Mikroişlemciler. Önsöz

Önsöz Burada mikro işlemciler hakkında genel bir bilgi vermek istiyorum.kullandığımız bilgisayarlarda 286 386 486 ve Pentium gibi işlemcileri hepimiz biliriz.burada onların küçük kardeşleri olan mikroişlemcileri anlatacağım. Günlük hayatımızda farkında olmadan bu mikro işlemcilerden bir çoğu bize hizmet eder. Arabamızın donanımında cep telefonumuzda hesap makinamızda televizyonda müzik setinde ve hatta elektrik sayacımızda daha sayamadığımız bir çok uygulamada kullanılmaktadır. Mikro işlemcileri çevre elemanlarıyla donatınca minyatür bir bilgisayar sistemi olarak kabul edebiliriz. Mikro işlemci teknolojisi çıktığından beri elektronik tasarımı büyük kolaylıklara kavuştu. Ve yeni bir boyut kazandı. Bir çok yerde dev gibi kartlarla yapılabilecek bir işi mikroişlemci kullanarak son derece basitleştirmek mümkündür. Bir tasarımda mikro işlemci kullanmak işi karmaşıklaştırmaz aksine sadeleştirir. Arıza ve test zorluklarını azaltır. Ebat ve üretim maliyetini düşürür. Bu kadar laftan sonra şimdi bir mikroişlemci sisteminde neler olması gerekir ve çalışma mantığı nedir ona bakalım. Bilgisayar programcısı YALÇIN COŞKUN Y.Ccskun www.yalcincoskun.wordpress.com I

İÇİNDEKİLER 1- MİKROİŞLEMCİLER... 1 2- BİLGİSAYARIN TARİHİ GELİŞİMİ. 1 2-1- Mekanik Kuşak. 1 2-2- Elektronik Kuşak 2 2-3- Mikroişlemci Kuşak.. 3 3- MİKROİŞLEMCİNİN TANIMI 6 4- MİKROİŞLEMCİ ÇEŞİTLERİ... 8 4-1- 8 Bit Mikroişlemciler 9 4-2- 16 Bit Mikroişlemciler. 10 4-3- 32 Bit Mikroişlemciler. 11 4-4- 64 Bit Mikroişlemciler. 11 5- INTEL X86 MİMARİSİ... 13 6- INTEL AİLESİNİN GELİŞİMİ. 14 7- INTEL MİKROİŞLEMCİ AİLESİ 18 7-1- Intel 8086 Mikroişlemcisi. 18 7-2- İcra Birimi... 19 7-3- Veri Yolu Bağdaştırma Birimi... 19 7-4- 8086/8087 İletişimi... 20 7-4- Intel 80286 Mikroişlemcisi... 21 7-5- 80286/80287 İletişimi... 24 7-6- Intel 80386 Mikroişlemcisi... 25 7-7- 80386/80387 İletişimi... 27 7-8- Intel 80486 Mikroişlemcisi... 28 7-9- Intel Pentium Mikroişlemcisi... 31 7-10- Intel Pentium Pro Mikroişlemcisi... 34 www.yalcincoskun.wordpress.com II

İÇİNDEKİLER 7-11-Intel Pentium MMX Mikroişlemcisi... 37 7-12-Intel Pentium II Mikroişlemcisi... 39 7-13-Intel Celeron ve Xeon Mikroişlemcisi.. 42 7-14-Intel Pentium III Mikroişlemcisi... 42 7-15-Intel Pentium IV Mikroişlemcisi... 45 7-16-BTB (Branch Target BUFFER). 47 8- AMD TARAFINDAN ÜRETİLEN İŞLEMCİLER 48 9- AMD ATHLON AİLESİ... 49 9-1- AMD Athlon Ailesi Duron Mikroişlemciler... 49 9-2- AMD Athlon MP Mikroişlemciler... 50 9-3- 64 Bit le Neler Değişecek... 50 9-4- Eski ve Yeniyi Birleştirmek... 52 9-5- Hammer Ailesinin Ayrıntılı İncelenmesi... 53 10- DİĞER X86 ÜRETİCİLERİ 54 11-SONUÇ VE DEĞERLENDİRME... 55 www.yalcincoskun.wordpress.com III

www.yalcincoskun.wordpress.com IV

MĠKROĠġLEMCĠLER Adından da anlaşılacağı gibi mikroişlemci, matematiksel işlemleri yapabilen birelektronik yonga (chip) olarak tanımlanabilir. Boyutları çok küçük olmasına rağmeniçerisinde yüz binlerce hatta milyonlarca elektronik devre elemanı bulunduran mikroişlemci, aslında matematiksel işlemleri elektriğin var ya da yok olması temelinden yararlanarak hesaplamaktadır.mikroişlemciler bilgisayar programlarının yapmak istediği bütün işlemleri yerine getirdiği için, çoğu zaman merkezi işlem ünitesi (CPU-Central Processing Unit) olarak da adlandırılır. Kişisel bilgisayarlar, bilgisayarla kontrol edilen sanayi tezgâhları ve elektronik alanında kullanılabilen mikroişlemciler, aslında programlanabilen entegrelerdir. BİLGİSAYAR TARİHİ GELİŞİMİ Mekanik kuşak Elektronik kuşak Mikroişlemci kuşağı Mekanik KuĢak Tarihte ilk hesaplayıcı M.Ö 500de kullanılan ABACUS tür. Önceleri balçıktan yapılmış bir tablet ve içerisinde dizili ufak taşlardan meydana gelirken, sonraları dışı çerçeveli ve içerisinde dizili ufak taşlardan yada boncuklardan oluşan basit bir alet halini almıştır. Abacus, boncukların pozisyonuna göre farklı değerler göstermekte ve hesaplama, boncukların cetvel setine göre hareketiyle sağlanmaktadır. Önceleri Mısır ve Romalılar tarafından kullanılan bu alet zamanla tüm dünyaya yayılmıştır. Şu anda bir benzeri ilk okullarda matematik öğretimi için kullanılmaktadır. M.Ö 876da sıfır için ilk sembol Hindistanda kullanıldı. 1614de yayınlana ilk logaritma tablosu ile büyük sayılar üzerinde işlem yapılmaya başlandı. 1620de İngiliz Edmund Guenter elektrikli hesap makinelerini öncüsü olacak kaydırma kuralını buluyor ve logaritma bilgilerine değerler veren kayan cetvel yapıldı. 1642de Pascal, PASCALINE adı verilen bir mekanik hesaplayıcı dizayn eder. On bölümden oluşan bir çok dişli çarktan oluşuyordu. Her bir çark 10 dönüş yaptığında hemen solundaki çark dönmeye başlar. Bu mantık hala kullanılmaktadır ve tüm mekanik hesaplayıcıların temeli olmaktadır. Bu çalışmalarının anısına yazılan bir programlama dilinin adına PASCAL denmiştir. 1694de Gotfried Leibniz sayıları ikili sistemde gösterebilen bir hesap makinesi yaptı. 1821de fabrika işçisi Ludd işçiye olan ihtiyacı ortadan kaldıran makinelere karşı savaşmak için arkadaşlarını topluyor. O günden sonra teknolojiye karşı olan insanlara Luddite terimi kullanılmaya başlandı. www.yalcincoskun.wordpress.com 1

