Mikroilemciler ve Assembler Programlama Temel Mikroilemci Kavramlar Mikroilemcilere

Mikroişlemciler ve Assembler Programlama Temel Mikroişlemci Kavramları Mikroişlemcilere Donanımsal Bakış Assembler Dili ve Özellikleri 1

Mikroişlemci Mikroişlemci, saklı bir komut dizisini ardışıl olarak yerine getirerek veri kabul edebilen ve bunları işleyebilen sayısal bir elektronik eleman olarak tanımlanabilir. Mikroişlemci temelde mantık kapıları, flip-floplar, sayıcı ve saklayıcılar gibi standart sayısal devrelerden oluşur. 2

Mikroişlemci Çağı • 1971, Intel 4004 ve 4040 – – 4 -bit mikroişlemciler 4096 adetlik 4 -bit hafıza bölümü 45 komut Çoğu hesap makinesi ve düşük seviye uygulamalar (mikrodalga fırınlar gibi) hala 4 -bitlik mikroişlemciler kullanır 3

Mikroişlemci Çağı • 1972, Intel 8008 – – – 8 -bit mikroişlemci 16 K satırlık hafıza 48 komut Saniyede 50, 000 komut İşlemci genel olarak çöp terminalleri, hesap makineleri, şişeleme makinalarında kullanılmıştır. 4

Mikroişlemciler (devamı) 1973, Intel 8080 64 K hafıza satırı (8008’den 10 kat daha hızlı) Saniyede 500, 000 komut (komut başına 2 s) Trafik lamba kontrolü, güdümlü füzeler içinde de kullanılmıştır. 5

Mikroişlemciler (devamı) 1974, Motorola 6800 1974, İlk kişisel bilgisayar 1977, Intel 8085 Saniyede 769, 230 (komut başına 1. 3 s) Dahili saat ve sistem yöneticisi 6

Modern Mikroişlemciler 1978, Intel 8086 ve 8088 16 bit mikroişlemciler Komut başına 400 ns. Saniyede 2, 5 milyon komut 1 M satırlık hafıza Çarpma ve bölme komutları 20, 000’den fazla komut çeşitliliği Komut sayısı çok fazla olan mikroişlemcilere CISC (complex instruction set computers – Karmaşık komut setli işlemci) ismi verilir 7

Modern Mikroişlemciler • 1983, Intel 80286 – 16 M büyüklüğünde hafıza – Arttırılmış saat hızı (8 MHz) – Bazı komutların sağlanması 250 ns. alır 8

Modern Mikroişlemciler • 1986, Intel 80386 – 32 bit mikroişlemci – 4 GB büyüklüğünde hafıza • 1989, Intel 80486 – 80386 gibi. Ancak, komutların çalıştırılması, iki değil tek saat çevriminde yapılır – 8 KB önbellek 9

Pentium Mikroişlemci 1993, Intel Pentium (P 5 veya 80586) Giriş verisyonları, 60 & 66 MHz saat frekanslarında ve 110 MIPS hızında çalışmakta idi 16 KB önbellek 30 Hz ve üzerinde video gösterimine olanak tanımakta idi. 10

Modern Mikroişlemciler • • Pentium Pro Pentium III Pentium IV Core 2 Quad Core 64 -bit mikroişlemciler … 11

Tanımlar 12

Entegre Devre Diğer adıyla IC (Integrated Circuits), mikrodevre, mikroçip, silikon çip, veya çip. İnce bir tabaka halindeki yarıiletken materyal üzerinde oluşturulmuş olan minyatür elektronik devredir. Genellikle yarıiletken ve pasif devre elemanlarından oluşur. 13

Mikroişlemci • Merkezi işlemci ünitesi (CPU) fonksiyonlarını tek bir entegre devre üzerinde toplayan programlanabilir sayısal elektronik bileşen olarak adlandırılır. . • 8 -bit, 16 -bit, 32 -bit, ve 64 -bit mikroişlemci: Tek bir seferde işlenebilen bit sayısını ifade eder. • Programların çalıştırılabilmesi için harici bir hafızaya ihtiyaç duyabilir. 14

