CPU’nun Tanımı ve Görevi, CPU’nun Bilgisayar Sistemindeki Yeri, CPU’nun Fiziksel Özellikleri, CPU’nun Temel Parametreleri, CPU Çeşitleri
1. TANIMI VE GÖREVİ
Türkçesi merkezi işlem birimi (Central Processing Unit) olarak çevrilen ve kısaltması CPU olan işlemciler, 1970’li yıllarda ilk defa hayatımıza girdiğinde binlerce transistöre ev sahipliği yaparken şimdi milyonlarca transistörün silikon bir çip üzerinde birleştirilmesi ile meydana gelmektedir. Aritmetik ve mantıksal işlem yapma yeteneğine sahip olan işlemciler, kısaca bilgisayarların verilerini işleyen ve yazılım komutlarını gerçekleştiren bölümü olarak ifade edilmektedir.[6] Yine bir başka açıdan Merkezi İşlemci Birimi (CPU), çoğu elektronik cihazda bulunan, belirli bir sürede belirli makine kodunu işleyen elektronik devredir. Alternatif olarak işlemci, merkezi işlemci veya mikroişlemci olarak da adlandırılan CPU bilgisayarın merkezi işlem birimidir. Bir bilgisayarın CPU’su bilgisayarda çalışan donanım ve yazılımlardan aldığı tüm talimatları işler.
İlk mikroişlemci 1970'te Intel firması tarafından “Intel 4004” adıyla piyasaya sürülmüştür. Onu takiben geniş çaplı bir mikroişlemci olan Intel 8080’in ise 1974’te tanıtılmıştır. Ardından günümüze kadar uzanan gelişim, MİB teriminin mikroişlemciler yerine kullanılmasına neden oldu. Çalışma hızları kullanılan mimari ve üretim teknolojisine bağlı olarak değişkenlik gösteren işlemcilerin hız birimleri Hz, MHz ve GHz olarak ifade edilirken, gelişen teknoloji ile birlikte günümüzde genellikle hız birimi GHz olan işlemcileri görmekteyiz. Bu alanda CPU’lerin tek kalıp üzerinde üretilmesinin sağladığı avantajlar, 10 MHz civarlarında olan saat hızlarının günümüzde GHz seviyelerine taşınmasına fayda sağladı.[6]
CPU, verileri çözme sürecinde aldığı talimatları işler. Veri işleme genelde dört adımda gerçekleşir. Bunlar adınlar Fetch (getir) , Decode (kod çöz), Execute (yürüt) ve Writeback (depola) olarak isimlendirilir.[2]
2. CPU’NUN BİLGİSAYAR SİSTEMİNDEKİ YERİ
Merkezi İşlem Birimi, bilgisayarın hem kalbi hem beynidir diyebiliriz. Bilgisayardan beklediğimiz performansın doğrudan CPU ile ilgisi bulunmaktadır. Bilgisayarda yapılan her işlem bu birimde gerçekleştirilir. Performans ise basit matematiksel işlemlere dayanır. Yani CPU ne kadar hızlı ve az sayıda işlem yaparak bir problemi çözerse o kadar verimlidir.
PC mimarisinde kuzey köprüsü (northbridge)
ve güney köprüsü (southbridge) olarak adlandırılan iki yonga seti kullanılmıştır.
Kuzey köprüsü (northbridge), bilgisayarın ekran kartı, işlemcisi (CPU) ve ana bellek (RAM) arasındaki iletişimi koordine eder.
Güney köprüsü (southbridge) ise bilgisayarda BIOS, hard disk ve PCI, USB, IDE vb. çevre birimlerinin (peripheral) çalışmasını denetler.
3. FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
Merkezi işlemci birimi bilgisayarın anakartın üzerinde bulunur. Anakartta belirli bir işlemci türüne özgü bir soket bulunur, CPU bu sokete yerleştirilir. İşlemci çalışırken yüksek sıcaklıklara çıkmaya çok müsaittir. Bu nedenle bir soğutucu veya fan ile kendi soğutma sistemine ihtiyaç duyar.[3]
CPU, kodlarla belirlenen temel aritmetik, mantık, kontrol ve giriş-çıkış (IO) işlemlerini gerçekleştirir.
