BİLGİSAYAR MİMARİSİ. Bilgisayar Bileşenleri Ve Programların Yürütülmesi. Özer Çelik Matematik-Bilgisayar Bölümü

Transkript

1 BİLGİSAYAR MİMARİSİ Bilgisayar Bileşenleri Ve Programların Yürütülmesi Özer Çelik Matematik-Bilgisayar Bölümü

2 Program Kavramı Bilgisayardan istenilen işlerin gerçekleştirilebilmesi için gereken işlem dizisi bilgisayarın içinde saklanabilmektedir. İstenilen bir işi yerine getiren işlemlerin listesine program denir. Programlar bilgisayarın içinde saklanırlar. Program kavramının iki avantajı vardır; Birincisi işlemler için gereken zaman kullanıcıya bağlı değildir. İkincisi sadece veriler girilerek aynı işlemler tekrar tekrar yaptırılabilir.

3 Von-Neuman mimarisi Program ve data bellek bölgesine yüklenmiş, daha sonra bilgisayarın komutlarını bellekten okuması sağlanmıştır. Bir program girilecekse veya değiştirilecekse bellekte gerekli değişikliğin yapılması yeterli olacaktır. Bu fikir depolanmış program (stored program) konsepti olarak bilinir. Bu model günümüz bilgisayarlarında baskındır. Ardışıl şekilde komut işleme yeteneğine sahiptir. Ana bellek ve CPU nun kontrol ünitesi arasında tek bir yol içerir. Von-Neuman mimarisi için dezavantajdır.

4 Von-Neuman mimari yapısı Veri ve talimatları saklayan bir ana bellek İkilik kodlanmış üzerinde işlem yapabilme yeteneğine sahip bir Aritmetik Mantı Birimi (ALU) Ana bellekteki talimatları yorumlayarak çalıştırılmasını sağlayan bir Kontrol Birimi Kontrol birimi tarafından çalıştırılan Giriş ve Çıkış (I/O) birimleri

5 Bileşenleri Kontrol birimi ve aritmetik mantık birimi birlikte merkezi işlem birimini (CPU) meydana getirirler. Veri ve talimatların sistem içerisine getirilmesine ve işlendikten sonra sonuçların geri dönülmesine ihtiyaç vardır: Giriş/Çıkış (Input/output) Program kodlarının (talimatların makine kodu) geçici olarak saklanacağı bir saklama alanına ihtiyaç vardır Ana Bellek (Main memory)

6 Von Neumann Mimarisi Genel Çalışma Yapısı Kontrol ünitesi PC (program counter) aracılığıyla bir sonraki komutu alır. Komut ALU nun anlayabileceği bir dile çevrilir. Operand söz konusu ise bellekten CPU registerlerine alınır. ALU komutu işletir ve sonucu registera ya da belleğe koyar.

7 Von Neumann Mimarisi Sistem Yolu Kavramı Bu yapı genişletilerek, program ve verilerin işletiminin öncesinde disk ortamından, ana bellek ortamına aktarılması sağlanmıştır. Ayrıca verimliliği arttırmak için sistem sistem yolu modeli geliştirilmiştir. Adres kontrol ve data yollarından oluşur.

8 MİB (CPU) Bileşenleri Aritmetik Mantık birimi (ALU) Tümleyici Toplayıcı Kaydırıcı Kontrol Birimi Donanımsal/Programsal Geçici saklama (kısa süreli) Genel amaçlı kaydediciler Özel amaçlı kaydediciler

9 MİB (CPU) Bileşenleri ALU Kontrol Birimi Kaydediciler (Registers) Genel ve Özel amaçlı kaydeciler (yazaç,register) Ara veri depolama konumudur

10 Merkezi İşlem Birimi İç Yapısı İç merkezi işlem birimi yolu, ALU ve kaydediciler arasında veri taşınmasında Merkezi İşlem Birimi İç Yapısı kullanılır.

11 Kaydedici Organizasyonu Kaydediciler bellek hiyerarşisinde en üst seviye düzeydedirler. Az sayıda fakat yüksek hızda saklama alanlarıdır. Veri ve kontrol bilgileri (talimatlar) için geçici saklama alanlarıdır. İki kategoride toplanırlar: Genel amaçlı (Kullanıcı görünür) Assembly programlama seviyesinde, talimatlar sayesinde kullanıcıya kullanma imkanı verilen kaydediciler. Özel amaçlı (Kontrol ve durum) MİB in işleyişini kontrol etmek için kullanılırlar. Çoğu kullanıcıya görünür değildir. Kullanıcı tarafından programlamada doğrudan kullanılmaz.