1822de Babbage adlı matematikçi, fark alma yöntemini kullanan Difference Engine denilen hesaplayıcıyı yaptı. Aynı makineye artarda verilen işlemlerin kendisine verilecek bir işlemler zinciri ile nasıl yapılabilir? Sorusu Babbagea yön vermiştir. 1835de Babbage Analitik Motor adı verilen bir mekanik hesaplayıcı yaptı. 1ila 20 haneye kadar ondalık sayılarla işlem yapabilen ve aritmetik işlemleri peş peşe yapabilme ve karar verebilme kabiliyeti olan bir makinedir. 1854de Gorge Boole elektronik bilgisayarların gelişiminde büyük rol oynayacak olan mantık kuramını geliştirdi. Boolean cebiri denilen bu sistem 0 ve 1 lerden oluşmakta ve mantıksal olarak çalışmaktadır. 1890da Herman Hollerith delikli kartların kullanılarak verilerin işlendiği Hollerith Tabulatör(Listeleyici) tasarladı. ABD nüfus Bürosunun veri hesaplamaları böylece 10 yıldan 2.5 yıla düştü. 1896da Herman Hollerith Computing Tabulating Recording Company isimli bir firma kurdu. Bu firma daha sonra başka iki firma ile birleşerek International Business Machine (IBM) kurdu. Elektronik KuĢak 1941 de Konrad Zuze Z3 isimli elektrik motorları ile çalıştırılan mekanik bir bilgisayar yaptı. Bu (Z1, Z2, Z3 ve Z4 serisi) program kontrollü ilk bilgisayardır. 1943de alan Turing tarafından COLOSSUS denilen özel amaçlı bir elektronik vakum tüpleri kullanan bir bilgisayar geliştirdi. 1944 de Harvard Üniversitesinde ASCC MARK I (Automatic Sequence Controlled Calculator) denilen bir bilgisayar geliştirildi. MARK 1, tamamı elektronik olmayan genel amaçlı bir bilgisayardı. Bu makine 23 haneli iki sayıyı 4.5 saniyede çarpabiliyordu ve 14m uzunluğunda 2.4m yüksekliğinde olup üzerinde 800km uzunluğunda kablo kullanılmıştı. 1946 da Pensilvanya Üniversitesinde ENIAC (Elektronics Numerical Integrator and Calculator) geliştirildi. Anahtar setlerinin, fişlerin ve soketlerin değiştirilmesi esasına göre çalıştığından ilk genel amaçlı bilgisayardır. 70 bin direnç, 10 bin kondansatör, 18000 lamba ve bu elemanların harcadığı 150-200 kilowatt enerji ve sadece 20 sayıyı depolama özelliğine sahipti ve 30 tondu! 1946 de Dr. Von Neumann ve arkadaşları programı bellekte saklayabilen ilk bilgisayar olan EDVAC (Elektronic Discrete Variable Automatic Computer) geliştirdi. 4096 bellek gözü bulunmaktaydı ve veriler ile programlar aynı bellekte saklanmaktaydı. 1948 de ilk transistor Bell lâboratuarlarında geliştirildi. 1951 de UNIVAC 1 adlı ilk ticari amaçlı olan bilgisayar geliştirildi. Bütün komutlar ve veriler 0 ve 1 şeklinde depolandı. 1958 de Entegre devreler geliştirildi. 1960 larda depolama için manyetik çekirdek hücreli bellekler kullanılarak bilgilere doğrudan erişim sağlandı. 1960 ların ortasında IBM sistem 360 bilgisayarı piyasaya sürülüyor. Ayrıca DEC firması da ilk klavye ve fareye sahip PDP-1 makinasını geliştirdi. 1968 de Intel firması kuruldu. www.yalcincoskun.wordpress.com 2

MikroiĢlemci KuĢağı 1971 de ilk mikroişlemci INTEL tarafından çıkarılan 4-bitlik 4004 dür. Belli başlı mikroişlemci üreten firmalar ise; Intel, AMD, Cyrix, AlphaDEC, Hp, Mips, SUN Sparck ve Nexgen dir. Firmalar 4-Bitlik 8-Bitlik 16-Bitlik 32-Bitlik 64-Bitlik Intel 4004 8008 8086 80386DX-80386EX Pentium 4040 8085 8088* 80386SX- Pentium 8080 80286 80486DX/DX2/DX4-Pro PII 80486SX PIII PIV Motorola - 6800 68000 68010 68020-68030 8040-68060- PowerPC Mostek - 6502 Zilog - Z-80 Z8000 Mikro kontrol, tümleşik kontrol devreleri yapıyor. Fairchild - F-8 - - Rockwell - PPS-8 - - AMD - - - K6- K6_3D K7 Cyrix - - - 486SLC-486DLC 5x86I- 6x86I 6x86MXI 4004 ĠĢlemcilerin geliģimi İlk işlemci 4 bitlik 45 komuttan oluşuyor. Teknolojisi: P- kanallı MOSFET Hızı: 50 KIPs (Kilo-instruction per second), oysa ENIAC ın hızı 100000 ips dı. 640 byte adresleme kapasitesi vardı. Eski video oyunlarında, küçük mikroişlemci-tabanlı kontrol sistemlerinde kullanıldı. 4040 4004 ün bir üst versiyonu. 4004 den hızlı, kelime genişliği ve bellek büyüklüğü daha fazlaydı. 8008 4004 ün gelişmiş 8 bitlik versiyonu. 16 Kbyte adresleme kapasitesi var. Eklenmiş komutlarla toplam 48 adet komutu var. www.yalcincoskun.wordpress.com 3

Verilerle işlem yapabilme fakat hala yetersiz. Bir işlem 20 ms ki bu da f = 1/T den 1/20*10-6 = 50,000 ips. 8080 İlk modern 8 bitlik mikroişlemci 8008 den 10 kat daha hızlı. Bir işlem 2 ms ki bu da f = 1/T den 1/2*10-6 = 500,000 ips. TTL (transistör-transistör mantığı) ile uyumlu. 8008 den 4 kat adresleme kapasitesine, 64 K, sahip. MITS Altair 8800 kişisel bilgisayarda (1974) kullanıldı. Bu bilgisayarda Bill Gates tarafından yazılan BASIC yorumlayıcısı ve Digital Research Corporation tarafından yazılan DR-DOS vardı. 8085 1974 de 8080 in bir üst versiyonu olarak çıktı. Intelin son 8-bitlik genel amaçlı mikroişlemcisidir. Bir işlem 1,3 ms ki bu da 769,230 ips. 246 adet komut vardır. İç sistem kontrolcüsü, yüksek saat frekansı ve iç saat üreticisi vardı. 8086 16 bitliktir. Bir işlem 400 ns, 2,5 MIPS(saniyedeki milyon komut) 1 MB adresleme kapasitesi. Bir kaç komut işlemeden önce 4 veya 6 byte komut cachei veya kuyruğu 20,000 adet komut vardır. Mimarisi CISC dir. 8088 8 bitlik veri yoluna sahiptir. Bir işlem 400 ns, 2,5 MIPS(saniyedeki milyon komut) 1 MB adresleme kapasitesi. Bir kaç komut işlemeden önce 4 veya 6 byte komut cachei veya kuyruğu 20,000 adet komut vardır. Mimarisi CISC dir. 1981de IBM kişisel bilgisayarlarında 8088 kullanmaya karar verdi. 80286 16 bitliktir. 8 Mhzde bir işlem 250 ns, 4,0 MIPS(saniyedeki milyon komut) 16 MB adresleme kapasitesi. İlk defa sanal bellek kullanıldı, 1 Gbyte. 8086/8088e göre ek komutları vardı. www.yalcincoskun.wordpress.com 4

80386 Intelin ilk 32 bitlik mikroişlemcisidir. Daha önce ürettiği 32 bitlik iapx_432 başarısız olmuştur. 4 GB adresleme kapasitesi. 80386SX, 16 bit veri yolu, 24 bit adres yoluna sahiptir ve 16 MB adresleme kapasitesine sahiptir. 80386SL/80386SLC, 16 bit veri yolu, 25 bit adres yoluna sahiptir ver 32 MB adresleme kapasitesine sahiptir. 80386SLC işlemlerini daha hızlı yapabileceği iç cachee sahiptir 80386EXde, entegre edilmiş bir devre üzerinde AT sınıfı kişisel bir bilgisayarın elemanlarını topladığından buna Tümleşik PC de denilmektedir. G/Ç verileri için 24 bitlik bir yol, 26 bitlik adres yolu, 16 bit veri yolu, bir DRAM kontrolcüsü ve programlanabilir çip seçme ünitesine sahiptir. Önceki işlemciler bellek yönetimini yazılıma bırakırken 386 buna ayrı bir donanım devresi atayarak yazılımın işini hafifletmiştir. 8086, 8088 ve 80286 ile uyumludur ve 32 bit ile işlem yapabilmek için ek komutlara sahiptir. 80486 80386ya yapı olarak benzemesine rağmen komutları 2 kat hızlı çalıştırır. 4 GB adresleme kapasitesi. 50 Mhz versiyonun arkasından 80486DX2 gelmiş ve 66 Mhz hızındadır, 80486DX4 ise 100 Mhz hızındadır ve 60 Mhz Pentium ile aynı hızda komutları işletir. Önceki 486larda 8 KB cache varken 80486DX4 de 16 KB cache vardır. Overdrive denen versiyon ise çift kat hızla çalışmaktadır. Örneğin 25 Mhzde çalışan 80486SX yerine Overdrive denen işlemci konulduğunda 50 MHzde çalışır. Firma Intel İşlemci Veri Yolu Genişliği 8048 8 2 K iç 8051 8 8 K iç 8085A 8 64 K 8086 16 1 M 8088 8 1 M 8096 16 8 K iç 80186 16 1 M 80188 8 1 M 80251 8 16 K iç 80286 16 16 M 80386EX 16 64 M 80386DX 32 4 G 80386SL 16 32 M Bellek Büyüklüğü www.yalcincoskun.wordpress.com 5