İşlemciler genellikle, kontrol birimi, aritmetik mantık birimi ve bellek ünitesi olarak adlandırılan üç temel bileşenden oluşmaktadır.[1]
3.1. Kontrol Birimi
İşlemci yönetiminden sorumlu birimdir. Zamanlama ve kontrol sinyalleri sağlayarak diğer birimleri besler. Çoğu bilgisayar kaynağı bu birim tarafından yönetilir. CPU ve diğer donanımlar arasında veri akışının kontrolünü sağlar.
3.2. Aritmetik-Mantık Birimi
Aritmetik mantık birimi (ALU), işlemci içinde tamsayı aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştiren dijital bir devredir. Bu birimin girdileri, makine kodu ile gelen, işlem yapılacak değer ya da değerler ve kontrol birimi tarafından gelen, hangi işlemin yapılacağını söyleyen sinyallerdir.
Tüm giriş sinyalleri ALU devresi üzerinden yerleşip yayıldığında, gerçekleştirilen işlemin sonucu ALU çıkışlarında görünür. Devreden çıkan sonuçta iki farklı veri bulunur. Bunlar gerçekleşen aritmetik ya da mantıksal işlemin sonucu ve durum bilgisidir.
3.3. İşlemci Belleği
İşlemcide bulunan bellekler “Cache” ve “Register Array” olarak adlandırılır. Register Array, CPU üzerinde yapılan işlemler sırasında geçici matematiksel değerler veya hafıza adresleri tutan kaydedicilerin (Register) kümesidir. Bir kaydedicinin boyutu çoğunlukla ilgili CPU’da çalışan bir satır makine kodunun boyutu ile aynıdır. Günümüzde bu değerler 32 ve 64 bittir. Register Array boyutu ise kaydedici boyutu ve kaydedici sayısının çarpımı ile bulunur. Mesela 32 tane kaydediciye sahip 32 bit MIPS işlemcisinde 32x32 bitlik Register Array bulunur.
Önbellek ise kaydedicilere göre biraz daha yavaş güncellenen geçici hafızadır. Önbelleğin kullanım amacı ana bellekten (RAM) verilere erişmek için ortalama maliyeti (zaman veya enerji) azaltmaktır. Önbellek küçük ama RAM’e göre çok hızlıdır. Bu yüzden sık kullanılan ana bellek adreslerindeki verilerin bir kopyasını bulundurur, kontrol ünitesinin RAM’e erişmesine gerek kalmaz. Günümüz işlemcilerinde önbellekler L1, L2, L3 gibi katmanlara ayrılmıştır. Buradaki amaç eğer istenilen değer L1 önbelleğinde bulunmaz ise RAM’a gitmeden önce L2 katmanına da bakmak. Çünkü RAM’e erişmek işlemci için büyük maliyettir. L3 önbelleği ise diğer iki layer’dan faklıdır. L1 ve L2 sadece ilgili işlemci çekirdeğine veri sağlarlar. L3 ise bir işlemcide bulunan tüm çekirdeklere veri sağlar.
3.4. Mimari
CISC (Complex Instruction Set Computer) Mimarisi: 1965 yılları ile 1975 yılları arasında üretilmeye başlanan bu mimari, programlanma yönü kolay ve aynı zamanda oldukça etkin bellek kullanımını destekleyen bir ürünüdür. Bu mimaride işlemci çok daha fazla karmaşık hale dönüşmekte ancak üzerinde çalışacak programları daha basit hale getirmektedir. En dikkat çekici özelliği ise karmaşık yapıları diğer işlemci mimarilerine göre çok kolay ayırabilmesidir. Bu sebepten ötürü bellek tasarrufu sağlanır.
