. Belleğe bilgi imalat esnasında kalıcı olarak yerleştirilir ve bellek içeriği kesinlikle değiştirilemez. Bilgisayarınızı kapatsanız bile üzerindeki bilgiler silinmez. ROM, sadece okunabilir bellekler için kullanılan genel bir ifadedir ve ROM bellekteki bilgiler, RAM bellektekilerin aksine kalıcıdır. İlk üretilen ROM sadece okunabilir özelliktedir. Daha sonra üretilen ROM çeşitleri üzerinde elektriksel yöntemlerle değişiklik yapılabilmektedir. Bu tipteki hafıza birimleri elektrik kesildiğinde dahi bilgilerin saklanması gerektiği durumlarda kullanılmaktadır. Rom tipi belleklerde bilgi değiştirme imkanı yoktur. Bu tip bellekleri kullanma, belirli sayının üzerinde ihtiyaç varsa ekonomik olur. Rom bellek bir kitap gibi düşünülebilir. Kitaptaki bilgilerden kitap deforme olmadan nasıl yararlanılırsa bu bellekten de benzer şekilde yararlanılır. Rom'a genelde ihtiyaç duyulan ve değişmeyen bilgiler yüklenir. İlklendirme programları, kumanda talimatı ve tabela programları gibi. 42

43 PROM (Programmable Read Only Memory) Bellekler PROM un özellikleri temelde ROM la aynıdır. Bir kez programlanır ve bir daha bu program üzerinde herhangi bir değişiklik yapılamaz ancak PROM un üstünlüğü, yonganın fabrikada yapılırken programlanmak zorunda olmayışıdır. Herkes satın alabileceği PROM programlayıcısıyla amacına göre PROM a bilgi yazabilir. PROM bellek gözleri için nikel-krom veya polikristal maddelerinden oluşan bir sigorta bulunur. Üretildiklerinde bellek gözleri 0 veya 1 konumundadır. Yüksek bir akım uygulandığında sigorta atar. Sadece bir kez programlanabilir. Üzerindeki verilen silinmesi mümkün değildir 43

44 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) Bellekler RAM ların, elektrik kesildiğinde bilgileri koruyamaması ROM ve PROM ların yalnızca bir kez programlanabilmeleri bazı uygulamalar için sorun oluşturmuştur. Bu sorunların üstesinden gelmek için teknoloji devreye girmiş ve EPROM lar ortaya çıkmıştır. EPROM programlayıcı aygıt yardımıyla bir EPROM defalarca programlanabilir, silinebilir. EPROM programlayıcı, EPROM un üzerindeki kodlanmış programı mor ötesi ışınlar göndererek siler. Yonganın üzerindeki pencere, parlak güneş ışığı EPROM u kolayca silebileceğinden, programlama işleminden sonra EPROM un üzeri bir bantla kapatılır. Üretildiklerinde tüm bellek gözleri elektriksel olarak 1 konumundadır. Elektriksel olarak programlanabilirler. Morötesi ışık kullanarak silinebilirler. Belli sayıda silme ve programlama işlemi gerçekleştirilebilir. 44

45 EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) Bellekler Bilgisayar BIOS'larının kullandığı ROM tipi EEPROM'dur. EPROM'a benzer olarak EEPROM'da silinebilir ve yazılabilir. Silme işini elektriksel olarak yapılmaktadır. Programlama işlemi belirlenen sayıda tekrar tekrar gerçekleştirilir. BIOS'larda EEPROM kullanır. Bu sayede ana kart üreticileri, güncelleşmiş BIOS'larını yazabiliyorlar. Bu bellek türü; mobil uygulamalarda, cep telefonlarında, sayısal işlemcilerde, modemlerde, BIOS larda, dijital kameralarda ve PDA larda kullanılmaktadır. 45

46 Flash Bellekler Yapısı EEPROM tipi belleklere benzemektedir. Veriler, elektriksel olarak silinmektedir. Taşınabilir USB depolama cihazlarında sıklıkla kullanılmaktadır. 46

47 PLA (Programmable Logic Arrays) Lojik kapılarla elde edilmiş programlanabilir bir bellek türüdür. PLA lar VE düzlemine bağlı girişler, VEYA düzlemine bağlı çıkışlardan oluşur. VE düzleminin çıkışları, VEYA düzleminin girişlerini oluşturur. Hem VE düzlemi, hem VEYA düzlemi programlanabilir. Böylece bir çok fonksiyon programlanabilir. ROM larla oluşturulan tüm kombinasyonları gerçekleştiremese de daha çok giriş çıkış sunar ve hızı daha yüksektir. Programlama : Bağlaçların girişlerinde sigortalar bulunur. Normalde programlamadan önce tüm bağlantılar vardır. İstenmeyen bağlantıları koparmak için sigortalar devre dışı bırakılır. Bu işlemi gerçekleştirmek için özel cihazlar vardır. 47

48 PLA (Programmable Logic Arrays) Basit gösterim : Çizimleri karmaşık hale getirmemek için PLA çizimlerinde tüm hatlar gösterilmez. Onun yerine ilgili kapının girişine hangi hatlar bağlanacak ise o hattın üzerine X konur. Soru : S0 :? C0 :? 48