Motorola 80386SLC 16 32 M + 1 K cache 80386SX 16 16 M 80486DX/DX2 32 4 G + 8 K cache 80486SX 32 4 G + 8 K cache 80486DX4 32 4 G + 16 K cache Pentium 64 4 G + 16 K cache Pentium Overdrive(P24T) 32 4 G + 16 K cache Pentium Pro 64 64 G + 16 K L1 cache + 256 K L2 cache Pentium II 64 64 G + 32 K L1 cache + 512 K L2 cache Pentium III 64 64 G + 16 K L1 cache + 512 K L2 cache 6800 8 64 K 6805 8 2 K 6809 8 64 K 68000 16 16 M 68008Q 8 1 M 68008D 8 4 M 68010 16 16 M 68020 32 4 G 68030 32 4 G + 256 cache 68040 32 4 G + 8 K cache 68050 32 Piyasaya sürülmedi 68060 64 4 G + 16 K cache PowerPC 64 4 G + 32 K cache Intel ve Motorola firmalarının işlemcileri MikroiĢlemcinin Tanımı Mikroişlemci, yaptığı işlemlerin mikrosaniyeler mertebesinde olması ve içerisindeki elektronik devrelerin ve bölümlerin mikron boyutlarda olmasından dolayı bu adı almıştır. www.yalcincoskun.wordpress.com 6

(Ġç Yapısı) (DıĢ Yapısı) AMD iģlemcisine ait iç yapı ve dıģ kılıf görünümü Mikroişlemciler, açma/kapama anahtarı gibi çalışan milyonlarca transistörden oluşmaktadır. Bu anahtarların programlanma durumuna, göre elektrik sinyalleri bunların üzerinden akar. Bu sinyaller, bilgisayarın yaptığı tüm işleri toplama, çıkarma, çarpma ve bölme gibi temel matematiksel işlemlere indirir. İşlemci de bu işlemleri en basit sayma sistemi olan ikilik düzeni yani sadece 0 ve 1 sayılarını kullanarak yapar. Mikroişlemciler her türlü işi ikilik sayma sistemine göre yapmaktadır. Mesela "Y" harfi ikilik sistemde "1011001" ile ifade edilebildiği gibi kırmızı gibi bir renk de bunun gibi ikilik tabandaki üç ayrı sayı grubu ile ifade edilir. Aynı şekilde bir ses veya görüntü kaydı da yine buna benzer ikilik sayı grupları ile ifade edilir. Bir bilgisayarın en popüler ve en önemli parçası işlemcidir. Kısaca CPU (Central Processing Unit/Merkezi İşlem Birimi) olarak anılan işlemciler, adından da anlaşılacağı üzere bir bilgisayardaki işlemleri yürüten ve sonuçları gerekli yerlere gönderen elemandır. Mikroişlemci, dışarıdan almış olduğu verileri kendine yüklenmiş olan programa göre yorumlayıp, ilgili çıkışlara veya adreslere yönlendirir, bilgisayarın değişik birimleri arasında veri akışı ve veri işleme görevlerini yerini getiren büyük ölçekli veya çok büyük ölçekli entegre devredir. Mikroişlemci entegre devresi, yazılan programları meydana getiren makine kodlarını yorumlamak ve yerine getirmek için gerekli olan tüm mantıksal devreleri içerir. Mikroişlemciler, kontrol birimi ve aritmetik/mantıksal birim olmak üzere iki bölümden oluşur. www.yalcincoskun.wordpress.com 7

Bir komutun yerine getirilmesi sırasında mikroişlemcinin yaptığı işler aşağıda sıralanmıştır. Komutun adresini adres taşıtına çıkarır. Komutu veri taşıtından alır ve kodu çözer. Komutun gerektirdiği adresleri ve veriyi içeri alır. Bunlar bellekte veya kaydedicilerde olabilir. Komut kodunun belirttiği işlemi yerine getirir. işaretlerini üretir. MikroiĢlemcinin basit bir blok diyagram ile gösterimi Memory (bellek) ünitesi Mikro iģlemcinin temel bileģenlerinin blok diyagramı www.yalcincoskun.wordpress.com 8

MikroiĢlemci ÇeĢitleri Mikroişlemcilerin sınıflandırılabilmesi için ölçüt kabul edilen en temel özellikleri şunlardır: Kelime (bit) uzunluğu: Mikroişlemcilerin bir defada işleyebileceği kelime uzunluğu, paralel olarak işlenen veri bitlerinin sayısıdır. İşlemciler, her bir saat çevriminde, o anda sırada olan komutları ve bunlara göre de bellekteki verileri mikroişlemcinin tipine göre gruplar halinde işler. Komutların veya verilerin küçük gruplar halinde işlenmesi hızda azalmaya neden olur. Mikroişlemciler için 4 8 16 32 ve 64 bitlik veri uzunlukları, standart haline gelmiştir. İşlemcilerde yapılan aritmetiksel işlemlerin doğruluk oranı, bit uzunluğu büyüklüğü ile doğru orantılı olarak artmaktadır (8-bit için %0.4 iken 16-bit için %0.001 dir). Kelime uzunluğunun büyük olması; aynı anda daha çok işin yapılmasını sağlar ve bu uygulama programları için büyük kolaylıktır. u işleme hızı: Saat frekansı her zaman gerçek çalışma frekansını yansıtmasa da; bir mikroişlemcinin hızıyla doğrudan ilgilidir. Bir mikroişlemcinin hızını artıran temel unsurlar şöyle sıralanabilir: Merkezi işlem birimini devre teknolojisi ve planı Kelime uzunluğu İşlemci komut kümesi çeşidi Zamanlama ve kontrol düzeni Kesme altyordamlarının çeşitleri Bilgisayar belleğine ve giriş/çıkış aygıtlarına erişim hızı adres yolu aracılığıyla ana belleği adresleyebilir. Adres yolu, işlemcinin yapısına göre değişir ve adres yolu hattı çok olan bir sistemin adresleme kapasitesi de o kadar büyüktür. 8 Bit MikroiĢlemciler 8 bitlik ilk genel amaçlı işlemci, NMOS teknolojisi kullanılarak geliştirilen 8080 işlemcisiydi. 1974 yılında, Motorola firması 8080 işlemcisinin bir benzeri sayılabilecek 8- bitlik 6800 mikroişlemcisini üretti. Bundan sonraki yılda üretilen 6500 serisi işlemciler ile 6800 işlemcide kullanılan bütün yardımcı elemanlar birbirini desteklemekteydi. Daha sonra www.yalcincoskun.wordpress.com 9

Zilog firması 8080 işlemcisinden birkaç üstün özellikle ayrılabilen Z-80 işlemcisini tanıttı. Bu dört çeşit mikroişlemci kendi aralarında iki gruba ayrıldı. 8 bitlik 8080/Z-80 grubu mikroişlemciler hesaplayıcılar olarak geliştirilmesi kaydedicilerin bol kullanımını gerektirmiştir. Bundan dolayı da kaydediciye dayalı mimari olarak anılmaktadır. 6500/6800 grubu ise belleğe dayalı mimari olarak anılır. Çünkü bu mikroişlemcilerde daha anlaşılır komutlar ve daha fazla adresleme modu kullanılmıştır. 16 Bit MikroiĢlemciler Intel firması, 1974 yılında ürettiği 8080 nin bir ileri versiyonunu, ilk 16-bitlik 8086 işlemcisini, 1978 yılında üretti. 8088 ve 8086 işlemcilerin her ikisi de aynı komutları, aynı veriyi ve aynı yazılımları kullanmalarına rağmen, dışlarındaki birimlerle iletişimde, aralarında farklar bulunmaktadır. 8088 bir kere de 8 bitlik veri paketini iletirken, 8086 dış birimlerle iletişimde bir kere de 16 bit veriyi kullanmaktadır. Kısaca, aralarındaki en önemli farkın, dış veri yollarının genişliği olduğu söylenebilir. IBM PC ve benzerlerinin 8088 üzerinde kurulmalarının en önemli nedeni, 8 bitlik veri yolu kullanılması nedeniyle sistemin ucuza mal olmasıdır. O yıllarda üretilen bilgisayarlar; PC (Personel Computer- Kişisel Bilgisayar) standardı ve 16-bitlik işlemcilerin kullanıldığı bilgisayarlar, XT (extended Technology- Gelişmiş Teknoloji) standardı olmak üzere iki standart kazandılar. 1979 yılında Motorola nın ürettiği 6800 kodlu işlemci, 16-bitlik veri yoluna ve 16 Megabaytlık bir bellek adreslemesine sahipti ve bu işlemcideki kaydediciler 32-bitlikti. 1982 yılında Intel firması tarafından, kullanıldığı bilgisayarlara AT(Advandec Technology-İleri Teknoloji) adı verilen 80286 mikroişlemcisi üretildi. Yeni bir standart olan bu işlemci, temel 8086/8088 komut setine sahipti. Bu işlemcide, kaydedicilerle birlikte hem veri yolu hem de adres yolu 16-bit olarak tasarlandı ve içerisindeki 16-bitlik kaydedici çıkışları artırılarak 20-bite çıkarıldı. Böylece 1 Megabaytlık www.yalcincoskun.wordpress.com 10