RISC (Reduced Instruction Set Computer) Mimarisi: Genelde çok fazla karmaşık komut içeren bilgisayarlarda CISC mimarisi kullanılır ve daha az bellek gerektiren sistemlerde tercih edilir. CISC mimarileri oldukça karmaşık yapıdadır. Daha basit ve kullanımı kolay bir işlemci mimarisine ihtiyaç duyulmuştur. Özellikle cep telefonu gibi daha az karmaşık olan yapılarda kullanılmak üzere RISC mimarisi geliştirilmiştir.
Von Neumann Mimarisi: Komutlar ve veriyi birlikte tutabilen bellek yapısına sahip bir bilgisayar tasarımıdır. Belleğin, işlemciden ayrılması Von Neumann mimarisi olarak ifade edilir. Von Neumann henüz ENIAC’ın varlığını bilmeden önce depolu program fikri ilk olarak Moore Elektrik Mühendisliği Okulu’nda Pennyslvania Üniversitesi’nde ortaya çıkmıştır. “Von Neumaan mimarisi” ve “depoluprogram” terimleri genellikle birbirleri yerine kullanılabilir “Depoluprogram bilgisayarı” terimi genellikle bu tasarımla yapılan bilgisayarlar için kullanılır. Depoluprogram bilgisayarları bir komut takımı mimarisi yaratarak ve veri işleme, bir komut serisi (program) ile detaylandırıldığında, makine çok daha esnek bir hale geldi. Bu komutlar veriyle aynı şekilde saklandığında ise, bir depoluprogram makinesi kolayca programı değiştirebilir ve daha fazlasını program kontrolünde yapabilir.[9]
Harvard Mimarisi: Harvard mimarisi, veri ve komutların Merkezi İşlem Birimine (MİB veya sık kullanılan ismiyle CPU) giden kanallarının ayrılması ile oluşturulmuş MİB mimarisidir. İsmini ilk kez bu mimariyi kullanan bilgisayar Harvard Mark I’den almıştır. Bu mimariyi kullanan makinalar, veriler ile komutlar arasında herhangi bir köprü bulundurmazlar. Veri adresi 8bit iken program (komut) adresi genellikle 14bittir. Günümüz bilgisayarlarında tam anlamıyla kullanıldığı söylenilemez. Yine de Von Neumann mimarisi
ve Harvard mimarisinden ortak özellikler günümüz teknolojisinde kullanılmaktadır. Von Neumann mimarisiyle kıyaslarsak komut ve veriler ayrı tutulduğu için, işlemci aynı esnada hem komutları değerlendirip hem verileri işleyebilir. Bir önbelleğe de gerek yoktur. Harvard mimarisine bir avantaj olsa da; Von Neumann mimarisinde komutlar verilerle bir tutulduğundan, program kendi kendine değişim gösterebilir. .[9]
Harvard mimarisinde ise komutlar ile veriler arasında bir kanal yoktur bu yüzden kodların içine veri gömülmüş programlar çalıştırılırken veya kendi kendine değişim gösterilecek programlar için Von Neumann mimarisi baz alınır. Ayrıca, bellek adresleri açısından Harvard mimarisi iki ayrı adres kullandığından; boş komut adresi boş veri adresinden de farklı olacaktır. Von Neumann mimarisinde ise ikisi aynı adresi paylaşır.[9]
4. TEMEL PARAMETRELER
4.1. Transistor Sayısı
Neredeyse tüm mantıksal devrelerin temelinde mantıksal işlemleri gerçekleştiren kapılar vardır. Bu kapıların tamamı transistorların farklı sayılarda farklı bağlanmalarıyla elde edilir. Örneğin NAND ve NOR kapılarında 4 adet transistor bulunurken AND, OR, XOR kapılarında 6 adet, NOT kapısında ise iki adet bulunur. “Bir insan beyni ne kadar çok sayıda sinir hücresi ve hücreler arası bağlantı içeriyorsa, o insan o kadar zekidir” demek mantıklı bir iddiadan öteye gidemez, çünkü insan zekasını ölçemiyoruz. Fakat bilgisayar mimarisinde işlemcinin yeteneklerini kesinlikle ölçebiliyoruz. Bir işlemcide ne kadar çok sayıda transistor varsa o kadar kabiliyetlidir demek yanlış olmaz. Burada asıl mesele, işlemcinin boyutunu sabit tutarken içerdiği transistor sayısını artırmaktır. Bunu başarmak yüksek nano-teknoloji gerektiren çok maliyetli bir iştir. Bu nedenle dünyada parmakla sayılacak kadar az sayıda yüksek performanslı işlemci üreticisi firma bulunuyor. Intel ve AMD’yi en çok bilinen iki örnek olarak verebiliriz.