49 RAM (Random Access Memory)Bellekler Yarı iletken teknolojisi ile yapılan okuma-yazma belleği RAM olarak adlandırılır. RAM belleği iç yapısına göre belirli sayıda adrese (bellek gözüne) sahiptir. Her bir bellek gözünün, yani adresin veri uzunluğu vardır. Bu veri biti uzunluğuna göre bilgiler belleğe yüklenir (yazılır) yada bellekten okunur (alınır). Her bir bellek gözünün yerinin belli olabilmesi için bir adresi olması gerekmektedir. Bu adresler üzerinden istenen bellek gözüne ulaşılır. RAM tipi bellekte okuma-yazma serbesttir. RAM-tipi bir belleğin herhangi bir gözüne, hangi veri uzunluğunda olursa olsun bir bilgi(veri) yazıldığı zaman, yazılan bu bilgi ilgili adresten tekrar okunabilmektedir. Manyetik belleklerdeki gibi herhangi bir adresten bilgi okunmasıyla (veri alınması) birlikte bellek içindeki veri deforme (değişme) olmaz, yani verinin lojiksel değerinde değişme olmaz. Fakat o adresteki bilgi üzerine, yeni bir bilgi yazılırsa veya bellek yongasının besleme gerilimi kesilince adres içeriği, yani veri değişir. Değişmeden kastedilen bellek türüne göre farklı ifade kullanılabilir. RAM'a Random Access yani rastgele erişimli denir. RAM lar birbirinden tamamen bağımsız hücrelerden oluşur. Bu hücrelerin her birinin kendine ait sayısal bir adresi vardır. Her hücrenin çift yönlü bir çıkışı vardır. Bu çıkış veri yolunda (Data Bus) mikroişlemciye bağlıdır. 49

50 RAM (Random Access Memory)Bellekler Ram tipi bellekler yapıları itibariyle ikiye ayrılırlar; Statik RAM (SRAM) Dinamik RAM (DRAM) STATİK RAM (SRAM) Bellek üzerine bir veri yazıldığında, tüm devreye enerji verildiği ve yazılan yere başka bir kelime yazılmadığı sürece, bu kelime hafızada saklı kalır. Bu yüzden verinin tazelenmesi gibi bir durum söz konusu değildir. SRAM lere statik denmesinin sebebi, DRAM lerin ihtiyaç duyduğu tazeleme operasyonuna ihtiyaç duymamalarıdır. Ön belleklerde (Cache) tercih edilir. DRAM lere göre hızlı ve pahalı bir bellek türüdür. Statik belleklerde mandallı röle devreler kullanılır. Röleye voltaj uygulandığında röle harekete geçer ve "elektriği iletemez" durumdan "iletir" duruma geçer. Elektrik akımının bir kısmı röleyi bu hâlde tutmak için kullanılır. Böylece röle devresi kapı mandalı gibi bir kuvvet ya da sinyal gelinceye kadar durumunu korur. Gerekli sinyal geldiğinde elektriği keser ve bu duruma kilitlenir. Böylece bir biti saklamak için gerekli iki durum elde edilmiş olur. Bu özellikteki çok sayıdaki devre bir araya gelerek statik bellek yongasını oluşturur. Statik belleklerde anlatılan bu yapı, şimdiki flash belleklerde kullanılan yapı ile aynıdır 50

51 DİNAMİK RAM (DRAM) Rastgele erişim ifadesi, bilgisayarın işlemcisini hafızanın ya da verinin tutulduğu bölgenin herhangi bir noktasına direkt olarak erişebileceğini belirtmek için kullanılır. Bu tür hafızalar veriyi tutabilmek için sabit elektrik akımına ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden depolama hücrelerinin her saniyede yüzlerce kez ya da her birkaç milisaniyede bir tazelenmesi yani elektronik yüklerle yeniden yüklenmesi gerekir. DRAM in doğasındaki dinamiklik buradan gelmektedir. Mikroişlemcilere benzer olarak hafıza çipleri de milyonlarca transistör ve kapasitörden oluşan entegre devrelerdir. Genel hâli ile bilgisayar hafızalarında bir transistör ve bir kapasitör, birlikte bir hafıza hücresini oluştururlar ve tek bir bit bilgiyi temsil ederler. Kapasitör bir bitlik bilgiyi (0 veya 1) tutar, transistör ise bir anahtar görevi görerek bilginin okunmasını veya değiştirilmesini kontrol eder. Veri, kondansatörün doldurulması ile saklanmaktadır. Fakat sistem üzerinde istenmeyen kaçak akımlar oluştuğundan kondansatörün sık sık tazelenmesi gerekmektedir. 51

52 DİNAMİK RAM (DRAM) Yukarıda da belirttiğimiz gibi DRAM e dinamik RAM denmesinin sebebi, veriyi elinde tutabilmek için her saniyede yüzlerce kez tazelenmek ya da yeniden enerji ile doldurulmak zorunda olmasıdır. Tazelenmek zorundadır DRAM lerin bellek tasarımcılarına çekici gelmesinin, özellikle de bellek büyük olduğu zaman, çeşitli nedenleri vardır. En önemli üç nedeni şöyle sıralayabiliriz: 1. Yüksek Yoğunluk: Tek bir yonga içine daha çok bellek hücresi (transistör ve kondansatör) yerleştirilebilir ve bir bellek modülünü uygulamaya koymak için gerekli olan bellek yongalarının sayısı azdır. Bu yüzden caziptir. 2. Düşük Güç Tüketimi: Dinamik RAM in bit başına güç tüketimi, static RAM le karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. 3. Ekonomi: Dinamik RAM, static RAM den daha ucuzdur. Çeşitleri : EDO DRAM (Extended Data Out Genişletilmiş Veri Çıkışı) SDRAM (Senkronize DRAM) DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 52

53 TEMEL BELLEK BİRİMİ Temel bellek birimi D-tipi flip floptur. 53

54 t1 anında ; clock un 0-1 geçişi ve D-girişindeki bilgi lojik '1' olduğundan flip flop un çıkışı lojik '1' olur. t2 anında ; clock un 0-1 geçişi ve D-girişindeki bilgi lojik '0' olduğundan flip flop un çıkışı lojik 0' olur. 54

55 Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Xi, Yi adres bilgisini temsil eder. Her bilgi, tek bir adrese sahip farklı fiziksel bir yer (location) işgal eder. Diğer bir deyişle, hafıza adreslenebilir saklayıcılar yığını olarak düşünülebilir. CS (Chip Select) sinyali, hafıza tüm devresinin aktif olması için, bir dış lojik tarafından üretilmesi gereken ilk sinyaldir. WR ve RD sinyallerinin durumlarına göre, seçili hafıza hücresine yazma veya okuma gerçekleştirilir. WE ve OE sinyalleri genelde bir hafıza tüm devresi üzerinde, yazma ve okuma işlemlerini aktiflemeyi belirten girişler olarak gösterilir. 55

