Bilgisayar Tasarımı ve Merkezi İşlem Birimi

maFiaCarLeS

Bir bilgisayarın temel blok diyagramı aşağıda görülmektedir. Bilgisayar Mimarisini tam anlayabilmek için öncelikle bu tasarımdaki temel bölümleri tekrar hatırlamalıyız.
[Üye Olmadan Linkleri Göremezsiniz. Üye Olmak için TIKLAYIN...]
Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit -CPU) : Merkezi İşlem Birimi temel olarak Aritmetik ve mantıksal işlemlerin yapılabildiği birim ALU (Arithmetic logic unit), bu işlemlere kaynak olan ve sonuçlarının tutulacağı kaydediciler (Registers -- storage locations in the processor) ve gerekli kontrol devrelerinden oluşur. Burada hemen Akümülatör adlı önemli özelliği olan bir kaydediciyi de tanımlayalım. Merkezi işlem biriminde işlemlere hem kaynak olan hem de sonucun elde edileceği kaydediciye Akümülatör denir. Akümülatör örneğin bir toplama da toplanacak sayılardan birini tutar ve sonuçta yine Akümülatöre yazılır.
Akümülatör (8Bit veri) + Yazıcı (8Bit veri) → Akümülatör (Sonuç 8 Bit veri)
Merkezi işlem Birimleri bir bilgisayar mimarisinde en önemli tasarımdır, genellikle VLSI (Very large scale integration) denilen teknikle üretilmiş yüksek yarı-iletken yoğunluklu entegre devrelerdir. Tüm hafıza, giriş çıkış, disk, monitör ve tuş takımı gibi çevre cihazları mikro işlemci tarafından kontrol edilir.
Bazı uygulamalarda mikro işlemci ve özel bazı çevre birimleri tek bir chipe monte edilir. Örneğin sadece bir görüntü cihazı, yazıcı, tuş takımı, modem veya benzer elektronik kontrollü devreler aslında bu tür mikro-denetleyici (Microcontroller VLSI chip) devreler içerir.
Blok şemada görüldüğü gibi merkezi işlem birimi ve hafıza, giriş/çıkış devreleri gibi çevre birimleri arasında veri, adres ve kontrol işaretlerinden oluşan sistem yolu vardır. Bildiğiniz gibi bu ortak yol gösteriminde veriler, adres ve kontrol bilgileri hep “0” ve “1” lerden oluşan 2’li sistemde çalışmaktadır. Bu amaçlar sayısal devreler konusunda işlediğimiz temel saylandırma sistemlerini [Üye Olmadan Linkleri Göremezsiniz. Üye Olmak için TIKLAYIN...] ve ikili aritmetik derslerini [Üye Olmadan Linkleri Göremezsiniz. Üye Olmak için TIKLAYIN...] gösten geçirmenizi dileriz.
Merkezi işlem Birimi’nin temel çalışma biçimlerini anlatabilmek için 2’li sayma sistemini, bu düzendeki aritmetik ve mantıksal işlemleri biraz özetleyelim.
2’li Sistem Sayılandırma Sistemleri
Bilgisayar Mimarisinde doğal sayma sistemi binary (ikili sistem) dir. Sayısal Devreler konusunda gördüğümüz “1” +5Volt seviyesi ve “0” 0Volt seviyesi kullanılan mimarinin elektronik özelliklerine göre değişir. Günümüz mikro işlemcilerinde güç gereksinimini minimuze etmek için gittikçe daha düşük besleme gerilimleri kullanılmaktadır.
Hemen bilgisayar mimarisinde temel kelime uzunluklarını bir kez daha özetleyelim.
• “0” veya “1” ‘den oluşan tek haneli sayıya bit denir. Çok kullanılan bir sayılandırma birimi 8 tane bitten oluşan byte dır.
• Sekiz bit’ten oluşan bir sayılandırma sisteminde 28 farklı seçenek (256 değişik seviye) farklı simgelenebilir
• Bu sekiz bit ile bir bilgisayarda 256 ayrı renk seviyesi, 256 gri seviyesi, 256 farklı şekil, 256 sembol, 256 isim..vs 256 farklı seçenek simgelenebilir. Bilgisayar Mimarisi bölümünde daha çok bu 256 farklı seçeneği ondalık düzende 0 ile 255 arasındaki sayıları temsil etmek için kullanacağız.
Bilgisayar Mimarisinde veri yapıları genellikle byte’lar veya bunların katları şeklindeki sayılandırma sistemleri ile gösterilir.
Bir başka örnekte negatif sayılardır. Yine 256 farklı seçenekten oluşan ondalık düzende -128’den +127’e olan sayıların 2’li düzende gösterimi için bir gösterim yine 8 bit kullanılması ve en baştaki bitin işaret biti olarak kullanılmasıdır.
En ağırlıklı bitin işaret biti olarak kullanılması ve bunun değerine göre pozitif ve negatif sayıların belirlenmesi yönteminde birkaç sorun vardır. Örneğin ondalık düzende sıfırın gösterimi işaret bitinin değerine göre poizitf ve negatif sıfır şeklinde iki tane olmaktadır. Ayrıca ikili aritmetikte pozitif değerlerden geri sayarken birden bire negatif sayılara geçilmesi ciddi problemdir.
Bilgisayar Aritmetiği
Bilgisayar Mimarisi’nde toplama ve çıkarma işlemleri 2’nin tümleyeni yönetimi ile yapılarak yukarıda bahsedilen iki önemli sorundan da arınabilir. 2”nin tümleyeni ikili düzende bir sayının “0” lar yerine “1” ‘ler gelmesi (tersinin alınması) ve daha sonra bir arttırılması ile sağlanır. Yani tümleyen için;
1. Tüm birleri sıfır veya tüm sıfırları bir yap
2. Sonuca bir ekle Formulu gerçerlidir.
Burada tüm işaretli sayıların en soldaki en ağırlıklı bit ile temsil edildiğini unutmamalıyız.
Örnek: +5: 0000 0101 -5’i bulmak için: Önce tüm sıfırları bir ve tersini yapalım 00000101 → 11111010
Sonra bir ekleyelim 11111010+1 → 11111011: -5
En baştaki 1 eksi sayı olduğunu belirler. Daha fazla pratik yapmak istiyorsanız [Üye Olmadan Linkleri Göremezsiniz. Üye Olmak için TIKLAYIN...] adresindeki Sayısal Devreler notlarına bakabilirsiniz. Aşağıda toplama ve çıkarma örnekleri görmekteyiz. Bu işlemlerde Elde, Ödünç ve Taşma kavramlarına da bir miktar yakından bakalım.
Toplama:
İşaretsiz Sayılar: İşaret biti yok
01110101 : 117 11111111 : 255
+ 01100011 : 99 + 00000001 : 1
---------------- ----------------
11011000 : 216 10000000 : 256
|
Carry
İşaretli Sayılar:
11111111 : -1 11111111 : -1
+ 00000001 : 1 + 11111111 : -1
---------------- ----------------
100000000 : 0 111111110 : -2
| |
Sign(+) Sign(-)
İşaretli sayıların toplaması, elde biti ve işaret biti
Çıkarma:
Pratik olarak bilgisayarlar çıkarma işlemi değil, çıkarılanın tümleyenini alma ve toplama yaparlar.
5 : 00000101 00000101
- 1 : - 00000001 + 11111111
---------------- ---------- ------
100000100 : 4 CARRY = BORROW