12 Kullanıcı Görünür Kaydediciler Genel Amaçlı Kaydediciler Farklı işlevleri yerine getirmek amacıyla kullanılabilirler. Gerçekleştirecekleri işlemler talimat içinde tanımlanmıştır. Adresleme fonksiyonu için de kullanılabilirler. Veri Kaydedicileri Verileri tutarlar. Adres bilgisi hesaplamasında kullanılmaz Örnek: Accumulator Adres Kaydedicileri Adres bilgisini tutarlar. Örnekler: genel amaçlı adres kaydedicileri, segment göstericiler, stack göstericiler, index kaydedicileri.

13 Kullanıcı Görünür Kaydediciler Durum kodları veya Bayraklar (Flags) Gerçekleştirilen işlem sonucuna bağlı olarak işlemci tarafından ayarlanan bit kümesidir. Program tarafından erişilebilir fakat doğrudan değiştirilemez. Örnekler: İşaret bayrağı (sign flag) Sıfır bayrağı (zero flag) Taşma bayrağı (overflow flag) Bit değerleri, bir koşula bağlı olarak programı yönlendiren talimatlar içinde kullanılırlar. (Jump, Call v.b komutlar)

14 Aritmetik İşlemler Sonucu Etkilenen Bayraklar ALU nun aritmetik ve mantık sonucunu yansıtan çeşitli bayraklar bulunmaktadır. Gerekli bayraklar: Sıfır bayrağı (Zero flag) : ALU işlem sonucu 0 (sıfır) ise 1 olur. İşaret bayrağı (Sign flag) : ALU işlem sonucu negatif ise 1 olur. Taşma bayrağı(carry flag) : ALU işlem sonucu sayı değeri aralık dışında ise 1 olur. Yardımcı taşma bayrak (Auxillary flag) : ALU işlem sonucu dörtlü (nible) içindeki sayı değeri aralık dışında ise 1 (9 dan büyükse) Parite bayrağı (Parity flag) : ALU işlem sonucunda sayıdaki birlerin sayısının tek veya çift sayı olmasına bağlı olarak değişir.

15 Kuş bakışı

16 Genel ve Özel Amaçlı Kaydediciler Genel amaçlı kaydediciler talimatların tasarımında oldukça büyük esneklik sağlarlar. Özel amaçlı kaydediciler, talimatlar içinde üstü kapalı kaydedici özelliklerinin kullanılmasına imkan verirler. Talimat içindeki kaydedici alan büyüklüğünü azaltırlar. Net bir, en iyi tasarım yaklaşımıdır.

17 Kaç tane Kaydedici yeterlidir? Kaydedici sayısının fazla olması MİB içinde daha fazla işlemin gerçekleştirilmesine imkan sağlar. Böylelikle bellek bant genişliği ihtiyacını düşürür. Kaydedici sayısı artışı talimat kelimesi (makine kodu) içinde kaydedici bilgisinin saklanacağı alan büyüklüğünü arttırır. Çoğu makine 8-64 bitlik kaydedici yapısı kullanırlar.

18 Kaydedici Kelime Büyüklüğü? Adres kaydedicisi en büyük adresi tutacak kadar geniş olmalıdır! Veri kaydedicileri, çok farklı tipteki verileri saklayabilecek büyüklükte olmalıdır. Eğer çoğu gerçekleştirilecek işlem 16 veya 32 bit ise 64-bitlik kaydediciler kullanılmak istenilmez. Bellek veri yolu genişliğine de bağlıdır. Daha büyük biçimdeki veri tipleri için kaydediciler birleştirilebilir olmalıdır.

19 Kontrol ve Durum (Status) Kaydedicileri Bu kaydediciler, komutların getirme (fetching), kod çözme (decoding) ve yürütme (execute) çevrimlerinde kullanılırlar. Çoğu programcıya görünür değildir. Bazıları görünür olmakla birlikte içerikleri kolaylıkla değiştirilemezler.