56 Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Çıkışın aktif olabilmesi için ; RD/WR iletkenine lojik 1 ve CS iletkenine de lojik 0 uygulandığında A5 (And) kapısının çıkışına lojik 1 yansır, böylece D- flipflop un Q çıkışında ne varsa o lojiksel durum üç konumlu çıkışa sahip A7 (Değil) kapısının çıkışına yansımaya hazır olur. 56

57 Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Okuma işlemi için ; İlk önce Xi ve Yi iletkenlerine lojik '1' uygulanmalıdır. Bu durumda A1 (And) kapısının çıkışı lojik '1' olur. Bu çıkış aynı zamanda A2 ve A3 (And) kapılarının bir girişidir. A2 kapısının 3 no'lu girişinden okuma/yazma (RD/WR ) seçimi yapılır. Okuma olabilmesi için RD/WR girişine lojik '1' uygulanır. A2 (And) kapısının çıkışı lojik '0' olur ve yükselen kenar aktif olan D-FF için bu çıkış etkisizdir. D-FF'unda önceden ne yüklendiyse o lojiksel durum A3 (And) kapısının çıkışında görünür. 57

58 Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Yazma işlemi için ; İlk şart olarak Xi ve Yi'nin lojik '1' olması gerekir. Yazma olduğu için RD/WR girişine lojik '0' uygulanır. Dolayısıyla A2 (And) kapısının çıkışı lojik '0' dan lojik '1'e yükselir. O anda D-FF'un girişine ne uygulanmış ise A3 (And) kapsının çıkışında girişe uygulanan lojik seviye gözükür. Bu durumdan aktif olan göze yeni bilgi yazılır. 58

59 59

60 4x3 bit hafızanın lojik diyagramı. Her bir satır, toplam 4 tane olan, 3 bit kelimeden oluşur. Bir hafıza okuma veya yazma işleminde, her zaman 3 bit bir kelime okunur veya yazılır. 60

61 BELLEKLERİN DIŞ GÖRÜNÜMLERİ 61

62 BİR BELLEĞİN KAPASİTESİ Bir hafızanın kapasitesi, maksimum sayıda saklayabileceği bit veya kelime sayısı ile belirtilir. Kelime / Kelime sayısı / Kelime uzunluğu (m): Mikroişlemcinin her saat (clock) darbesinde işlem yapabileceği bit sayısına denir. 4 / 8 / 16 / 32 / 64 bitlik kelime uzunlukları vardır. Veri yolu genişliği olarak da adlandırılır. Adres sayısı (n) : Bir hafızada n adet adres sayısı var ise 2 n adet adres bulunmaktadır. Adres yolu genişliği olarak da adlandırılır. Eğer bir hafıza n-bit adres giriş hattına ve m-bit kelime uzunluğuna sahipse hafızanın kapasitesi 2 n x m dir. Örn: 1Kx8 lik bir hafıza, her biri 8-bit genişlikte olan 1024 tane hücreyi ifade etmektedir. Soru : Yandaki belleği kapasitesi nedir? 62

63 Adres biti sayısı (n) :2 Adres sayısı (2 n ) : 4 Kelime sayısı (m) : 3 63

64 BELLEKLERDE OKUMA İŞLEMİ Bir hafızanın çalışabilmesi için, uygulanan adres, veri ve kontrol sinyalleri için zamanlama sınırlamaları bulunur. Bir bellek gözünün içeriğinin okunması veya bir bellek gözüne veri yazılması için geçen süreye erişim zamanı denir. Hafıza sinyallerini analiz etmek için en basit işlem okuma çevrimidir. Bir okuma çevriminde aşağıda olaylar gerçekleşir: Hafıza girişlerine adres uygulanır. CS girişine lojik 0 uygulanarak bellek seçilir. Seçilen hafıza hücresinin içeriği, erişim zamanına (access time) eşit bir süre sonra, veri çıkışlarında gözlenir. Adres hatları diğer bir hafıza hücresine yazmak veya okumak için değiştirilebilir. 64

65 BELLEKLERDE OKUMA İŞLEMİ Hafıza adresi, mikroişlemci tarafından sağlanır. Mikroişlemcinin çalışması sırasında bu hatları gözleyen bir kod çözücü, erişilmek istenen hafıza biriminin adresinin üretilmesinden kısa bir süre sonra, bu kodu çözerek CS sinyalini üretir. Adres üretiminden sonra, verinin çıkışta okumaya hazır olması için geçen zamana erişim zamanı (ta) denir. En az bu kadar bir zaman sonra, mikroişlemci RD sinyalini aktif yaparak veriyi okur. 65

66 BELLEKLERDE YAZMA İŞLEMİ Bir yazma çevriminde aşağıda olaylar gerçekleşir: Hafıza girişlerine adres uygulanır. CS girişine lojik 0 uygulanarak bellek seçilir. Hafızaya yazılacak veri, hafıza veri girişlerine uygulanır. WE hattı aktif hale getirilir. Adres hatları, diğer bir hafıza hücresine yazmak veya okumak için değiştirilebilir. 66

67 BELLEKLERDE YAZMA İŞLEMİ Adres ve kontrol sinyallerinin kodunu çözen kod çözücü, CS sinyalini üretir. Hafıza seçildikten sonra, hafızanın WR sinyali aktif hale getirilir. Bu sırada yazılacak veride bir değişiklik olmaz ve son olarak bu veri seçilmiş olan hücreye yazılır. Bir verinin hafızaya yazılabilmesi için gereken minimum süreye tw, WR darbesini üreten mikroişlemci uymak zorundadır. 67

68 BELLEK YAPILARI Tek seviyeli kod çözümü / 2 boyutlu bellek yapısı İki seviyeli kod çözümü / 3 boyutlu bellek yapısı 68