4.2. Transistor Boyutu
Şu an kullanılan işlemciler içersinde milyonlarca hatta milyarlarca transistör bulunuyor ve bunlar işlemcinin performansını doğrudan etkiliyor. Nanometre de bu transistörlerin arasındaki mesafeleri yani yan yana dizilmiş olan transistörlerin uzaklığını ifade etmek için kullanılır. Örnek verecek olursak 14nm teknolojisi ile üretilen işlemcilerdeki transistörler arasındaki mesafe 14 nanometre, 10 nm teknolojisi ile üretilen işlemcilerdeki transistörler arasındaki mesafe ise 10 nanometredir. İşlemcilerdeki nanometre değeri düştükçe transistörler arasındaki mesafe azalır. Böylece transistörler daha az güç tüketir ve daha az ısı yayar. Bu da işlemcinin daha yüksek performansta çalışmasını sağlar. Ayrıca işlemcideki transistörler birbirine ne kadar yakınsa işlemci içerisine o kadar fazla transistör sığdırılabilir. Tabi bu da işlemcinin daha geç ısınmasına ve daha az güç tüketip daha yüksek performansta çalışmasına katkıda bulunur.[7]
4.3. Frekans
GHz (Gigahertz), işlemcilerin hızlarını ve işleme kapasitelerini anlayabilmemiz için kullandığımız bir saat frekansı birimidir. GHz kavramı aynı zamanda kullanıcılar tarafından Saat Hızı (Clock Speed) ve Saat Oranı (Clock Rate) olarak da adlandırılabilmektedir. GHz, bir işlemcinin saniyede gerçekleştirebileceği maksimum işlem sayısını belirtmek için kullanılır. Bir işlemcinin yaptığı her bir hesaplama işlemi 1 Hertz olarak kabul edilir. Genel kanılardan hareketle söyleyecek olursak; bir işlemcinin GHz hızının yüksek olması o işlemciye daha hızlı olma ve daha fazla işlemi gerçekleştirebilme özelliği katar. Elimizde iki farklı bir işlemci olduğunu düşünelim. Bu işlemcilerin biri 2.3 diğeriyse 2.5 GHz hızına sahip olsun. Mimari teknolojisinin aynı olması durumunda 2.5 GHz değerine sahip olan cihaz diğer modelden daha hızlı ve çok işlevli olacaktır. 1 GHz hızına sahip ilk işlemciler 2000 yılında AMD ve Intel tarafından üretilmiştir. Günümüzdeyse artık kullandığımız işlemciler çok daha güçlü ve 3.8 GHz ya da daha üstü GHz değerine sahip işlemcilerdir.[5]
4.4. Marka, Aile, Seri, Nesil, Model,
İşlemci numarası, işlemci gereksinimleriniz için doğru işlemciyi seçerken dikkate alınması gereken işlemci markası, özel sistem yapılandırmaları ve sistem düzeyi karşılaştırmalarıyla birlikte birkaç faktörden biridir.[10]
İşlemci sınıfı veya ailesi içindeki daha yüksek bir sayı genellikle daha fazla özelliğe işaret eder, ancak diğerinden daha fazla ve daha az olabilir. Belirli bir işlemci markasına ve türüne karar verdikten sonra, işlemcinin aradığınız özellikleri içerdiğini doğrulamak için işlemci numaralarını karşılaştırmak gerekir. .[10]
AMD FX İşlemciler: FX serisinden (özellikle FX-8370) başlayarak bir AMD işlemci model numarasının şifresini nasıl çözeceğiniz aşağıda açıklanmıştır.