20 Tipik Kaydediciler

21 Bilgisayar Bileşenleri

22 ALU İşlevsel Birimleri İçerir Aritmetik işlemler: +, -, *, / Mantıksal işlemler (Boolean): OR, AND, NOT, ExOR Karşılaştırma işlemleri: <, >, = Matematiksel ve kayan noktalı işlemler yardımcı işlemciler gerekebilir. RISC (Reduced Instruction Set Computers) Birden fazla işlevsel birim vardır. İşlevsel birimler pipeline mimari kullanılarak gerçekleştirilir.

23 Komut Yapısı ve Komut Seti Komut Seti: Belirli bir merkezi işlem birimine ait farklı tipte talimatların bir araya gelmesinden oluşmuş talimat Komut Yapısı: MİB in işlemi gerçekleştirebilmesi için her talimatın içermesi gereken bilgiler vardır. Bu bilgiler iki ana bileşen içinde toplanır: İşlem kodu - Opcode (Operation code) : gerçekleştirilecek işlemin ne olduğunu tanımlar. İşlenen - Operand : İşlem kodu ile bildirilen işlemin işleyeceği verinin nerede olduğunu gösteren talimat bölümüdür. Kaynak işlenen kaydedici, bellek, G/Ç Sonuç işlenen kaydedici, bellek, G/Ç Bir sonraki komut kontrol sonucu program akışının değişmesi gerektiği durumlarda yürütülecek bir sonraki talimatın adresidir.

24 Komut Çevrimi (Instruction Cycle) Bilgisayarın yerine getirmesi gerek en temel fonksiyon, bellekte yüklü komutlardan oluşan bir kümenin işletimidir. Komutların işlenmesi iki adımda olur: İşlemci komutları birer birer okur (fetch) Herbir komutu sırasıyla yürütülür (execute). Programın işletimi, tekrarlı bir şekilde komutun alınması ve işlenmesi şeklinde olur. Komutların işletimi komutun doğasına bağlı olarak birkaç işlemden oluşabilir.

25 Getirme Çevrimi (Fetch Cycle) Program Sayacı (PC) yürütülecek bir sonraki komutun adresini saklar. İşlemci PC tarafından gösterilen adresteki talimatı ara bellek kaydedicisine getirir. PC içeriği bir arttırılır Aksi söylenmediği müddetçe Getirilen Talimat talimat kaydedicisine (IR) kodunun çözülmesi için yüklenir. İşlemci talimatı yorumlar ve işlemi gerçekleştirmek için gerekli adımları yerine getirir. Bu aşama bazen kod çözme çevrimi (decode cycle) olarak da isimlendirilir.

26 Yürütme Çevrimi (Execute Cycle) İşlemci-Bellek Veri transferi MİB ve ana bellek arasında olabilir. İşlemci G/Ç Veri transferi MİB ve G/Ç birimleri arasında olabilir. Veri İşleme Veri üzerinde bazı aritmetik ve mantık işlemleri gerçekleştirilebilir. Kontrol İşlenen talimatların sırasında değişiklik yapılabilir. Jump, call v.b gibi Yukarıdaki işlemlerin birleşimi

27 Örnek Program İşletimi Komutlar ve data 16 bit uzunlugunda. 4 bit işlem kodu için toplam 16 işlem kodu olabilir. 2^12 = 4K lık bellek doğrudan adreslenebilir MİB Kaydedicileri: PC,I/O ve geçici depolama birimi AC(akümülatör) İşlem kodlarının bir kısmı: 0001 = bellekten akümülatöre yükle 0010= akümülatörden belleğe yükle 0101= sonucu akümülatöre yükle

28 Örnek Program İşletimi Belleğimizde 2 byte lık veriyi tuttuğumuzu düşünelim.(her bellek gözünde) Programımızın da, belleğin 940 ve 941 nolu gözündeki verileri toplanması istensin.ve sonucunun da yine 941 nolu bellek gözünde konulması istensin. PC ninde başlangıçtaki değerinin 300 ayarlandığı düşünülsün. 3 komut nedeniyle 3 getirme ve 3 yürütme çevrimi olacaktır. Aslında MAR ve MBR gerekli fakat bunları basitleştirmek adına önemsemiyoruz.

29 Örnek Program İşletimi

30 Uygulama