69 BELLEKLERDE İLETKENLERİN PAYLAŞIMI Mikroişlemcili kontrol devrelerinde bazı iletkenler yada yollar (Adres yolu, veri yolu) ortak paylaşımlı kullanılır. Örneğin 8 bitlik veri yolu olan bir sistemde veri yolunun D0 iletkenine birden fazla belleğin ilgili çıkışı paralel bağlı olabilir. Bu durumda sadece bir belleğin yolu kullanabilmesi için diğer belleklerin elektriksel bağlantısının kesilmesi gerekir. Bu işlem üç konumlu çıkışlı devrelerle (Tristate) gerçekleştirilir. Üç konumlu devrede lojik '0' ve lojik '1' den başka Yüksek Dirençli çıkış konumu vardır. Bu durumda çıkışın bağlı olduğu iletkene olan bağlantısı kesilmiş gibi kabul edilir. EN girişinin lojik '0' olması halinde VE kapısının çıkışı lojik 0 ve (NAND) kapısının çıkışı ise lojik '1' olacağından her iki transistör kesimde olur. Dolayısıyla Y noktası hem Vcc ve hemde nötr ucuyla elektriksel olarak bağlantısı yok, kopuk demektir, yani Y çıkışı Yüksek Dirençli konum özelliği gösterir. EN girişi lojik '1' olması durumunda X girişine lojik '1' uygulanırsa Y çıkışı, T1 transistörü iletimde olduğundan lojik '0' olur. X girişine lojik '0' uygulanırsa (NAND) kapı çıkışı lojik 0 olur ve T2 PNP transistörü iletimde ve T1 transistörü kesimde olduğundan Y çıkışı lojik '1' olur. 69

70 BELLEKLERDE İLETKENLERİN PAYLAŞIMI Üç konumlu çıkışların kullanıldığı devrelere örnek olarak şekildeki basit devre verilmiştir. Bir başka uygulama alanı ise mikroişlemcili denetim sistemlerinde veri yoluna bellek(ler) ve giriş çıkış portlarının bağlı olduğu donanımsal devrelerdir. Şekildeki devreden görüldüğü gibi D0 iletkenine üç adet lojik kapının çıkışı paralel bağlanmıştır. Devredeki lojik kapılar üç konumlu çıkışa sahiptir. Hangi kapının E girişine lojik '1' uygulanırsa yol o kapıya ayrılmıştır. İlgili kapının dışındaki lojik kapıların çıkışları yüksek dirençli konumda olmak zorundadır. Diğer kapıları D0 iletkeninden ayırmak yada etkisiz hale getirmek için kapının E kontrol girişine lojik '0' uygulamak yeterlidir. 70

71 BELLEK HARİTASI Aşağıdaki temel kavramların bilinmesine gereksinim vardır Kullanılan mikroişlemcinin adres yolu genişliği ve veri yolu genişliği, İşlemcinin yürütmeye başlama adresi, İşlemcinin hafıza birimleriyle haberleşmede kullandığı yol kontrol sinyalleri Bir mikroişlemcinin sağladığı adres bitlerinin sayısı, işlemcinin doğrudan adresleyebileceği hafıza hücrelerinin sayısını, diğer bir değişle hafıza adres alanını veya kapasitesini belirtir. Bir işlemciye ait hafıza alanının bir şekilde gösterilmesine hafıza haritası (memory map) denir. Bu harita şekli üzerinde, mikroişlemcili sistemin kullandığı veya kullanabileceği hafıza modüllerinin sınırları gösterilir. Bu alan içerisinde, değişik hafıza birimlerinin yanısıra, I/O birimleri de bulunur. 71

72 BELLEK HARİTASI bit adres yoluna sahip bir işlemcinin hafıza haritası

73 BELLEK ORGANİZASYONU TASARIMINDAKİ ADIMLAR Hafıza için kullanılacak belleklerin türleri (Ram, Rom, Eprom, vs.) belirlenir. Hafıza için kullanılacak belleklerin kapasiteleri (1kB, 2kB, vs.) belirlenir. Başlangıç adresi belirlenir. Başlangıç adresi ve bellek kapasitelerine göre belleklerin sınırlarını belirleyecek TABLO hazırlanır. Tablo içerisinde her bir bellek biriminin başlangıç ve bitiş adresleri, her bir adresin 2 li, 16 lı ve 10 lu sayı sistemindeki karşılıkları bulunmalıdır. Hazırlanan tablo üzerinde belleklerin ortak adresi ve ortak olmayan adresler işaretlenir. Ortak adresler adres yolunu ifade eder. Ortak olmayan adresler ve adres sınırları incelenerek hangi belleğin hangi zaman devreye gireceğini belirten kod çözücü tasarlanır. Son olarak bellekler blok diyagram olarak gösterilir. 73

74 BELLEK ORGANİZASYONU Örnek : 16-Bit adres yolu ve 8-bit veri yolu olan sistemde bellek kapasitesini hesaplayınız. Örnek : 16-Bit adres yolu ve 8-bit veri yolu olan bir bellek kapasitesini 16 kbyte'lık RAM tipi bellek kullanılarak eşit kapasiteye ayıran ve kontrol eden düzeneğin blok diyagramını ve devresini çiziniz. Bellek tasarımı için gerekli tabloyu oluşturunuz. 74

75 BELLEK ORGANİZASYONU 75

76 ADRESS MEMORY (ADMEM) SİNYALİ Okuma ve yazma işleminin daha emniyetli olması için mikro işlemci tarafından gelen Adres Memory (~ADMEM) sinyali kontrol kısmına ilave edilir. Şekildeki devrede adres kapasitesini iki katına çıkarmak için hangi sinyallerin nasıl bağlanması gerektiği gösterilmiştir. Ortak adres sinyalleri her iki entegre devresi için tamamen aynı olduğundan ve bellek içi adreslerin seçimi için ortak kullanıldığından belleklere erişim için A7 adres sinyali seçici olarak kullanılmıştır. Mikro işlemci tarafından gönderilen ADMEM sinyalinin lojik '0' olması adres yolundaki bilgilerin (verilerin) geçerli bilgiler olduğu anlamına gelir. Aksi halde adres yolundaki veriler belirsiz bilgilerdir. 76