adresleme kapasitesi elde edildi. Bu sıralarda ortaya çıkan UNIX işletim sistemi, bu kuşak mikroişlemcilerin adresleyebileceği bellek kapasitesinden daha fazla bellek gerektirdi. Bu sebeple Motorola firması 6800 in gelişmiş versiyonu olan ve sanal bellek kullanımını sağlayan 6801 işletim sistemini üretti. 32 Bit MikroiĢlemciler 1984 yılında Motorola tarafından üretilen 6802 işlemcisi ve 1985 yılında Intel tarafından üretilen 80386 işlemcisi gerçek birer 32-bitlik işlemcidir. 80386, 80286 dan 8086 ya kadar geriye doğru uyumludur. Yani 8086 da yazılan programlar 80386 lı bilgisayarlarda çalışırken, 80386 da yazılan gerçek mod (Real Mode) dışındaki programlar bundan önce üretilen işlemcili bilgisayarlarda çalışmaz. Gerçek mod ve korumalı mod (Protected mode) olmak üzere iki ayrı modda çalışabilmek AT tipi bilgisayarların önemli bir özelliğidir. Gerçek modda sistem 1 MB lık bellek kullanarak kendi başına çalışır (Ancak yazılımlarla 1MB tın üzerine çıkılabilir). Korumalı modda ise, bilgisayar 1 MB sınırını aşarak büyük bellek kapasitelerini kullanabildiği gibi, başka bilgisayarlarla da ortak çalışabilir. 32 bitlik işlemciler 246 adres yolu ile Terabayt cinsinden bellek kapasitesi kullanabilir. 1988 yılında 80386 nın bir değişik modeli tasarlandı ve bu işlemciye 80386SX adı verildi. Bu da, normal 80386 ya 80386DX denilmesine sebep oldu. 80386SX de 80286 ile soket uyumluluğu sağlamak için veri yolu 16-bite indirilirken, yine 32-bitlik kaydediciler kullanıldı. Motorola 1987 de 32-bitlik 6803 ve 1989 yılında yine 32-bitlik 6804 modeli işlemcilerini üretti. Bu işlemcilerin diğer ürettiklerinden en büyük farkı Bellek Yönetim Birimi bulundurmalarıdır. Bu sırada Intel firması, ürettiği 80486 mikroişlemcisinde, farklı olarak, kayar noktalı hesaplama birimi (FPU), bellek yönetim birimi (MMU), önbellek gibi birimler geliştirdi. Daha önceleri işlemci dışında bulunan, kayar noktalı hesaplama birimi ve bellek yönetim biriminin işlemci içerisine alınmasıyla sistemin verimliliğini artırıldı. www.yalcincoskun.wordpress.com 11

64 Bit MikroiĢlemciler Pentium işlemcilerinin 1993 yılında piyasaya çıkmasıyla Intel x86 ailesinin veri yolu uzunluğu 64-bit olmuştur. Başlangıcından beri CISC mimarisinde işlemciler üreten Intel firması, nihayet superscaler mimarideki çok işlem birimi, dallanma tahmini gibi RISC kavramlarını Pentium işlemcileri ile kullanmaya başladı. Bu işlemcide ayrıca yürütme performansını önemli olarak etkileyen tümdevre üzerinde birinci seviye (L1) ayrı 8-KB kod ve 8-KB veri ön hafızaları bulunur. Pentium Pro, x86 ailesinin altıncı nesli olduğundan, başlangıçta P6 kod adı ile anılmış ve önemli mimari ekler sunmuştur. P6 mimarisi dinamik yürütme teknolojisi olarak belirtilen ve çoklu dallanma tahmini, veri akışı analizi, tahmini yürütme olarak temel üç fonksiyonlu mimari yapıyı içermektedir. Pentium Pro ya 4 yeni adres hattı daha eklenerek adres yolu 36- bit yapılmıştır. Intel firması ilk kez 256K, 512K veya 1 MB olabilen L2 ön belleğini Pentium Pro işlemcisi üzerine yerleştirmiştir. Sesli (audio), görüntülü (video) ve grafik özellik içeren yüksek kaliteli multi-medya uygulamalarını çalıştırmak, çok hızlı ve karmaşık aritmetik işlemler gerektirir. Bu çeşit karmaşık işlemler, oldukça özel DSP (Digital Signal Processing) tümdevreleri ile gerçekleştirilir. Bu özel işlemciler, 2D ve 3D grafikler, görüntü ve ses sıkıştırma, faks/modem, canlı resimli PC-tabanlı telefon ve görüntü işleme gibi görevleri yerine getirmede kullanılır. Intel firması bir PC ye DSP özelliği kazandırmak için MMX (MultiMedia extention) olarak adlandırılan bir teknolojiyi, Pentium işlemcilerine 1997 yılından itibaren koymaya başlar. MMX teknolojisi multi-media işlemleri için 57 tane yeni komut sunmaktadır. Intel Pentium II işlemcisi, Pentium Pro ve MMX teknolojilerinin birleşimi ile üretilmiştir. Bu işlemcide buluna 32K (16K/16K) L1 ön bellek yoğun olarak kullanılan veriye hızlı erişim sağlar. Ayrıca tümdevre üzerinde 512 KB dan başlayan L2 ön belleği www.yalcincoskun.wordpress.com 12

bulunur. Intel daha ucuz PC ler ve sunucu makineleri için, piyasaya ucuz(celeron) ve pahalı(xeon) Pentium II tabanlı iki farklı mikroişlemci sürmüştür. Bu piyasa yaklaşımı daha sonraki Pentium III ve diğer ürünlerde de devam etmiştir. Pentium III mikroişlemcisi 1999 yılının başında Intel tarafından piyasaya sürülmüştür. Pentium III ile gelen önemli bir yenilik, Internet Streaming SIMD Extensions olarak adlandırılan bir yapıdır. Bu mimari yapı ile, ileri görüntü işleme, 3D, ses ve video gibi uygulamalarda kullanılabilecek 70 adet yeni komut eklenmiştir. Pentium III, ayrıca P6 mikromimarisini (dinamik yürütme, çoklu dallanma tahmini, veri akışı analizi ve tahmini yürütme) çok işlemili sistem yoluve Intel MMX teknolojisini içerir.pentium III, PC ve internet hizmetleri ve ağ erişim güvenliği için planlanan yapı bloklarından ilki olan işlemci seri numarası sunar. Günümüzde x86 pazarı büyük bir endüstri olmuştur ve her yıl milyonlarca işlemci satılmaktadır. X86 işlemcilerine gösterilen büyük ilgi nedeniyle Intel den başka firmalar da bu piyasaya girmiştir. AMD firması günümüzde K6 II ve K6 III ürünleriyle, Pentium II ve Pentium III işlemcilerine rakip olmaktadır. Hatta AMD nin son ürünlerinden olan 450 MHz K6 III işlemcisinin Pentium III 500 işlemcisinden daha yüksek performans sağladığı iddia Edilmektedir Intel X86 Mimarisi Mikroişlemciler mimari yapılarına göre farklılık gösterir. Ortak bir mimariye sahip işlemciler, komutları tanıdıkları için, aynı programları çalıştırabilir. Bir mikroişlemcinin tanıdığı komutlar, yani komut kümesi o mikroişlemci mimarisinin en temel özelliklerinden biridir. Diğer önemli bir mimari özellik mikroişlemcinin dahili kaydedici kümesidir. Kaydediciler, mikroişlemcinin çalışması sırasında, geçici verilerin saklandığı bellek hücreleridir. Bu bellek hücreleri işlemcinin içindedir. Farklı komut ve kaydedici kümesine sahip mikroişlemciler genelde birbirlerinin programlarını çalıştıramazlar. Günümüzde en popüler mikroişlemci mimarisi Intel x86 ailesine ait mimaridir. Bunda çok yaygın olarak kullanılan IBM PC ler büyük bir rol oynamıştır. Intel x86 işlemcilerin, www.yalcincoskun.wordpress.com 13