Mikroişlemci ve Mikrodenetleyici • Mikrobilgisayar: CPU olarak bir mikroişlemci kullanan bir bilgisayar. • Mikrodenetleyici (veya MCU): Bir çipin üzerindeki bilgisayar. Kendine yetebilirlik ve maliyet düşüklüğüne önem veren bir mikroişlemci. • Mikrodenetleyici ile mikroişlemci arasındaki tek fark: • Mikroişlemcide sadece ALU, kontrol ünitesi ve register’lar bulunur. • Mikrodenetleyicide ise ROM, RAM, harici üniteler (zamanlayıcı, Girdi/Çıktı portları ve benzeri) bulunur. 15

Mikroişlemci tabanlı kişisel bilgisayar sistemi 16

Mikroişlemci tabanlı bilgisayar sistemi 17

Genel Yapı 18

Temel Birimler Giriş / Çıkış (Input / Output) : Sayısal, analog ve özel fonksiyonlardan oluşur ve mikroişlemcinin dış dünya ile haberleşmesini sağlar. Hafıza : RAM, ROM, PROM, EEPROM veya bunların herhangi birleşimi olabilir. Bu birim, program ve veri depolamak için kullanılır. Osilatör : Veri ve komutların CPU 'ya alınmasında, yürütülmesinde, kayıt edilmesinde, sonuçların hesaplanmasında ve çıktıların ilgili birimlere gönderilmesinde gerekli olan saat darbelerini üretmektir. 19

Temel Birimler Zamanlama ve Denetim Birimi: Bu kısım sitemin tüm işleyişinden ve işlemin zamanında yapılmasından sorumlu olan birimdir. Bu birim bellekte program bölümünde bulunan komut kodunun alınıp getirilmesi, kodunun çözülmesi, ALU tarafından işlenip, sonucun alınıp belleğe yüklenmesi için gerekli olan denetim sinyalleri üretir. İletişim yolları: Mikroişlemci mimarisine girmese de işlemciyle ayrılmaz bir parça oluşturan iletişim yolları kendi aralarında üçe ayrılır. Adres yolu (Address Bus); Veri yolu (Data Bus); Kontrol yolu 20

Mikroişlemci • Mikroişlemciye aynı zamanda Merkezi İşlem Ünitesi (Central Processing Unit - CPU) de denilir. • CPU, bilgisayar sistemini kontrol eden elemandır. • CPU hafızayı ve girdi/çıktıları bus denilen bağlantılar sayesinde kontrol eder. – Bus: Girdi/çıktı veya hafıza ünitesini seçer, farklı bileşenler arasındaki veri akışlarını gerçekleştirir. • Hafıza ve Girdi/Çıktı üniteleri, hafızada bulunan ve mikroişlemci tarafından çalıştırılan komutlar sayesinde kontrol edilir. 21

Mikroişlemci • Mikroişlemcinin üç temel işlevi bulunur: – Kendisi ile hafıza ve girdi/çıktı sistemleri arasındaki veri akışını kontrol eder. – Temel aritmetik ve mantık operasyonlarını gerçekleştirir. – Temel karar mekanizmaları ile program akışını kontrol eder. • CPU aşağıdaki bileşenlerden oluşur: – Aritmetik Mantık Ünitesi: Arithmetic Logic Unit (ALU) – Register’lar – Kontrol Ünitesi 22

ALU • Aritmetik ve mantık operasyonlarını gerçekleştirir. • Ana hafızadan ve/veya register’lardan verileri alır ve sonuçların bu ünitelere yazılmasını sağlar. • Mikroişlemci, bir sayının sıfır mı, pozitif mi … ve benzeri durumlarını kontrol eder. • Bu durumları da göz önüne alarak oluşturulan program akışı sayesinde, sistem ile ilgili temel kararlar verilmesine olanak tanır. 23

ALU 24

Aritmetik ve mantık operasyonları Operasyon Addition Subtraction Multiplication Division AND OR NOT NEG Shift Rotate Yorum Mantıksal çarpma Mantıksal toplama Mantıksal değilleme Aritmetik değilleme 25

Kararlar Karar Yorum Zero Sayının sıfır olup olmadığını test eder Sign Sayının pozitif mi negatif mi olduğunu test eder Carry Toplamadan dolayı oluşan eldeyi ve çıkarmadan dolayı oluşan ödünç alma işlemlerini test eder Parity Sayının çift mi tek mi olduğunu test eder Overflow Toplama veya çıkarma sonucunda oluşan sayının geçerliliğini kontrol eder 26