77 VERİ YOLU KAPASİTESİNİN ARTTIRILMASI Şekildeki devrede veri yolu kapasitesini artırmak için kontrol sinyallerinin her iki entegre devresine paralel bağlandığı görülmektedir. 77

78 BELLEK ORGANİZASYONU Örnek 1 : 6800 μ-işlemcili sistemde tasarlanacak devre için kullanılacak bellek entegre devrelerinin kapasitesi ve sıralaması 2 kbyte EPROM, 8 kbyte EPROM, 4 kbyte RAM şeklindedir. Tasarlanacak bellek yapısı için başlangıç adresi 8000H olarak belirlenmiş ve yukarıda verilen bellek sıralamasına göre tabloyu oluşturunuz. Blok devreyi, gerekli sinyalleri belirterek çiziniz. 78

79 BELLEK ORGANİZASYONU 79

80 BELLEK ORGANİZASYONU Örnek 2 : 16-Bit adres yolu ve 8-bit veri yolu olan mikroişlemcili bir sistemde bellek entegre devrelerinin kapasitesi ve sıralaması 4 kbyte EPROM, 2 kbyte EPROM, 8 kbyte RAM ve 2 kbyte RAM şeklindedir. Tasarlanacak bellek yapısı için başlangıç adresi 4000H olarak belirlenmiştir. Yukarıda verilen bellek sıralamasına göre tabloyu oluşturunuz. Blok devreyi, gerekli sinyalleri belirterek çiziniz. 80

81 BELLEK ORGANİZASYONU 81

82 BELLEK ORGANİZASYONU Örnek 3 : 6800 μ-işlemcili sistemde tasarlanacak devre için kullanılacak bellek entegre devrelerinin kapasitesi ve sıralaması 16 kbyte RAM, 32 kbyte EPROM, 16 kbyte RAM şeklindedir. Tasarlanacak bellek yapısı için başlangıç adresi 10000H olarak belirlenmiş ve yukarıda verilen bellek sıralamasına göre tabloyu oluşturunuz. Blok devreyi, gerekli sinyalleri belirterek çiziniz. 82

83 BELLEK ORGANİZASYONU 83

84 EPROM UYGULAMASI Örnek 4 : Veri yolu 8 bit olan bir 27C16 EPROM kullanarak adınızı ve soyadınızı aralarında bir karakter boş bırakarak ortak katodlu display e yazdırınız. Devrede bir adet display kullanılacaktır. a) EPROM a yazılacak bilgiyi belirleyiniz. Tablo halinde yazınız. b) İlgili bilgi için kaç adres kullanılmalıdır. c) Devre için tasarlanacak devre hangi sayı aralığında saymalıdır, belirleyiniz. d) Gerekli devrenin blok diyagramını çiziniz. 84

85 EPROM UYGULAMASI Ödev : Bir önceki örnekte verilen bilgiler ışığında ; a) EPROM a yazılacak bilgi en az adres kullanılarak yazılmak istense en az kaç adres kullanmak gerekir? b) Devre en az adres kullanılarak tasarlandığında tasarlanacak sayıcı hangi rakamları saymalıdır? c) Gerekli devrenin blok diyagramını çiziniz. 85

86 86 MİKROİŞLEMCİLER

87 Mikroişlemci (Mikroprocessor) Nedir? Merkezi İşlem Birimi, (CPU Central Processing Unit) olarak adlandırılır. Bilgisayar programının yapmak istediği işlemleri yürütür. CPU belleğinde bulunan komutları sıra ile işler. Bu işlemler; a) Komutun bellekten alınması (Fetch), b) İşlem kodunun çözülmesi (Decode) ve işlemin yerine getirilmesi, c) Uygulama (Execute), d) İşlemi tamamlama (Comlete Process) gibi aşamaları gerektirir. Bazı komutlar işlem sonucunun W ya da file register ine yazma süreci olarak düşünülmüştür, bazı komutlarda ise işlem tamamlama süreci yoktur. 87

88 Mikroişlemci (Mikroprocessor) Nedir? Merkezi İşlem Birimi (CPU) kişisel bilgisayarlarda (PC Personel Computer) kullanıldıkları gibi, sanayi tezgahları, ev aletleri gibi birçok alanda da kullanılırlar. Ancak mikroişlemciler tek başına çalışamazlar. İşlem yapabilmeleri için gereksinim duydukları bazı ek (donanım) elemanlar vardır. Bu elemanlar temel olarak ; 1 ) Giriş ( Input ) Birimi 2 ) Çıkış (Output ) Birimi 3 ) Bellek (Memory ) Birimi dir. Bu üç birim CPU dışında olduğundan aralarındaki iletişimi veri yolu (Data Bus) ve adres yolu (Address Bus) ile Kontrol Hatları (Control Lines) denilen lojik iletim hatları sağlar. Intel, AMD, Cyrix mikroişlemci üreticilerinden bazılarıdır. Günümüzde mikroişlemcilerin sadece kişisel bilgisayarlarda (PC) lerde kullanıldığını söylersek pek yanlış olmaz. Kontrol işlemlerinde, sanayide yukarıda sözü edilen ek elemanları da içinde bulunduran mikrodenetleyiciler (mikrocontroller) tercih edilmektedir. 88

