Bölüm 7 Bu ve bundan sonraki bölümde, makine komutlarını işleten ve diğer birimlerin faaliyetlerini düzenleyen işlem birimi üzerine yoğunlaşacağız. Bu birim genellikle Komut Seti Mimarisi (Instruction Set Architecture - ISA) ya da kısaca işlemci olarak adlandırılır. Dahili yapısını ve bir programın komutlarını alıp getirme (fecthing), çözme (decoding) ve işletme (execution) görevlerini nasıl yerine getirdiğini inceleyeceğiz. İşlem birimi merkezi işlem birimi olarak da bilinir. Buradaki merkezi terimini kullanmak günümüzde pek uygun değildir, çünkü modern bilgisayar sistemleri çok sayıda işlem birimine sahiptir. İşlemcilerin organizasyonu, yıllar içinde teknolojide yaşanan gelişmeler ve diğer taraftan performansa olan ihtiyaç sayesinde oldukça gelişti. Yüksek performanslı işlemcilerin geliştirilmesindeki yaygın bir stratejiye göre çeşitli fonksiyonları yerine getiren birimler mümkün olduğunca paralel bir şekilde çalışmalıdır. Yüksek performanslı işlemciler ardışık (pipelined) bir organizasyona sahiptir. Bir komutun işletilmesine önceki komutun işletilmesi bitmeden önce başlanır. Süper skalar işletim adı verilen bir başka yaklaşıma göre, aynı anda çok sayıda komut getirilip işletilir. Bu bölümde tüm işlemcilerde yaygın olan temel fikirler üzerinde yoğunlaşacağız. Tipik bir hesaplama görevi (computing task), bir programı oluşturan makine komutları dizisi tarafından belitilmiş olan adımlardan oluşur. Bir komut, bir dizi temel işletimin (operation) gerçekleştirilmesiyle işletilir. Bu işletimler ve nasıl kontrol edildikleri bu bölümün temel konusudur. 7.1 Bazı Temel Konseptler Bir program işletmek için, işlemci birim zamanda bir komut getirir ve belirtilen işlemi uygular. Komutlar, bir dallanma veya bir atlama komutuna rastlayana kadar ardışık hafıza alanlarından getirilir. İşlemci, program sayacını (Program Counter - PC) kullanarak, getirilecek bir sonraki komutu içeren hafıza alanının adresini saklar. Bir komutu getirdikten sonra, PC nin içeriği dizideki bir sonraki komutu gösterecek şekilde güncellenir. Bir dallanma komutu PC ye farklı bir değer yükleyebilir. İşlemcideki bir başka anahtar yazmaç ise komut yazmacıdır (Instruction Register - IR). Her bir komutun 4 bayttan meydana geldiğini ve tek hafıza wordünde depolandığını varsayalım. Bir komutu işletebilmek için, işlemci aşağıdaki adımları uygulamalıdır:
1. PC tarafından gösterilen hafıza alanının içeriğini getir. Bu alanın içeriği işletilecek bir komut olarak yorumlanır. Bu nedenle bu içerik IR ye yüklenir. Bu durum sembolik olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir: IR [[PC]] 2. Hafızanın bayt adreslenebilir olduğunu varsayarak, PC nin içeriğini 4 arttır. Yani: PC [PC] + 4 3. IR deki komut tarafından belirtilen faaliyetleri yerine getir. Şekil 7.1 İşlemci içindeki tek yollu veriyolu organizasyonu Bir komutun bir wordden fazla yer kaplaması durumunda 1. ve 2. adımlar tüm komutun getirilebilmesi için gerektiği kadar tekrarlanmalıdır. Bu iki adım genellikle getirme evresi (fetch phase), 3. adım ise işletme evresi (execution phase) olarak adlandırılır. Bu işletimleri