Register’lar CPU’nun ikili sayıları hızlı okumaları ve yazmaları için özelleşmiş bölgeler. Veri veya adres değerlerini tutabilirler. Sayıları ve tipleri, CPU dizaynına bağlıdır. CPU ve girdi/çıktı alt sistemi tarafından kullanılabilirler. 27

Register’lar Flip-floplardan oluşan birimlerdir. Kaydediciler genel amaçlı ve özel amaçlı olmak üzere iki grupta incelenmektedir. Genel amaçlı registerlar grubuna A, B, C ve D registerları girer. Özel amaçlı registerlara örnek olarak ise; PC (Program Counter, Program Sayacı), anlık icra edilen komutun adresi bu kaydedicide tutulur. SP (Stack Pointer- Yığın İşaretçisi) Flags (Bayraklar) verilebilir. 28

Kontrol Ünitesi • Mikroişlemcinin çalışmasını kontrol eden merkezi ünite. • Aşağıdaki işlemleri sırası ile gerçekleştirir: – Fetch: Makine dili komutlarını hafızadan okur – Decode: Komutları tanımlar – Execute: Komutların karşılanmasını sağlar • Gerekli verileri register’lardan veya hafızadan alır • Gerekli işlemlerin yapılmasını sağlar • Sonuçları register’lara veya hafızaya yazar 29

Hafıza • Aynı büyüklükteki (genellikle byte) verilerin tutulduğu sayısal bölgeler. • Genellikle ardışık byte’lar word (2 byte) ve double word (4 byte) oluşturur. • Hafızadaki her satırın ayrı bir adresi bulunur. 16 -bit adres, 65, 636 (64 K) hafıza satırının tanımlanmasına olanak tanır. • Dikkat: Bilgisayardaki adres büyüklüğü ile hafızadaki toplam büyüklüğü birbiri ile karıştırmayın. • Hafızadan veri transferi read (okuma) operasyonudur. Hafızaya veri transferi write (yazma) operasyonudur. 30

Bus • Bilgisayar sisteminde bileşenleri bağlayan kablolar grubu • Mikroişlemci, hafıza ve girdi/çıktı üniteleri arasındaki adres, veri ve kontrol bilgilerini transfer eder. • Bazı cihazlar aynı ortak yolu kullanabilirler. Ancak bir zaman diliminde sadece bir tanesi veri yolunu kullanıyor olabilir. 31

Bus (devam) • Address bus: CPU tarafından, halihazırdaki komutun gereksinim duyduğu okuma ve yazma operasyonlarının hangi adres ile ilişkili olduğu bilgisini iletmede kullanılır. • Data bus: Mikrobilgisayarın farklı parçaları arasındaki veri akışlarında kullanılır. – data bus width (bit olarak): Mikrobilgisayar sistemindeki verilerin büyüklüğünü tanımlar. • Control bus: Mikrobilgisayar içerisindeki olayların kontrolünde ve senkronizasyonunda kullanılan sinyallerin iletiminde kullanılır. 32

Bus Yapısı 33

8 Bitlik Mimari 34

16 Bitlik Mimari 35

32 Bitlik Mimari 36

Mikroişlemci Mimarileri 37

Mikroişlemci Tasarım Mimarileri Bilgisayarın yüklenen tüm görevleri çok kısa zamanda yerine getirmesinde yatan ana unsur bilgisayarın tasarım mimarisidir. Bir mikroişlemci, mimari yetenekleri ve tasarım felsefesiyle şekillenir. İki temel mimari vardır. Von Neuman Harvard 38

Von Neuman (Princeton) Mimarisi Bilgisayarlarda ilk kullanılan mimaridir. İlk bilgisayarlar Von Neuman yapısından yola çıkılarak geliştirilmiştir. Geliştirilen bu bilgisayar beş birimden oluşmaktaydı. Bu birimler; aritmetik ve mantıksal birim, kontrol birim, bellek, giriş-çıkış birimi ve bu birimler arasında iletişimi sağlayan yolardan oluşur 39

Von Neuman (Princeton) Mimarisi 40

Von Neuman (Princeton) Mimarisi Bu mimaride veri ve komutlar bellekten tek bir yoldan mikroişlemciye getirilerek işlenmektedir. Program ve veri aynı bellekte bulunduğundan, komut ve veri gerekli olduğunda aynı iletişim yolunu kullanmaktadır. Bu durumda, komut için bir algetir (Fetch) çevrimi, sonra veri için diğer bir algetir çevrimi gerekmektedir. 41