89 Mikrodenetleyici (Mikrocontroller) Nedir? Bir bilgisayar içinde bulunması gereken bellek, Giriş/Çıkış birimi gibi elemanların CPU ile birlikte tek bir entegre (chip) içerisinde üretilmiş haline Mikrodenetleyici denir. Böylece hem yer tasarrufu yapılıp maliyet düşürülürken hem de tasarım kolaylaştırılmış ve programlama işlemi basitleştirilmiş olur. Günümüzde mikrodenetleyiciler otomobillerden kameralara, cep telefonlarından oyuncaklara kadar sayılamayacak alanlarda kullanılmaktadır. Mikrodenetleyiciler birçok firma tarafından üretilmektedir. Microchip, Intel, Motorola, SGS Thomson, Hitachi gibi Her üreticinin en az birkaç mikrodenetleyicisi vardır. Mesela; Microchip 12C508, 16C84, 16F84 ve 16F877 gibi farklı mikrodenetleyicilere sahiptir ve neredeyse aynı komutlarla programlanırlar. Mikrodenetleyici adlarında bulunan harfler aynı aile içinde farklı özelliklere sahip (bellek yapısı ve miktarı, hız gibi) elemanları ifade eder. Bir uygulama yapmadan önce hangi firmanın, hangi numaralı mikrodenetleyicisinin kullanılacağı tespit edilmelidir. Bunun için KATALOG (Data sheet) adı verilen kaynaklardan ya da internetteki ilgili sitelerden faydalanılır. 89

90 Mikrodenetleyiciler Bir Mikrodenetleyici İçinde Bulunabilen Bazı Özellikler: 1 ) Programlanabilir Dijital Giriş / Çıkış ( I / O ) 2 ) Programlanabilir Analog Giriş (AI) 3 ) Seri Giriş Çıkış (Serial Port) 4) Evrensel Seri Giriş Çıkış (USB Port) 5) Yakalama Karşılaştırma - Darbe genişlik modulasyonu işareti çıkışı (CCP Module) 6) Motor Darbe genişlik modulasyonu işareti çıkışı (MPWM) 7 ) Harici bellek bağlanabilme 8) Dahili bellek seçenekleri ( ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash gibi ) 9) Kesme, Zamanlayıcı ve Sayıcı MİKRODENETLEYİCİ SEÇİMİ Mikrodenetleyici seçerken öncelikle uygulama ihtiyacının tamamının karşılamasına, daha sonra da fiyatına bakılır. Ayrıca yazılım ( program ) desteğinin/araçlarının (derleyici, simulatör, emulatör v.s.) bulunup bulunmadığına dikkat edilir. Piyasada - internette bol miktarda uygulama programlarının bulunabilmesi de örnek olması açısından faydalıdır. Sayılan özellikler göz önüne alınırsa, günümüzde Microchip firması tarafından üretilen kısaca PIC olarak ifade edilen mikrodenetleyicilerin kullanılması oldukça avantajlı gözükmektedir. PIC ingilizce de (Peripheral Interface Controller) Çevresel Arayüz Denetleyicisi anlamını taşıyan kelimelerin baş harflerinden oluşmuştur. 90

91 Mikrodenetleyiciler PIC Mikrodenetleyicilerin Diğer Bazı Avantajları : 1 ) Destek Yazılımları internetten ücretsiz sağlanır. 2 ) Çok yaygın ve ucuzdur. Hem profesyonel hem de amatör kullanıma uygundur. 3) İnternette ve kitap/dergilerde çok sayıda örnek programlar vardır. 4) Çok az ve basit birkaç eleman ile ( direnç, kondansatör ) donanımları kurulabilir. 5) Komut sayısı az ve basittir. 6) Daha üst seviye diller için (PIC C, PicBasic, MicroC, MikroPascal, Hitech C gibi) Derleyiciler e (compiler) sahiptir. 7) Az sayıda ve basit komutlarla programlanma yapılmaktadır. PIC 16F84 ve PIC 16F877 Mikrodenetleyicileri: Laboratuarda incelenecek setlerde PIC16F877 bulunmasına rağmen temel ve basit birçok PIC in özelliklerini içeren PIC16F84 ün incelenmesi başlangıç için daha yararlı olacaktır. Her iki mikro denetleyicisinde program bellekleri FLASH ( EEPROM ) bellektir. Ve elektrik kesilse bile içlerinde yazılmış program silinmemektedir. Yeni başlayanlar ve araştırma yapanlar için kolayca yazılıp silinebilen özelliğe sahip olan Flash Bellekli PIC ler bu açıdan da büyük kolaylık sağlamaktadır. Program belleği EPROM olanlar da yazılıp silinse de bu tiplerin içindeki programı silmek için üzerinde bulunan penceresinden dakika UV (Ultra Viole) ışını uygulamak gerekir. PIC16F84 için öğrenilenler önemli oranda PIC 16 / 17 ailesinin tamamı için de geçerlidir. 91

92 Mikrodenetleyiciler Bir PIC Programlamak İçin Gerekenler: 1) Bir PC ( Kişisel Bilgisayar ) 2) Bir metin editörü ( Not defteri gibi ) kullanma 3) PIC Assembler programı ( MPASM, MPLAB gibi ) 4) Geliştirilen programı PIC entegresine yüklemek (programlamak) için gerekli donanım ve yazılım 5) Kullanılacak PIC mikro denetleyicisi 6) Programlamadan sonra çalıştırmak için güç kaynağı, birkaç elektronik eleman, breadboard (deneme kartı), ölçü aletine sahip olmak gerekir. ASSEMBLER PROGRAMI Programlar (Kaynak Dosya) PIC16F84 ve 16F877 ye ait ve 35 komuttan oluşan assembly programlama dili ile yazılacaktır. Basit bir metin editöründe (not defteri gibi) yazılacak olan bu program (*.asm uzantılı metin dosyası ) PIC in çalıştırabileceği hale dönüştürülmelidir (derlenmelidir). Bu işlem PIC için en basit olarak MPASM denilen bir Assembler programı ile yapılmakta ve sonuçta (*.hex ) uzantılı ve (yürütülebilen) icra edilebilir (Makine dili, kodu) denilen dosya elde edilmektedir. Bu program artık PIC e yüklenmeye (kaydedilmeye) hazırdır. MPASM programının kullanılışı basit olan DOS sürümleri de vardır. Eğer derleme sonrasında MPASM hata mesajları vermişse bunların (*.asm ) kaynak dosyası üzerinde düzeltilmesi ve tekrar derlenmesi gerekir. MPLAB da benzer işi görmekle birlikte bazı kullanışlı ilave özellikler içermektedir. 92