PC lerde ve ayrıca bir çok elektronik üründe çok yaygın olarak kullanılması, bu aileyi, endüstri ve eğitim için çok önemli bir konuma getirmiştir. Bu ailenin ilk işlemcisi 1978 yılında üretilen 8086 dır. O zamanlardan günümüze, x86 işlemcileri önemli bir değişim gösterdi. Bu ailenin önemli kilometre taşları olan işlemciler sırasıyla şunlardır: 8086/8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III ve Pentium IV işlemcileridir. Bugün, mikroişlemci ve mikrodenetleyici üreten irili ufaklı pek çok firma bulunmaktadır. Bunların en önemlileri, Intel ve Motorola firmalarıdır. x86 ailesinin lokomotifini çeken Intel firması olmasına rağmen, günümüzde Intel dışında x86 mikroişlemcisi üreten, AMD, Cyrix, Centour ve Rise Tecnology gibi firmalar bulunmaktadır. Intel x86 ailesinin dışında, diğer önemli mikroişlemci mimarilerinden bazıları şunlardır: Modern Macintosh larda bulunan Power PC, eski Mac lerde bulunan 680x0 serisi, Digital ve Compact ın güçlü makinelerinde kullanılan Alpha ailesi, Sun firmasının SPARC işlemcileri, Silicon Graphics in MIPS RX000 serisi, HP in PARISC i önemli mimariler olarak sayılabilir. Bu mimarilerin hiç biri kendi aralarında ve aynı zamanda x86 ile uyumlu değildir. Intel Ailesinin GeliĢimi Intel firması 1968 yılında bellek tümleşik devreleri yapmak üzere kuruldu. Üretecekleri bir hesap makinesi için CPU tümleşik devresi isteyen, hesap makinesi üreten bir firmanın talebi; ve yine üretecekleri bir terminal için özel bir tümleşik devre isteyen, diğer bir firmanın istediklerini karşılamak için, Intel firması 4004 (1971) ve 8008 (1972) CPU larını üretti. Mikroişlemciler ve mikrobilgisayarların sınıflandırılmasında en temel ölçü, mikroişlemcinin tümleşik devre üzerinde işlem yaptığı en uzun verinin bit sayısı, yani kelime uzunluğudur. 4-bit işlemci olan 4004 ve 8-bit işlemci olan 8008 den başlayarak, mikroişlemciler ve mikrobilgisayarlar için, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit ve 64-bit gibi veri uzunluk standartları doğmuştur. Intel, bu ilk müşterilerinden başkasının, 4004 ve 8008 tümleşik devrelerine ilgi göstereceklerini tahmin etmediği için, üretim hattını düşük kapasiteli tutmuştur. Fakat tahminlerin aksine, bu tümleşik devrelere çok büyük bir ilgi oldu. Bunun sonucu ve aynı zamanda 8008 in 16 KB lık bellek limitini aşmak amacıyla, Intel firması 1974 yılında genel amaçlı 8080 CPU sunu üretti. Birden bu tümleşik devreye büyük bir talep oldu ve kısa bir süre içinde 8080, 8-bit mikroişlemci endüstri standardı oldu. Intel, iki yıl sonra 1976 da gelişmiş bir 8080 işlemcisi olan 8085 piyasaya sürdü. www.yalcincoskun.wordpress.com 14

Intel 1978 yılında ilk 16-bit mikroişlemcisi olan 8086 yı üretti. 8086 daha önceki 8080/8085 ürününe bazı yönlerde benzemesine karşın, iki işlemci ailesi birbiri ile uyumlu değildi. Bir yıl sonra 1979 da üretilen, 8086 nın 8-bit veriyoluna sahip sürümü olan 8088, 1981 yılında üretilen IBM PC mikrobilgisayarlarının ilk işlemcisi olmuştur. Kısa sürede endüstrinin 16-bit mikroişlemci standardı olan 8086/8088, günümüze kadar uzanan pek çok ürünü ile x86 ailesi diye adlandırılan mikroişlemci ailesinin çekirdeği oldu. Daha sonraki yıllarda x86 ailesinin diğer ürünleri, 80186/80188 ve 80286 üretildi. 80186 işlemcisi 8086 nın tümleşik devre üzeri çeşitli çevre birimlerine sahip olan sürümüdür. 80188 işlemcisi ise, 8-bit veriyoluna sahip bir 80186 işlemcisidir. Tasarımlarında fazla çevre birimi istemeyen 80186/80188 işlemcilerinin genelde değişmez bir programla, kontrol uygulamaları içinde yer alarak mikrodenetleyici gibi kullanılmaları amaçlanmıştır. Buna rağmen bu iki işlemci yaygın olarak kullanılmamıştır. Uygulama çeşitlerine göre Intel mikroişlemcilerinin sınıflara ayrılması, 80186/80188 ve 8048/8051 işlemcilerinden sonra başlamıştır. Intel mikroişlemcilerinin gelişimi şekil 1.1 de gösterilmektedir. 8086/8088 işlemcilerinin 1 MB bellek ile sınırlı adres alanı, 1980 lerin ortalarına doğru bir çok uygulama için ciddi bir problem olmaya başlamıştı. Bu yüzden Intel, x86 çekirdeğinin bir üst uyumlu sürümü olan 80286 işlemcisini üretti. Bu işlemci, 16 MB lık adres alanı ile beraber temel 8086/8088 komut kümesine sahipti. 80286, IBM PC/AT ve orta model PS/2 bilgisayarlarında kullanıldı ve daha önceki 8088 gibi büyük bir başarı kazandı. Intel için bir sonraki adım, 1985 yılında üretilen, bir tümleşik devre üzerinde gerçek 32- bit CPU olan 80386DX oldu. 80286 gibi bu mikroişlemcide çok yaygın olarak kullanıldı. 1988 yılında, harici 16-bit veriyoluna sahip 80386SX işlemcisi üretildi. 80486, 80386 nın bir üst uyumlu modeliydi. Bütün 80386 programları, 80486 makinelerinde bir değişiklik yapılmadan çalışabilecekti. Bu iki işlemci arasındaki temel fark, 80486 nın 80386 nın özelliklerine ek olarak, yardımcı işlemcisi olan bir kayan nokta birimine(fpu), 8 KB önbelleğe (cache) ve bir bellek yönetim birimine tümleşik devre üzerinde sahip olmasıdır. Ayrıca bir 80486, 80386 dan çok daha hızlıdır. 1993 yılında piyasaya sürülen Pentium, temel mimari olarak çok farklı bir mikroişlemci olmayıp, Intel in yaklaşık her 2-3 yılda ürettiği yeni bir x86 işlemcisidir. Bu yapı IA-32 (Intel Architecture-32) olarak belirtilen 80386/80486 ile başlayan 32-bit mimarinin bir uzantısıdır. 1993 yılından sonraki Pentium işlemcilerinin hızları artmış, üzerlerindeki önbellek yapıları değişmiş ve kapasiteleri artmış. Bazılarında tümleşik devre üzeri komut bazılarında multimedya desteği sağlanmıştır. Ayrıca, yeni Pentium mimari yapılarında, daha başka, ileri düzeyde, detay farklılıklar da vardır. Bütün bu farklılıklara rağmen, 1978 www.yalcincoskun.wordpress.com 15