1 : 00000001 00000001
- 5 : - 00000101 + 11111011
---------------- ----------
111111100 :-4 CARRY menas BORROW
Elde Biti:
Elde biti işaretsiz sayıların toplamasında sonuç temsil edilemeyecek kadar büyükse çıkan bittir.
Ödünç Biti:
İşaretsiz sayıların çıkama işleminde çıkarılan sayı çıkan değerden daha büyükse gerekli olan bittir. Eğer çıkartma işlemi 2’nin tümleyeni ile sağlanıyorsa elde biti çıkmıyorsa mutlaka ödünç biti vardır.
Taşma:
İşaretli sayıların toplama ve çıkarma işlemlerinde, taşma çıkar. Zıt işaretli iki sayı toplandığında asla taşma hatası olmayacaktır! Taşmanın doğası göz önünde bulundurulduğunda bunun nedeni aşikârdır. Taşma, sayının büyüklüğü bit alan boyutuna göre izin verilen aralığı aştığında meydana gelir. İki benzer işaretli sayının toplamı, iki sayının bit alan aralığını aşabilir ve bu yüzden bu durumda taşma muhtemeldir. Bununla birlikte, pozitif sayı negatif sayıya eklendiğinde toplam daima iki eklenen sayının her ikisinden daha çok sıfıra yakın olacaktır: büyüklüğü her iki orijinal sayının büyüklüğünden daha az olmalıdır ve bu nedenle taşma imkânsızdır. Pozitif sayılar=poz, negatif sayılar=neg gösterimi ile taşma olması ancak aşağıdaki iki durumda gerçeklenir.
poz + poz → neg poz – neg → neg
neg + neg → poz neg – poz → poz