93 Mikrodenetleyiciler PROGRAMLAYICI DONANIMI VE YAZILIMI Makine diline çevrilmiş icra edilebilir programın (*.HEX uzantılı dosya ) PIC e yüklenmesi için bir Programlayıcıya ihtiyaç vardır. Piyasada özel bir mikro denetleyiciyi yada ailesini programlayan programlayıcılar bulunduğu gibi her tür mikrodenetleyici ve belleği programlayan Universal Programlayıcılar da vardır. MPASM tarafından derlenerek makine diline çevrilmiş *.hex uzantılı dosyanın PIC e yazılması için programlayıcı ile birlikte bir de bilgi aktarma yazılımına da ihtiyaç vardır. Her programlayıcının kendine has yazılımı bulunmaktadır. PROGRAMLANMIŞ PIC İN DENENMESİ İlk deneme için bir breadboard (delikli deneme kartı) üzerinde fazla zaman harcamadan PIC e ve osilatör devresine bağlanması gereken birkaç direnç, kondansatör ve kristal gibi elemanlardan faydalanmak mümkündür. Çıkışları gözlemek için ise LED veya gösterge (Display) kullanmak uygun olacaktır. Eğer devre doğru kurulmuş ve beslenmiş ise programın çalışmaması halinde hataların incelenmesi ve programın assembly dili üzerinde düzeltildikten sonra yeniden derlenip PIC e yüklenmesi gerekir. 93

94 Mikrodenetleyiciler PIC MİKRODENETLEYİCİLER TÜRLERİ VE ÖZELLİKLERİ Microchip firması tarafından üretilen farklı PIC grupları (aileler) vardır. Bu aile isimleri verilirken kelime uzunluğu (word length) dikkate alınmıştır. Aslında tüm PIC mikro denetleyicilerde dışardan veri alırken yada dışarıya veri gönderirken 8 bitlik veri yolu kullanılır. Ancak program yazılırken aynı komutlar kullanılmasına rağmen bu komutların makine dili (hex) karşılıkları farklı kelime boylarında olabilir. Meselâ; PIC 16C5X ailesi 12 bit kelime uzunluğu PIC 16CXXX ailesi 14 bit kelime uzunluğu PIC 16F87X ailesi 14 bit kelime uzunluğu PIC 17CXXX ailesi 16 bit kelime uzunluğu PIC 12CXXX ailesi 12 / 14 kelime uzunluğu dspic30f401x ailesi 24 bit kelime uzunluğuna sahiptir. Programlayıcı, kelime uzunluğu ile fazla ilgilenmemektedir. Önemli olan seçilen PIC in komutlarını, kullanım kural ve özelliklerini bilmektir. Bu özelliklerden kasıt, PIC in bellek tipi ve miktarı, giriş/çıkış (I/O) portu (ucu) sayısı, analog giriş kabul edip etmemesi v.s. gibi özelliklerdir. Bu bilgiler kataloglardan elde edilmektedir. 94

95 Bir PIC içerisinde iki tür bellek bulunur ; Mikrodenetleyiciler 1) Program belleği : EPROM, EEPROM v.b. gibi bellek türlerinden birine sahiptir. 2) Veri (Data) Belleği : Bu bellek genellikle RAM türü geçici bilgi depolama alanıdır. (EEPROM belleğinin de veri saklama amaçlı kullanılan kısmı olsa da kullanmak için daha ileri programlama bilgisi gerektirmektedir.) Dosya (file) registerleri de (W, STATUS, TRISA gibi) RAM belleğinde yer alır. Elektrik kesildiğinde bu registerlerde bulunan veriler silinir. Bir başka ifadeyle, bir PIC mikro denetleyicinin Program ve Veri belleği olmak üzere iki ayrı bölümden oluşur. Ayrıca PIC lerdeki BUS yapısı, PIC lerin RISC (Reduced Instruction Set Computer) işlemci olarak tanıtılmasına, dolayısıyla komut sayısının az ve mikroişlemcilere göre hızlarının fazla olmasına neden olur. Farklı özelliklerde Program belleklerine sahip PIC ler mevcuttur. Bunlar : EPROM: Bellek hücrelerine uygun elektrik işaretleri ile (genellikle besleme geriliminin üzerinde bir gerilimde) kayıt yapılır. Elektrik kesilse de program kalır. Silmek ve yenisini yazmak için ultraviole (UV) ışınının belirli bir süre penceresinden uygulanması lazımdır. 95

96 Mikrodenetleyiciler İki tipi vardır: 1 ) Pencereli ( UV ışını ile ) Silinebilir Tip 2 ) Penceresiz Silinemeyen Tip ( OTP: One-Time Programmable) Silinmemesi için pencereli olanlar ışık geçirmeyen bantla kapatılır. OTP ler silinemezler, ancak fazla miktarda üretildiklerinde birim maliyetleri daha düşüktür. Örn: 16C74 pencereli EPROM tipi bir PIC dir. EEPROM ( FLASH): UV ışınına gerek kalmadan elektriksel olarak silinebilir tiptir. Uygulama geliştirme ( deneme ) maksadına elverişlidir. Dezavantajı belleğe erişim (okuma/yazma) hızları EPROM lara göre düşüktür. Örn: 16CB84, 16F84 bu tip belleğe sahiptir. ROM: Sadece okunabilir bellek olarak bilinir. Bu tip program bellekleri fabrikasyon olarak bir kere yazılırlar ve ucuzdurlar. Ancak çok sayıda programlanmışlarsa ve programda hata olduğu sonradan anlaşılırsa üretilen entegrelerin atılması gerekir. Örn: PIC 16CR62, 16CR84 gibi. 96