yılından başlayan 8086/8088 işlemcilerindeki x86 çekirdeği, bu işlemcilerde de bulunmaktadır. Yeni işlemcilerde çalışacak eski programların uyumluluğu için bu mimari gelişim, Intel in bütün x86 işlemcilerinde sağlanmıştır. Pentium işlemcisiyle x86 ailesinin veriyolu uzunluğu 64-bit olmuştur. Intel, Pentium ile RISC mimari tasarım kavramlarından olan superscalar mimariyi kullanmaya başladı. Pentium da aynı anda bir saatte, iki tane iş-hatlı tam sayı birimi iki komutu ve bir tane işhatlı FPU birimi de bir tane kayan nokta komutu yürütülebilmektedir. Diğer bir RISC mimari birimi olan dallanma tahmini donanım yapısı, JUMP ve CALL komutlarıyla yapılan dallanmalarda önemli zaman kazançları sağlayarak çalışma performansını artırır. Bu işlemcide ayrıca yürütme performansını önemli olarak etkileyen tümleşik devre üzerinde birinci seviye (L1) ayrı 8 KB kod ve 8 KB veri önbellekleri bulunur. Pentium Pro 8086/8088, 80286, 80386, 80486 ve Pentium işlemcilerinden sonra gelen 6 ıncı nesil olduğu için, ilk çıkması sıralarında P6 kod adıyla anılmış ve önemli mimari ekler sunmuştur. P6 mimarisi dinamik yürütme teknolojisi olarak belirtilen ve çoklu dallanma tahmini, veri akış analizi ve tahmini yürütme olarak temel üç fonksiyonlu mimari yapıyı içermektedir. Pentium Pro ya dört yeni adres hattı daha eklenerek adres yolu 36-bit yapıldı. Bu sayede doğrudan adreslenebilir adres alanı 4 GB tan 64 GB a artırılmış oldu. Intel firması ilk kez 256 K, 512 K veya 1MB olabilen L2 önbelleğini Pentium Pro işlemcinin üzerine yerleştirdi. Pentium gibi Pentium Pro da 8 KB ı kod, 8 KB ı veri için toplam 16 KB lık L1 önbelleğine sahiptir. Intel firması bir PC ye DSP özelliği kazandırmak için MMX olarak adlandırılan bir teknolojiyi, Pentium işlemcilerine 1997 den itibaren koymaya başladı. MMX teknolojisi multimedya işlemleri için 57 tane yeni komut sunmaktadır. Intel Pentium II işlemcisi, Pentium Pro ve MMX teknolojilerinin birleşimi ile üretildi. Bu işlemcide bulunan 32 KB (16 KB/16KB) L1 önbellek yoğun olarak kullanılan veriye hızlı erişim sağlar. Ayrıca tümleşik devre üzerinde 512 KB tan başlayan L2 ön belleği bulunur. Intel daha ucuz PC ler ve sunucu makineleri için piyasaya ucuz (celeron) ve pahalı (xeon) Pentium II tabanlı iki farklı mikroişlemci sundu. Bu piyasa yaklaşımı daha sonraki Pentium III ve daha sonraki ürünlerde de devam etmiştir. Pentium III mikroişlemcisi 1999 yılının başında Intel tarafından piyasaya sunulmuştur. Pentium III ile gelen önemli bir yenilik, Internet Streaming SIMD Extensions olarak adlandırılan bir yapıdır. Bu mimari yapı ile, ileri görüntü işleme, 3D, ses ve video ses tanıma gibi uygulamalarda kullanılabilecek 70 tane yeni komut eklenmiştir. Pentium III ayrıca P6 mikromimarisini dinamik yürütme, çoklu dallanma tahmini, veri akışı analizi ve tahmini yürütme çok işlemli sistem yolu ve Intel MMX teknolojisini içerir. Pentium III, PC www.yalcincoskun.wordpress.com 16

ve Internet hizmetleri ve ağ erişim güvenliği için planlanan yapı bloklarından ilki olan işlemci seri numarası sunar. Pentium IV her şeyi hız için düşünülmüş. Pentium IV, Intel in 1995 ten beri tamamen yenilenmiş x86 mikroişlemcisidir. www.yalcincoskun.wordpress.com 17

Intel mikroiģlemcileri geliģimi www.yalcincoskun.wordpress.com 18

INTEL MĠKROĠġLEMCĠ AĠLESĠ Intel gerçek bir mikroişlemci üretimine ilk olarak 8080 le başladıktan sonra 8086 da artık temeller atılmış ve bundan sonra piyasaya çıkacak olan işlemciler bu mantıkla üretilecektir. Intel 8086 MikroiĢlemcisi 8086 1978 yılında 29 bin transistör ve 40 pinli paketten oluşan ilk 16-bitlik Intel mikroişlemcisidir. Daha sonra bu işlemciyi 8088 mikroişlemcisi, 8087 matematik işlemcisi ve 8089 giriş/çıkış (I/O) işlemcisi takip etmiştir. Intel 8086 mikroiģlemci mimarisi www.yalcincoskun.wordpress.com 19

Şekil 2.1 de x86 ailesinin 16-bit çekirdek mimarisinin basitleştirilmiş bir gösterimi sunulmuştur. Mikroişlemci temel iki ayrı çalışma birimine sahiptir. Bu birimler: İcra birimi(eu) ve Veriyolu Bağdaştırma Birimi (BIU). EU komutları yorumlamakta ve yürütmektedir. BIU ise veriyolu işlemlerini gerçekleştirmektedir. Ġcra birimi EU, komut çözme ve komutları yürütme için bir kontrol birimine; aritmetik ve mantıksal işlemler için bir ALU ya; genel amaçlı kaydedicilerde (AX, BX, CX, DX) ; işaretçi (SP,BP) ve indis (SI, DI) kaydedicileri ile bayraklar kaydedicisine sahiptir. EU içindeki kontrol birimi, makine dilindeki komutları yorumlamakta ve komutları yürütmek için gerekli işlemleri kontrol etmektedir. EU, komut byte larını, BIU tarafından komut kuyruğuna yerleştirilme sırasıyla, komut kuyruğundan almaktadır. Eğer EU bellekten bir işleme ihtiyaç duyarsa veya bir sonucu bellekte saklamak isterse istenilen işlemi BIU e yönlendirir. EU, işlem kodu okuma veya saklama işlemi için, BIU tarafından fiziksel adresi hesaplamada gerekenleri sağlamaktadır. ALU, işlemlerini, dahili veriyolu üzerinden, genel amaçlı kaydedicilerden, komut byte larından, veya BIU dan almaktadır. ALU 8-bit veya 16-bit işlem yapma kapasitesine sahiptir. Veriyolu bağdaģtırma birimi BIU, bütün harici veriyolu işlemlerini kontrol eden bir veriyolu kontrol birimine; EU için komut byte larını tutan komut kuyruğuna; fiziksel bellek adresleri üretme için bir toplayıcıya; dört segment kaydedicisine (CS, SS, DS, ES); komut işaretçisine (IP) ve verileri geçici olarak saklamada kullanılan bazı dahili kaydedicilere sahiptir. BIU, bellek ve I/O işlemleri dahil, bütün harici veriyolu işlemlerini kontrol etmeden sorumludur. Tümleşik devre harici adres yolu, belli bir bellek hücresini veya I/O portunu seçmede kullanılır. BIU, komut byte larını okur ve onları EU için komut kuyruğuna yerleştirir. BIU en fazla 4 (8088 için) veya 6 (8086 için) byte komut kodunu önden okuyabilir. EU, bir veri okuma veya yazma işlemine ihtiyaç duymadığı veya program akışında bir dallanma olmadığı sürece, BIU komut byte larını önden okuma için serbesttir. Bu şekilde komut önden okuma, BIU ve EU birimlerinin paralel çalışmasına imkan tanır. Bu sayede işlemcinin veri işlem hızı artar. Bu şekilde çalışan bilgisayar mimarisine iş-hatlı mimari denir. 8086-8087 iletiģimi Bir 8086-8087 (ya da 8088-8087) sisteminde mikroişlemci ve CPU komutları eş zamanlı işlenebilir. Yani CPU bir komutu işlemekle meşgulken mikroişlemcide kendisi ile ilgili bir komutu işliyor olabilir. Ancak bazı işlemlerde mikroişlemcinin CPU ya yardımcı olması www.yalcincoskun.wordpress.com 20