Seri — Bir istisna FX-9 *** serisi olsa da, belirli model özelliklerinin çekirdek sayısını belirtir. Meraklıları hedef alıyorlar ve 8 çekirdeği var. Bununla birlikte, çoğunlukla, bir FX-8 *** 8 çekirdeğe ve bir FX-6 *** altıya sahip olacaktır.
Üretim — Daha yüksek bir sayı, daha yeni bir nesil anlamına gelir. Örneğin, bir FX-8350 bir FX-8170'dan daha yenidir.
SKU — Aynı işlemci serisi ve nesil içindeki birden fazla işlemciyi karşılaştırmak için kullanışlıdır. Daha yüksek bir sayı daha iyi performans anlamına gelir. Örneğin, bir FX-8370 4,0 GHz frekansa sahipken, FX-8320 sadece 3,5 GHz’e kadar saat ölçer
5. CPU ÇEŞİTLERİ
Piyasada birçok farklı işlemci bulunmaktadır. Dijital kol saati, hesap makinesi, cep telefonu ve daha birçok elektronik eşya mikro işlemci içermektedir. Fakat konu bilgisayar mikro işlemcileri olduğunda iki ana üretici karşımıza çıkmaktadır. Intel ve Advance Micro Devices (AMD) bu pazara liderlik etmektedirler. Intel’in masaüstü bilgisayar işlemcilerinin sınıfları Celeron, Pentium ve Core olarak adlandırılmıştır. AMD’nin işlemci ailesinde ise Semprom, Athlon, Turion bulunmaktadır. Her iki firma da tek çekirdekli ve çok çekirdekli işlemciler üretmektedir.[5]
KAYNAKÇA
[1] Weik, Martin H. (1955). “A Survey of Domestic Electronic Digital Computing Systems”. Ballistic Research Laboratory.
[2] V. Chalotra, “Features of a Central Processing Unit (CPU),” India Study Channel, 10-Jun-2012. [Online]. Available: https://www.indiastudychannel.com/resources/152510-Features-of-a-Central-Processing-Unit-CPU-.aspx. [Accessed: 04-May-2020].
[3] STUDY.COM. [Online]. Available: https://study.com/academy/lesson/central-processing-unit-cpu-parts-definition-function.html. [Accessed: 05-May-2020].
[4] D. M. HARRIS and S. L. HARRIS, Digital design and computer architecture, 2nd ed. London: Elsevier, 2013.
[5] J. Claerr, “About Different Types of Processors,” Techwalla, 27-Apr-2020. [Online]. Available: https://www.techwalla.com/articles/about-different-types-of-processors. [Accessed: 05-May-2020].
[6] BİLTEKTASARİM.COM. [Online]. Available: https://www.biltektasarim.com/blog/-islemci-nedir [Accessed: 05-May-2020].
[7]INCEHESAP.COM. [Online]. Available: https://www.incehesap.com/blog/ islemcilerdeki-nm-degeri-nedir-ve-ne-ise-yarar/ [Accessed: 05-May-2020].
[8] WMARACI.COM. [Online]. Available: https://wmaraci.com/nedir/ghz [Accessed: 05-May-2020].
[9] STUDYLIBTR.COM. [Online]. Available: https://studylibtr.com/doc/2213261/von-neumann-mimarisi-harvard-mimarisi [Accessed: 05-May-2020].
[10] INTEL.COM. [Online]. Available: https://www.intel.com/content/www/ us/en/processors/processor-numbers.html [Accessed: 05-May-2020].
