İşlemci (CPU - Merkezi İşlem Birimi)

Bilgisayarın yaptığı tüm görevleri yürüten, yönlendiren ve bilgisayarın adeta beyni gibi tüm işlemleri yapan donanım birimidir. Bilgisayarda işlemler yürütülürken kendisine verilen komutları yerine getiren en önemli bileşene işlemci denir. Milyonlarca transistörlerden oluşmuştur. İşlemcinin matematiksel ve mantıksal işlemleri yapan birimine ALU(Aritmetic Logic Unit) denir. İşlemcinin ALU’dan geriye kalan yapısını, hafıza birimleri, veriyolları, çeşitli kontrol ve denetleme bileşenleri oluşturur. Günümüzde bilgisayar, tablet, cep telefonu, gibi sistemlerde kullanılmak üzere Intel, AMD, Samsung, IMB, Mediatek… gibi işlemci üreticileri vardır.

Bir işlemci, üretim aşamasında kendi yapısına dahil edilmiş ve çeşitli komutları yürütebilen devre yapılarına sahiptir. Üretim aşamasında işlemci üzerine dahil edilen ve komutları icra edebilen bu devre kümesine komut seti (Instruction set) denilmektedir. Bazı komut setleri MMX, 3DNOW, SSE, SSE2, SSE3, XOP… komut setleri örnek verilebilir.

İşlemciler temelde aşağıdaki işlemleri yapabilmektedir.

Atama İşlemleri (bellekler arası veri taşıma ve kopyalama işlemleri)
Aritmatiksel ve mantıksal işlemler (toplama, çıkarma, çarpma, bölme, ve, veya, kaydırma…işlemleri)
Dallanma ve kontrol işlemleri (programın akış yönünü duruma göre değiştiren çeşitli dallanma kodları)

İşlemciye ait Bileşenler

ALU (Aritmatik ve Mantıksal İşlem Birimi): Aritmetiksel ve mantıksal işlemler burada yapılır.
Program Sayacı (Program Counter): RAM üzerinde bulunan sıradaki işletilecek kodun adresini tutar.
Kod Kaydedici (Instruction Register): RAM’dan işletilmek üzere getirilen kodun geçici olarak tutulduğu hafızadır.
Kod Çözücü (Instruction Decoder): Kodlar parametreleri ile hafızada yer alırlar (Parametresiz kodlarda vardır). Kod parametreleri adres verisi, register adı veya sabit sayılar olabilir. Kod çözücü ALU üzerinde icra edilecek komutla parametrelerini kod bilgisinden ayıklar. Yani kod kaydedicisinde tutulan kodu ALU için anlamlı hale getirir (çözer).
Kaydediciler( Registery): İşlemci içerisinde sayıları depolamak için kullanılan geçici hafıza birimleridir. İşlemci veri uzunluğu kadar genişliğe (32, 64 bit) sahiptirler.
Bayraklar (Flags): ALU’nun yaptığı işlemlerin sonuçlarını gösteren ve 1 bit genişliğinde büyüklüğe sahip hafıza gözleridir. İşlemlerin sonucuna göre 1 ya da 0 değerlerini alır. Bayrak hafıza gözlerinden sıfır, işaret, elde, eşlik, taşma gibi isimlendirmelerle anılan örnekler verilebilir Örneğin bir çıkarma işleminde sonuç sıfır çıkacaksa sıfır bayrağı 1 değerini alır.

İşlemci Mimarisi

İşlemciler mimari (architecture) olarak gruplara ayrılırlar. Ortak mimariye sahip olan işlemciler aynı komutları tanımakta ve aynı yazılımları çalıştırabilmektedirler. Günümüz işlemcileri yaygın olarak iki mimariye sahiptir.

1- CISC Mimari

CISC (Complex Insruction Set Computer) Karmaşık Komut Seti Bilgisayarı anlamına gelir. CISC yapıda RISC yapıya göre daha fazla komut vardır. 70’li yıllarda geliştirilen bu mimari, programlanması kolay ve etkin bellek kullanımı sağlayan tasarım felsefesinin ürünüdür.

İşlemcinin, komut kodlarının her birine karşılık gelen mikrokod komut gruplarını içeren ROM belleği vardır. Bir makine kodu işlemciye eriştiğinde, işlemci kodun daha basit komutlara ayrılmış parçalarını yürütür.

Bu yapıda, komut kümesi aynı kaldığı için programlar, farklı sistemler üzerinde yeniden derlemeye gerek kalmaksızın çalıştırılabilirler. Geliştirilen yeni komutlar eskilerinin üzerine eklenerek geriye doğru olan uyumluluk sağlanır.

CISC Mimarisinin Avantajları

Mikro programların yürütülmesi kolaydır.
Geriye doğru uyumludur.
Mikrokod ROM’A eklenen her bir komut ile CPU daha yetenekli olmaya başlamakta ve verilen bir görevi yürütmek için daha az zaman harcamaktadır.

CISC Mimarisinin Dezavantajları

CPU yapısı her kuşak işlemci ile beraber daha karmaşıklaşmıştır.
Farklı komutlar farklı sayıda saat çevrimine gerek duyacaklarından performans düşmesi gözlenir.

2-RISC Mimari

RISC (Reduced Instruction Set Computer) Azaltılmış Komut Seti Bilgisayarı anlamına gelmektedir. CISC mimarili işlemcilerin kötü yanlarına piyasanın tepkilerine cevap olarak tasarımcı firmalardan IBM, Apple ve Motorola tarafından sistematik olarak tasarlanmıştır.

Bütün komutlar tekbir çevrimde çalıştırılmalıdır.
Belleğe sadece Load ve Store komutlarıyla erişilmelidir.
Bütün icra işlemleri Mikrokod kullanmadan donanımdan çalıştırılmalıdır.

RISC Mimarisinin Avantajları

Azaltılmış komut kümesi sayesinde daha hızlı çalışırlar.
Komut kümesi az olunca donanımsal basitlik söz konusudur.
CISC işlemcilere göre daha çabuk tasarlanabilirler.
Yüksek seviyeli dilleri destekler.
Programcılar açısından bakıldığından CISC mimariye göre aynı programı yazmak için daha kod yazma ihtiyacı vardır.
Fiyat olarak CISC mimarili işlemcilere göre daha ucuzdur.

RISC Mimarisinin Dezavantajları

RISC işlemcinin performansı işlediğikodun algoritmasına çok bağlıdır. Eğerprogramcı veya derleyici komutprogramlamada zayıf kalırsa, işlemciatıl durumda kalarak bir parçagecikme oluşturulur.
Doğrudan bellek üzerinde işlem yapan komut yoktur.
İşlemcinin üzerinde çalışınlan yazılımlar pahalıdır. Çünkü daha uzun zamanda oluşturulur.

Kaynakça: Laptoptera, Microprocessorforyou, Computersciencewiki, Stanford, Wikipedia

Yaşar, E. (2018).Bilgisayar Donanımı. Bursa: Ekin Basım Yayın Dağıtım (59-61)