Merkezi İşlem Birimi ( CPU ) İşlemci

Merkezi işlem birimi (MİB veya CPU) bir bilgisayarın en önemli parçasıdır. Çalıştırılmakta olan yazılımın içinde bulunan komutları işler. İşlemci terimi genelde MİB için kullanılır. Mikroişlemci ise tek bir yonga içine yerleştirilmiş bir MİB'dir. Genelde, günümüzde MİB'ler mikroişlemci şeklindedir.

Cpu (Merkezi işlem birimi) [ing. Central Process Unit], veya basitçe işlemci, dijital bilgisayarların veri işleyen ve program komutlarını gerçekleştiren bölümüdür. İşlemciler, ana depolama ve giriş/çıkış işlemleri ile birlikte bilgisayarların en gerekli parçaları arasında yer alır. Mikroişlemciler ise tek bir yonga içine yerleştirilirmiş bir merkezi işlem birimidir. 1970'lerin ortasından itibaren gelişen mikroişlemciler ve bunların kullanımı, günümüzde Cpu teriminin genel olarak mikroişlemciler yerine de kullanılması sonucunu doğurmuştur.

Merkezi işlem birimi aritmetik ve mantıksal işlem yapma yeteneğine sahiptir. Giriş ve çıkış birimleri arasında verilen program ile uygun çalışmayı sağlar. MİB makine dili denilen düşük seviyeli kodlama sistemi ile çalışır; bu kodlama sistemi bilgisayarın algılayabileceği operasyon kodlarından (opcode) oluşur. Bir mikroişlemcinin algılayabileceği kodların tamamına o işlemcinin komut kümesi denir.

Merkezi işlem birimi aritmetik ve mantıksal işlemleri Aritmetik Mantık Birimi (AMB) aracılığıyla yapar. Bunun dışında virgüllü sayılarla daha rahat hesap yapabilmesi için bir Kayan Nokta işlem birimi (FPU) vardır. Mikroişlemcinin içerisinde bulunan küçük veri saklama alanlarına yazmaç denir.






Çoğu Cpu’nun temel işlemi, aldıkları fiziksel formdan bağımsız olarak, kayıtlı komut serilerisi dediğimiz programları yürütmektir.. Program, bilgisayar belleğinde saklanan seri sayılar ile gösterilir. Genel olarak von Neumann Cpu’ları işlemi 4 adımda gerçekleştirirler: Getirme (fetch), kodçözücü(decode), yürütme(execute) ve geri yazma(writeback).

Getirme evresi (fetch): Bu evre, program belleğinden komutu almayı içerir. Program belleğindeki yer, programın o andaki yerini bir sayıyla tutan program sayıcı tarafından belirlenir. Başka bir deyişle, program sayıcı, Cpu’nun o andaki programın hangi kısmında olduğunun yerini tutmaktadır. Bir komut alındıktan sonra PC( program sayıcı) , alınan komutun boyunun bellek birim cinsinden değeri kadar artırılır. Bazen getirilmesi gereken komut hızca daha yavaş bir bellekten alınır, böylece Cpu’nun komutun geri dönmesini beklerken zaman kazanması sağlanır. Bu konu modern işlemcilerde bellekler ve boruhattı mimarilerinde geniş olarak incelenmektedir.

Kod çözme(decode): Cpu’nun bellekten getirdiği komut, Cpu’nun ne yapacağını belirlemede kullanılır. İşte bu kodçözme evresinde, komut Cpu’daki önem oranına göre parçalara ayrılır. Sayısal kodun değerinin yorumlanması, Cpu’nun komut set mimarisi (Instruction Set Architecture) ile tanımlanır. Genelde, komuttaki sayiların bir grubu, opcode, hangi işlevin gerçekleştirmesi gerektiğini gösterir. Geri kalan kısımdaki sayılar komut için gerekli bilgileri sağlarlar (örneğin bir toplam işlemi için gereken işlenen değerler). Bu tip işlenenler sabit bir sayı olarak verilebileceği gibi, bazende bir değeri gösterecek yer olarak (yazmaç veya bellek adresi) olarak verilebilir. Eski tasarımlarda, Cpu’nun komut çözme işinde sahip olduğu kısımlar değiştirilemez donanımsal parçalardı. Ancak Cpu’ların ve ISA’ların gelişmesiyle, kodun çözümünde ve gerekli ayarların yapılmasında Cpu’ya yardımcı olan mikroprogramlar kullanılmaya başlandı. Bu mikroprogramlar, Cpu’nun kodçözme şeklini üretiminden sonra da değiştirebilmek için, bazı durumlarda tekrar yazılabilir olurlardı.

Yürütme(execute): Bu evrede, istenen işin gerçekleşebilmesi için Cpu’nun birçok kısmı bağlı haldedir. Örneğin, bir toplama işlemi istendiğinde, aritmek ve mantık birimi (Arithmetic Logic Unit) bir kısım giriş ve çıkışlara bağlı olacaktır. Girişler toplada kullanılacak sayıları içerirken, çıkışlar ise sonuc değerini tutacaktır. ALU, girişlerde basit aritmetik ve mantık işlemlerini gerçekleştirecek devre yapılarına sahiptir. Eğer toplama işlemi Cpu’nun gerçekleştirebileceğinden çok büyük sonuçlar üretiyorsa, bayrak yazmaçlarında ki aritkemik taşma bayrağı kullanılacaktır.

Geri yazma(writeback): Basitçe yürütme evresindeki sonucu bir bellek üzerine geri yazma evresidir. Çoğu zaman sonuçlar Cpu’nun iç yazmaçlarına, daha sonraki komutlarda kullanımı hızlı olabilsin amacıyla, yazılır. Diğer durumlarda ise sonuçlar daha yavaş ancak daha ucuz ve büyük ana belleklere yazılır. Bazı komut tipleri program sayacını direk sonuç üretmeden sadece işlerler. Bunlara genellikle atlama (jumps) denir ve döngü, durumsal program yürütme ve program fonksiyonları gibi davranırlar. Bazı komutlar ise bayrak yazmaçlarının durum değerlerini değiştirme amaçlı olurlar. Bu bayraklar, işlemlerin sonucunu gösterdiğinden, programın çalışma şeklini etkilemek amaçlı kullanılabilirler. Örneğin, “karşılaştırma” komutunun bir çeşiti, iki değeri kıyaslar ve bayrak yazmaçlarına hangisinin büyük olduğuna dair bir sayı atar. Bu bayrak daha sonra program akışı acısından başka bir komuta atlama amaçlı kullanılabilr.

Yürütme ve geri yazma evresinden sonra, tüm işlemler tekrarlanır. Bir sonraki komut program sayacının onceden artırılması sebebiyle getirme evresiyle başlatılır. Eğer önceden tamamlanan komut bir atlama ise, program sayacı bir sonraki adresi gösterecek şekilde tekrar ayarlanır ve yürütme ona göre yapılır. Burda bahsettiğimiz Cpu’lardan daha gelişmiş olanlarında, birden çok komut aynı anda getirilebilir, kodçözme everisine girebilir ve yürütülebilir. Bu kısım genel olarak Klasik RISC Boruhattı başlığında incelenen konuları anlatmaktadır, ki bir çok elektronik aygıtta (mikrodenetleyici) bu basit Cpu kullanılmaktadır.