gerektiği için bu eş zamanlılık kısıtlıdır. Hem mikroişlemci hem de CPU komutları aynı veriyolundan aldıkları için ikisi arasında eşgüdüm sağlanması gerekir. 8086-8087 sistemlerinde her iki işlemcide veriyolu üzerinde gözüken komutu inceler. Bunu yapabilmek için her ikisinin de üzerinde aynı veriyolu bağdaştırma birimi (BIU) konmuştur. 8086, 8087 veriyolu arabirimine kendi öngetirme kuyruğunun durumuna ilişkin sinyaller yollayarak her iki işlemcinin de aynı komutu çözümlüyor olmasını güvenceye alır. Bütün CPU komutları 11011 bit dizisi ile başladığı için 8087 nin diğer komutları gözardı etmesi kolaydır. Aynı şekilde mikroişlemcide (belleğe erişim yapanlar dışındaki) tüm CPU komutlarını gözardı eder. Eğer veriyolundaki CPU komutu belleğe erişim yapan bir komut ise, mikroişlemci bellek adresinin en önemsiz byte ını okur ve protokol gereği boş bir okuma yapar. Bu okuma, verinin veriyoluna çıkmasını sağlar ve 8087 bu değeri veriyolundan okur. Eğer adres bilgisi bir byte tan daha uzunsa, 8087 veri yolunu 8086 dan devralır ve verinin kalan bölümünü bellekten kendisi okur. Daha sonra veriyolunun denetimini 8086 ya geri verir. İkisi de aynı eşgüdümlü veriyolunu kullandıkları için aynı hızla çalışmak zorundadır. Ayrıca CPU bir komutu işlemeyi bitirmeden mikroişlemcinin bir başka CPU komutunu çözümlemeye başlamasını engellemek gerekir. Bunun için şu yöntem kullanılır: Derleyici ve Çeviriciler her CPU komutundan önce bir WAIT komutu üretirler. Bu komut mikroişlemcinin TEST bacağı aktif olduğu sürece beklemesini sağlar. TEST bacağına da CPU nun #BUSY bacağı bağlanmıştır. Dolayısıyla, mikroişlemci her CPU komutundan önce WAIT komutu aracılığıyla CPU nun o anda işlem yapıp yapmadığını denetler. Eğer işlem yapıyorsa bitmesini bekler, yapmıyorsa da sıradaki CPU komutunu çözümlemeye girişir. Aynı şekilde belleğe yapılan işlemin sonucunu yazacak türden CPU komutlarının arkasına da bir WAIT komutu yerleştirilerek CPU ya sonucu belleğe yazması için zaman tanınmış olur. Böylece mikroişlemcinin erken davranıp henüz belleğe yazılmamış bir değeri okuması önlenir. CPU yazma işlemini de gerçekleştirdikten sonra da mikroişlemci bu değeri güvenle okuyabilir. Ek bir tümleşik devre yardımıyla 8087, bir 80186 işlemciye de bağlanabilir. 80186 mikroişlemcisi 1982-1983 yıllarında üretilen bazı PC lerde merkezi işlem birimi olarak kullanılmıştı ama 80286 kullanan AT lerin ortaya çıkışıyla tüm önemlerini kaybettiler ve PC tarihinin derinliklerine gömüldüler artık sadece 80186 nın CMOS uyarlaması olan 80C186 lar denetim amaçlı uygulamalarda kullanılıyorlar. 80C186, Intel 387 nin dahili yapısı temel alınarak üretilen 80C187 CPU suna bağlanabiliyor. Intel 80286 MikroiĢlemcisi 8086/8088 mikroişlemcisinin halefi 80286 dır. Bu mikroişlemcinin kullanıcı açısından 8086/8088 e göre 3 temel üstünlüğü bulunmaktadır: www.yalcincoskun.wordpress.com 21

Birincisi gerçek (real) mod ile korumalı (protected) moda sahip olmasıdır. Donanım bellek yönetim sistemi sayesinde, bellekte birden çok programın güvenli bir şekilde çalışması mümkün hale gelmiştir. İkincisi, 8086 gibi 8088 den farklı olarak 16-bit veriyoluna sahip olmasıdır. Bu da bellek-mikroişlemci arasındaki veri akış bant genişliğini iki katına çıkartır. Üçüncüsü, daha hızlıdır ve daha yüksek saat hızında çalışabilir. Bu faktörler 80286 tabanlı bir sistemi 8088 tabanlı bir sisteme göre, 5-10 kat daha hızlı yapmaktadır. Ayrıca, 80286 mikroişlemcisi yeni adresleme ve bellek koruma özelliklerini desteklemek için yeni ek komutlara sahiptir. Bu işlemci IBM PC/AT ve bazı PS/2 bilgisayarlarının ana mikroişlemcisi olmuştur. 80286 bu yüksek performansı, basitleştirilmiş hali şekil 2.2 de görülen, içinde bulunan birbirinden bağımsız 4 fonksiyonel birim sayesinde sağlar. Veriyolu birimi CPU için gerektikçe, işlem kodu ve veri okuma/saklama gibi bütün veriyolu işlemlerini yerine getirir. CPU eğer yapacak başka bir işlemi yoksa, 6 byte a kadar komutları önceden okur ve bunları komut birimine gönderir. Komut birimi veriyolu birimi tarafından okunmuş ham verileri alır ve sonraki yürütme için kodunu çözer. Üç taneye kadar tam kodu çözülmüş komut, bu birimde bir anda bulunabilir. Kodu çözülmüş komutların CPU içinde hazır olarak bulunması CPU yürütme hızını artırır. www.yalcincoskun.wordpress.com 22

Intel 80286 mikroiģlemci mimarisi İşletim birimi komut biriminden gelen komutları işler. Bazı komutlar adres içermektedir. Bu adresler daha sonraki işlemler için adres birimine verilir. Adres birimi bütün adresleme ve görüntü bellek işlemlerini yerine getirir. (Görüntü bellek, bir programın fiziksel olarak sahip olduğu bellekten daha fazla bellek kullanabilmesini sağlayan bir tekniktir.program parçalarının yürütme sırasında, gerektikçe, bellek ile disk arasında değiştirme prensibine dayanır. ). Adres biriminin çıkışı, okuma ve yazma adreslemesi için veriyolu birimine iletilir. www.yalcincoskun.wordpress.com 23

80286/80287 iletiģimi 80287 nin mikroişlemci arabirimi 8087 dekinden tümüyle farklıdır. Bir bellek yönetim birimi yardımıyla bellek koruması uygulayan 80286 tüm koruma birimini 80287 nin de üzerine koymak çok pahalı olacağı için farklı bir çözüm uygulanmıştır. Bu sistemlerde, CPU için bütün komutları ve verileri getirip götürme işini mikroişlemci yapar. Tüm bilgi F8h-FFh adresleri arasındaki I/O bölgesi üzerinden akar. Bu adreslere program aracılığıyla erişim mümkün olduğu için yanlış bir yazma işlemi yapılmamalıdır. Yoksa CPU nun tuttuğu bilgiler bozulabilir ve yanlış sonuçlarla karşılaşabilirsiniz. 80287 üzerinde işlemleri asıl gerçekleştiren birim 8087 deki ile aynı olduğu için bütün komutlar aynı sayıda saat çevrimi içerisinde işlenir. Ama 80286/80287 sisteminde I/O işlemleri çok fazla olduğu için aynı hızda çalışan bir 8086/8087 sisteminde daha yavaş çalışabilir. Eski 80286 anakartlarının çoğu CPU işlemci hızını 2/3 ü hızda çalıştıracak şekilde düzenlenmişti. Böylece mikroişlemciye daha yavaş ve daha ucuz bir CPU bağlanabiliyordu. 80286 her zaman beslendiği frekansı ikiye bölüp kullanırken 80287, CKM bacağı yukarıda (1) olduğu zaman CLK bacağında gözüken frekansı olduğu gibi kullanıyor, aşağıda (0) olduğunda ise bu frekansı 3 e bölerek kullanıyor. Bazı üreticiler bu özellikten yararlanarak 80286 nın daha hızlı CPU larla da çalışabilmesini sağlayan arayuvalar geliştirdiler. CPU ve CPU yuvasının arasına yerleştirilen bu küçük arayuvaya CKM bacağını yukarıda tutup besleme frekansının bölünmemesini sağlıyor, CLK bacağına da daha hızlı bir frekans üreteci tarafından yeni CPU nun çalışacağı frekans veriliyor. Böylece mikroişlemci 8 MHz de çalışırken CPU nuz 20 MHz gibi bir hızda çalışabiliyor. Ama bu çözüm sisteminizin performansını artırsa da tüm I/O dan hala yavaş çalışan mikroişlemci üzerinden geçmesinden doğan darboğazı aşamıyor. Bir 8086-8087 ilişkisini tarafların eşit haklara sahip olduğu bir ilişki olarak görebiliriz. Buna karşılık, bir 80286-80287 ilişkisi daha çok efendi-köle ilişkisini andırır. Bu eşgüdümlülüğü daha da kolaylaştırıyor çünkü CPU nun bütün veri akışı mikroişlemci üzerinden geçiyor. Pek çok CPU komutunu CPU ya iletmeden önce mikroişlemci otomatik olarak CPU nun işlem yapıp yapmadığını denetler. Bu yüzden derleyici ya da çeviricilerin CPU komutlarından önce otomatik WAIT komutu üretmesine gerek yoktur. Ancak üretilmişse de bir zararı olmaz. Bununla beraber WAIT komutunun ikinci kullanım nedeni (CPU belleğe bir değer yazarken mikroişlemcinin beklemesi gerekliliği) hala geçerlidir. www.yalcincoskun.wordpress.com 24