detaylı inceleyebilmek için işlemcinin dahili organizasyonunu incelememiz gerekir. Bir işlemcinin temel yapı taşları Şekil 1.2 de gösterilmektedir. Bunlar organize edilebilir ve çeşitli yollarla birbirine bağlanabilir haldedir. Çok basit bir organizasyonla başlayacağız. Bu bölümün ilerleyen kısımlarında ve Bölüm 8 de yüksek performans sağlayan karmaşık yapıları göreceğiz. Şekil 7.1 deki organizasyonda aritmetik ve mantık birimi ALU ve tüm yazmaçlar tek ortak veriyoluyla birbirine bağlanmış halde görülüyor. Bu veriyolu işlemcinin içindedir ve işlemci, hafıza ve G/Ç aygıtlarını birbirine bağlayan harici veriyolu ile karıştırılmamalıdır. Şekil 7.1 de görüldüğü gibi, harici hafıza veriyolunun veri ve adres çizgileri, sırasıyla hafıza veri yazmacı (memory data register - MDR) ve hafıza adresi yazmacıyla (memory adress register - MAR) dahili işlemci veriyoluna bağlanıyor. MDR yazmacı iki girişe ve iki çıkışa sahiptir. Veri MDR a hafıza veriyolundan veya dahiliişlemci veriyolundan yüklenebilir. MDR da depolanan veri her iki veriyolu üzerinde de yer alabilir. MAR ın girişi dahili veriyoluna, çıkışı da harici veriyoluna bağlıdır. Hafıza veriyolunun kontrol çizgileri komut şifre çözücüsüne ve kontrol mantık bloğuna bağlıdır. Bu birimin görevi, işlemci içindeki tüm birimlerin faaliyetini kontrol eden sinyalleri dağıtmak ve hafıza veriyoluyla iletişim sağlamaktır. R0 dan R(n-1) e kadar olan işlemci yazmaçlarının sayısı ve kullanım şekli işlemciden işlemciye değişir. Yazmaçlar programcılar tarafından genel amaçlı kullanım için oluşturulabilir. Bazıları dizin yazmaçları ya da yığın yazmaçları gibi özel amaçlı yazmaçlar olabilir. Şekil 7.1 deki üç yazmaç Y, Z ve TEMP den daha önce bahsedilmemişti. Bu yazmaçlar programcıya saydamdır, yani programcının bu yazmaçlarla uğraşmasına gerek yoktur, çünkü bunlar herhangi bir komut tarafından referans gösterilemezler. Bazı komutların işletimi esnasında geçici depolama için işlemci tarafından kullanılırlar. Bu yazmaçlar, bir komutun bir başka komutun kullanımı için oluşturduğu veriyi depolamak için hiçbir zaman kullanılmaz. Çoklayıcı MUX, ALU nun A girişi olmak için Y yazmacının çıkışını ya da 4 sabit değerini seçer. 4 sabiti PC nin içeriğini arttırmak amacıyla kullanılır. MUX kontrol girişindeki Select iki değer alabilir: 4 sabitini seçebilmek için Select4 veya Y yazmacını seçebilmek için SelectY. Bir komut işletimi ilerlerken, veri bir yazmaçtan diğerine aktarılır, genellikle de bazı aritmetik ve mantık işlemlerini yapabilmek için ALU üzerinden geçer. Komut şifre çözücü (instruction decoder) ve kontrol mantık birimi (control logic unit), IR yazmacında bulunan komut tarafından belirtilen görevleri yapmakla yükümlüdür. Şifre çözücü, yazmaçları seçmek için gerekli kontrol sinyallerini üretir ve verinin aktarımını yönlendirir. Yazmaçlar, ALU ve bunları birbirine bağlayan veriyolu datapath veriyolu olarak adlandırılır.