97 Bazı Mikrodenetleyiciler ve Özellikleri 97

98 16F84A Blok Diyagramı 98

99 Mikrodenetleyiciler PIC16F84 de Program Belleği: 16F877 den önce kendimize basit bir örnek olarak seçtiğimiz 16F84 ün 1KByte lık program belleği vardır. Her bir bellek hücresi içerisine 14 bit uzunluğundaki program komutları saklanır. Bunların her birine Komut Kelimesi denir. Program belleği Flash (EEPROM) tipte olup program çalışması esnasında sadece okunabilir. Program belleğinde sadece assembly komutlarının heksadesimal (hex) karşılıkları saklanır (PIC 16F84 için 14 bit ). Yukarıdaki bellek haritasında son adresin (1023)10 olma sebebi ilk adresin sıfırdan (0x000) başlamasıdır. İlk adres (0x001)den başlarsa son adres ( 1024 )10 olacaktır. Ancak toplam adres ( 210 = 1024 ) adettir. 99

100 16F84 için Register Haritası Mikrodenetleyiciler Başlangıç için örnek aldığımız PIC16F84 ün (0x00 0x4F) adres aralığında toplam (50 ) 16 = (80) 10 adet 8 bit uzunluğunda veri bellek (RAM) adresi vardır. Bunların bir kısmı Özel File Registerleri denilen ve yine 8 bit uzunluğunda olan lojik bilgi saklayıcı/kaydedicilere ayrılmıştır. Bu File Registerleri dışında kalan bellek alanları normal veriler için bellek olarak kullanılabilir. Mesela = 8 işlemi için 5, 3 ve 8 sayıları (verileri) buraya saklanabilir. Bu bilgiler 8 bit uzunluğunda olduğu için 05, 03 ve 08 şeklinde bellekte yer alırlar. [NOT: 0x kendinden sonra gelen sayının heksadesimal olduğunu belirtir, örn: 0x4F = (4F)16 aynı sayılardır.] 100

101 16F84 için Register Haritası Mikrodenetleyiciler PIC 16F84 ün RAM belleği 2 sayfadan (Bank, kısım) meydana gelir: Bank 0 a ait adresler 0x00 0x4F Bank 1 e ait adresler 0x80 0xCF adres aralığındadır. Register haritasına bakılırsa bazı file registerleri her iki bankta ortak olduğu görülür. Dolayısıyla bu regis terlere her iki bankta iken erişilebilir. Örn: PCL, STATUS, FSR gibi PIC16F84 için Bank1 de 0x00 ile 0x0B arası özel fonksiyon registerlerine ayrılmıştır. Benzer şekilde Bank2 için 0x80 0x8B arası da yine özel fonksiyon registerlerine tahsis edilmiştir. Ayrıca 0x0C - 0x4F adres aralığı ile 0x8C - 0xCF adres aralığındaki genel veri alanları birbirlerinin kopyasıdır. Yani, örneğin 0x1B adresi ile 0x9B adresleri gerçekte aynı verileri içermektedir (Ayna Özelliği). Bir başka ifadeyle burada otomatik kopyalama işlemi söz konusudur. Bu sebeple veriyi birine yazıp diğerinden okumak mümkündür. Bir Bank ı ( Bank 0 veya Bank 1 ) kullanabilmek için o Bank a geçmek gerekir. Bu değiştirme işlemi programlama sırasında incelenecektir. Bazı sık kullanılan registerler (STATUS gibi) her iki bankta 101 da bulunduğundan bunlar için bank değiştirmek gereksizdir.

102 Özel Bir Register (W: Akümülatör ) Mikrodenetleyiciler PIC16F84 de Register haritasında görülmemesine rağmen sık kullanılan ve Geçici Depolama Registeri de denebilecek bir registerdir. Diğer File Registerlerinden veri okur yada yazarken bu aktarma registerinden faydalanılır. Ayrıca tüm aritmetik işlemler ve bazı atama işlemleri için W (working) registeri kullanmak şarttır. Meselâ; iki register içindeki verileri toplamak istersek bunlardan birinin W de kaydedilmiş olması gerekir. (05) ile (03) ü toplamak için (05) i örn. PORTA ya, (03) ü de W ye yazmak gerekir. 102

103 Mikrodenetleyicilerin Bacak (Pin) Yapıları 16F84A Çalışma Gerilim Aralığı : 2V 5.5V Sink Akımı : 25mA / pin Souce Akımı : 25mA / pin 16F628 Çalışma Gerilim Aralığı : 3V 5.5V Sink Akımı : 25mA / pin Souce Akımı : 25mA / pin 103

104 Mikrodenetleyiciler Sink Akımı : +5 volt beslemeden portun içine doğru akan akımdır. Bu durumda porttan içeri maksimum akacak akım 25 ma dir. Daha fazla akıtılan akım PIC in bozulmasına sebep olabilir. Source Akımı : Port çıkışından toprağa akan akımdır. Bu durumda maksimum akacak akım 20 ma dir. 104

105 Mikrodenetleyiciler OSİLATÖR ( SAAT / CLOCK ) DEVRESİ PIC in program belleğinde bulunan komutların çalışması kare dalga ( clock sinyali ) ile olur. OSC1 denilen 16 nolu PIC16F84 bacağı kare dalganın uygulandığı uçtur. Bacak yapısı görünüşünde CLKIN olarak ifade edilmiştir. Dışarıdan buraya uygulanacak kare dalga OSC2/CLK OUT dan dörde bölünmüş olarak ( f/4) dışarı alınabilir. PIC 16F84 de en çok kullanılan osilatör tipleri : 1 ) RC Tipi ( Direnç / Kondansatör ) 2 ) XT Tipi ( Kristal veya Seramik Rezonatör ) 3 ) HS Tipi ( Yüksek Hızlı Kristal / Seramik Rezonatör ) 4 ) LP Tipi ( Düşük Frekanslı Kristal ) 5) INTRC (Dahili RC Rezonatör) (16F628) Osilatör tipi komut olarak veya programlama esnasında belirtilmelidir. 105