Intel 80386 MikroiĢlemcisi İntel in ilk 32-bit mikroişlemcisi 80386 dır. Bu mikroişlemci, diğer x86 işlemcileri gibi, 8086 ve 80286 programlarını hiçbir değişiklik olmadan çalıştırabilmektedir. Bu işlemcinin daha önceki 80286 mikroişlemcisine göre bir çok üstünlüğü bulunur. Bunlar: İşlemcinin kaydedicileri ve aritmetik birimleri 32-bit genişliğindedir. Ayrıca, komut kümesi 32-bit adresleri ve verileri desteklemek için genişletilmiştir. Mikroişlemciden ana belleğe giden, adres yolu ve veriyolu 32-bit e genişletilmiştir. Bu sayede, komutlar, verileri iki kat hızında okuyabilmekte ve yazabilmektedir. 4 GB a kadar fiziksel belleği adresleyebilmektedir(80286 da 16 MB). Diğer yandan, programlara 246 byte (64 terabyte) kadar görüntü bellek sağlayabilmektedir (80286 da 230 byte, 1 GB ). Daha hızlı yürütme hızına sahiptir. Bir çok komutu yürütme zamanı azalmıştır. Tümleşik devre üzerindeki bellek yönetim sistemi, sayfalı adreslemeyi destekler. 80386 da bulunan 32-bit adres yolu, 32-bit veriyolu ve çeşitli kontrol sinyalleri için, 80286 da kullanılan 68 uçlu tümleşik devre kılıfı çok küçüktü bu yüzden Intel daha büyük bir standarda gitti. Dahili olarak, 80386, 80286 gibi daha yüksek performans için paralel çalışan bir çok fonksiyonel birime sahiptir. 80286 daki gibi 4 yerine, 8 tane alt birim içermektedir. 80386 daki daha fazla olan fonksiyonel bölünme, adres ve yürütme birimlerinde yapılmıştır. www.yalcincoskun.wordpress.com 25

Intel 80386 mikroiģlemci mimarisi 80386 nın tümleşik devre uçları, 80286 ya bazı yönlerden benzemektedir. Bellek erişimleri 32-bit kelimeler ile yapılıp, bellek adresleri, 4 byte sınırlara göre ayarlanmalıdır. Böylece CPU 0, 4, 8 gibi adreslerde bulunan kelimelere erişebilmekte, buna karşın, 1, 2 veya 3 gibi adreslerde olanlara erişememektedir. Bunun sonucu olarak, bütün bellek adresleri 4 ün katları şeklindedir. Bu yüzden, iki düşük değerli adres biti her zaman 0 dır ve A0 ve A1 bitleri tümleşik devre üzerinde yoktur. www.yalcincoskun.wordpress.com 26

Bununla beraber, bellekte 8-bit ve 16-bit veriler üzerinde işlem yapan komutlar bulunduğundan, bu problemi çözmek gerekmektedir. 8086 ve 80286 mikroişlemcilerinde BHE sinyali ile bu problem çözüldüğü gibi, 80386 da bu işlem için 4 sinyal BE3- BE0 sağlamaktadır. Bu sinyallerden her biri bir kelime içindeki 4 byte dan hangisinin kullanılacağını belirtir. Daha önceki işlemcilerde bulunan, LOCK ve READY kontrol sinyalleri değişmedi. Bununla beraber, 80386 ya yeni 3 veriyolu kontrol sinyali daha eklendi. Bu sinyaller ADS, BS16 ve NA sinyalleridir. ADS sinyali, adres yolunda geçerli bir adres olduğunu belirtir. Bellek bu sinyali gördüğü zaman adres ve kontrol yollarındaki sinyallerin geçerli olduğunu anlar ve çalışmaya başlar. BS16 bir giriş sinyali olup 80386 ya, sistemde 16-bit I/O tümleşik devrelerinin olduğunu belirtmekte kullanılır. 80386 bu sinyali gördüğü zaman, bir 32-bit veri aktarımını peşpeşe iki 16-bit aktarım şeklinde yapar. BS16 mikroişlemciyi yavaşlatmada kullanılmasına karşın NA sinyali hızlandırmada kullanılır. Bellek tümleşik devresi, o anki veriyol çevrimi için READY sinyalini pasif yapmadan, mikroişlemcinin NA girişini aktif yaparak, bir sonraki bellek adresini kabul etmek için hazır olduğunu 80386 ya bildirir. Bu özellik, CPU nun o anki veriyolu çevrimini bitirmeden, bir sonraki veriyol çevrimine hazır olmasını başlatarak, iş-hattının hızını daha da artırır. Intel, geleneksel olarak her yeni bir mikroişlemci tümleşik devresinde yapmış olduğu, veriyolu durum ve veriyolu kontrol sinyallerini yeniden tanımlamayı, 80386 mikroişlemcisinde de devam ettirdi, örneğin; daha önceki 80286 tasarımında 4 tane veriyolu durum sinyali bulunmaktaydı. Bu sinyaller, 16 farklı durum göstermesine karşın, sadece 7 durum anlamlıydı ve kullanılmaktaydı. Sonunda Intel den bir mühendis şu gerçeği gördü: 7 23 yani 3 durum sinyali ile 7 sinyali belirtmek mümkündü. Bu büyük sinyalin neticesi 80386 için yeni durum sinyalleri Yaz/Oku, Veri/Kod ve Bellek/Giriş-Çıkış olarak belirlendi. Bu sinyallerin belirttikleri veriyolu durumları: Kod okuma, veri okuma, veri yazma, giriş-çıkış okuma, giriş-çıkış yazma, kabul ve durma dır. 80286 işlemcisinde bulunan diğer sinyaller, INTR, NMI, HOLD, HLDA, PEREQ, BUSY, ERROR ve RESET, 80386 da aynı fonksiyonlara sahiptir. 80386 yardımcı işlemci doğrudan erişebildiği için, 80286 daki PACK sinyali 80386 da bulunmaz. 80386-80387 iletiģimi 80386-80387 sistemlerinde bulunan mikroişlemci CPU arabirimi 80286-80287 sistemlerindekine çok benzemektedir. CPU ya programların yanlışlıkla yazma yapılmasını önlemek için I/O alanı F8h-FFh den 800000F8h-800000FFh alanına kaydırılmıştır. Arabirim performansı iyileştirilmiş ve 32-bit kullanıma açılmıştır. Yeni haliyle iletişim ek yükü 16-20 saat çevrimine indirilmiştir. www.yalcincoskun.wordpress.com 27

Intel 80486 MikroiĢlemcisi Intel in 80386 dan sonraki ikinci 32-bit mimarisi 80486 işlemcisidir. Bu işlemcinin temel mimarisi 80386 ile aynıdır. 80386 da 300 bin olan transistör sayısı, 80486 da 1.2 milyona yükseltilmiştir. Bu artışın en önemli nedenleri, 80486 nın içine alınan FPU yardımcı işlemcisi ile 8 K önbellektir. Bu mikroişlemci, diğer x86 işlemcileri gibi, 8086/8088, 80286 ve 80386 programlarını hiçbir değişiklik olamadan çalıştırabilmektedir. Bu işlemcinin daha önceki 80386 mikroişlemcisine göre farklılıkları özetle şunlardır: Tüm devre üzerinden FPU aritmetik yardımcı işlemcisi Tüm devre üzerinden 8 K Önbellek Bellek okuma ve yazmalarında, eşlik hata kontrolü için kullanılabilen, tüm devre üzerinde bulunan eşlik sinyalleri. Burst (patlama) olarak adlandırılan hızlı yol okuma/yazma çevrimleri Beş aşamalı komut iş-hattı. www.yalcincoskun.wordpress.com 28