Şekil 7.2 Şekil 7.1 deki yazmaçlar için giriş ve çıkış kapıları Bazı olağanüstü durumlarda, bir komut aşağıdaki işlemleri belirli bir düzende 1 ya da daha fazla sayıda uygulamalıdır: Bir işlemci yazmacından diğerine ya da ALU ya 1 word boyutunda veri aktar. Bir aritmetik veya bir mantık işlemi uygula ve sonucu işlemci yazmacında depola. Verilen bir hafıza alanının içeriğini getir ve işlemci yazmacına yükle. Bir işlemci yazmacındaki 1 word boyutunda veriyi verilen bir hafıza alanında depola. Şimdi ise Şekil 7.1 deki basit işlemci modelini kullanarak bu işlemlerin her birinin nasıl uygulandığını inceleyeceğiz.
7.1.1 Yazmaç Aktarımı Komut işletimi, verinin bir yazmaçtan diğerine aktarıldığı durumlarda bir dizi adımdan oluşur. Her yazmaç için, yazmacın içeriğini veriyoluna yerleştirmek veya veriyolundaki veriyi yazmaca yüklemek için iki kontrol sinyali kullanılır. Bu durum Şekil 7.2 de sembolik olarak gösterilmiştir. Ri yazmacının giriş ve çıkışları Ri in ve Ri out sinyallerinin kontrol ettiği anahtarlarla veriyoluna bağlıdır. Ri in 1 e eşitlendiğinde, veriyolundaki veri Ri ye yüklenir. Benzer bir şekilde, Ri out 1 e eşitlendiğinde Ri yazmacının içeriği veriyoluna yerleştirilir. Ri out 0 a eşit olduğunda, veriyolu diğer yazmaçlardan veri aktarmak için kullanılır. R1 yazmacının içeriğini R4 yazmacına aktarmak istediğimizi varsayalım. Bunu gerçekleştirmek için aşağıdaki işlemleri yapmalıyız: R1 out 1 e eşitlenerek R1 yazmacının çıkışı aktif hale getirilir. Böylece R1 in içeriği işlemci veriyoluna yerleştirilir. R4 in 1 e eşitlenerek R4 yazmacının girişi aktif hale getirilir. Böylece veri veriolundan R4 e taşınır. İşlemci içindeki tüm işlemler ve veri aktarımı işlemci saati (processor clock) tarafından belirlenen zaman dilimlerinde gerçekleştirilir. Belirli bir aktarımı yöneten kontrol sinyalleri saat çevriminin (clock cycle) başında öne sürülür. Örneğimizde R1 out ve R4 in 1 e eşitleniyor. Yazmaçlar kenar-tetikli (edge-triggered) flip-floplardan meydana gelir. Bundan dolayı, saatin bir sonraki etkin kenarında, R4 ü oluşturan flip-floplar girişlerinde bulunan veriyi yüklerler. Ancak çalışan farklı planların da olması mümkündür. Örneğin, veri aktarımı saatin yükselen ve alçalan kenarlarını kullanabilir. Eğer kenar-tetikli flip-floplar kullanılmazsa, iki veya daha çok saat sinyali düzgün veri aktarımını garanti etmelidir. Buna çok fazlı saatle denetim (multiphase clocking) denir. Örnek olarak Şekil 7.3 de Ri yazmacının bir biti için uygulama gösterilmektedir. İki girişli bir çoklayıcı (multiplexer) kenar-tetikli flip-flopun girişine uygulanan veriyi seçmek için kullanılır. Ri in kontrol girişi 1 e eşitlendiğinde, çoklayıcı veriyolundaki veriyi seçer. Bu veri saatin yükselen kenarındaki flip-flopa yüklenir. Ri in 0 a eşitlendiğinde, çoklayıcı o an flipflopta depolanan değeri karşılık verir. Flip-flopun Q çıkışı üç durumlu bir geçitle veriyoluna bağlıdır. Ri out 0 a eşit olduğunda geçidin çıkışı yüksek empedanslı (elektrik olarak bağlı olmayan) bir durumdadır. Bu da bir anahtarın açık devre (open-circuit) durumuna karşılık gelir. Şekil 7.3 Tek yazmaç biti için giriş ve çıkış kapıları
Şekil 7.4 MDR yazmacı için bağlantı ve kontrol sinyalleri
Şekil 7.5 Hafıza Read komutu için zaman değerleri