Von Neuman (Princeton) Mimarisi Von Neuman mimarisinde, veri bellekten alınıp işledikten sonra tekrar belleğe gönderilmesinde çok zaman harcanır. Bundan başka, veri ve komutlar aynı bellek biriminde depolandığından, yanlışlıkla komut diye veri alanından kod getirilmesi sıkıntılara sebep olmaktadır. Bu mimari yaklaşımına sahip olan bilgisayarlar günümüzde, verilerin işlenmesinde, bilginin derlenmesinde ve sayısal problemlerde olduğu kadar endüstriyel denetimlerde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. 42

Harvard Mimarisi Harvard mimarili bilgisayar sistemlerinde veri ve komutların ayrı belleklerde tutulur. Buna göre, veri ve komut aktarımında iletişim yolları da birinden bağımsız yapıda bulunmaktadırlar. Komutla birlikte veri aynı çevrimde farklı iletişim yolundan ilgili belleklerden alınıp işlemciye getirilebilir. Getirilen komut işlenip ilgili verisi veri belleğinden alınırken sıradaki komut, komut belleğinden alınıp getirilebilir. Bu önden alıp getirme işlemi, dallanma haricinde hızı iki katına çıkarabilmektedir. 43

Harvard Mimarisi 44

Harvard Mimarisi Bu mimari günümüzde daha çok sayısal sinyal işlemcilerinde (DSP) kullanılmaktadır. Bu mimaride program içerisinde döngüler ve zaman gecikmeleri daha kolay ayarlanır. Von Neuman yapısına göre daha hızlıdır. Özellikle PIC mikrodenetleyicilerinde bu yapı kullanılır. 45

Mikroişlemci Komut Mimarileri Mikroişlemciler komutları işleme teknikleri açısından iki mimariye ayrılmaktadır. Karmaşık komut kümeli bilgisayar (CISC) Azaltılmış komut kümeli bilgisayar (RISC) 46

CISC (Complex Instruction Set Computer) Mimarisi Bu mimari, programlanması kolay ve etkin bellek kullanımı sağlayan tasarım felsefesinin bir ürünüdür. İşlemci üzerinde performans düşüklüğü ve işlemcinin karmaşık bir hale gelmesine neden olsa da yazılımı basitleştirmektedir. Bu mimarinin en önemli iki özelliği, değişken uzunluktaki komutlar diğeri ise karmaşık komutlardır. Değişken ve karmaşık uzunluktaki komutlar bellek tasarrufu sağlar. Karmaşık komutlar birden fazla komutu tek bir hale getirirler. CISC komut seti mümkün olabilen her durum için bir komut içermektedir. CISC mimarisinde yeni geliştirilen bir mikroişlemci eski mikroişlemcilerin assembly dilini desteklemektedir. 47

CISC 48

RISC (Reduced Instruction Set Computer) Mimarisi RISC mimarisinin en önemli özelliği küçültülen komut kümesi ve azaltılan adresleme modları sayısıdır. Bunun yanında aşağıdaki özelliklere sahiptir. • Bir çevrimlik zamanda komut işleyebilme • Aynı uzunluk ve sabit formatta komut kümesine sahip olma • Ana belleğe sadece “load” ve “store” komutlarıyla erişim; operasyonların sadece kaydedici üzerinde yapılması • Yüksek seviyeli dilleri destekleme • Çok sayıda kaydediciye sahip olması 49

RISC 50

RISC ve CISC Mimarilerinin Karşılaştırılması Hız ve Transistör sayısı karşılaştırmada iki önemli etkendir. 51

Assembler 52

Programlama gelişmeleri • Programlanabilir makineler geliştirilmeye başlanınca, programlar ve programlama dilleri de gelişmeye başladı • Bağlantıların yeri değiştirilerek programlama yapmak oldukça zor olduğu için, bilgisayar dilleri gelişmeye başladı. • İlk makine dili, birler ve sıfırlar ile geliştirildi. – Hafızada program denilen bir grup komut biçiminde idi 53

Assembly dili • 1950 lerin başlarında, UNIVAC benzeri sistemlerin gelişmesi ile, digital komutların girilmesini kolaylaştıran assembly dilleri kullanılmaya başlandı. • Assembler, kullanıcıların anlaşılabilir kodlar yazmasına izin verdi… – Toplama için ADD komutu gibi • Digital komutlar yerine – 0100 0111 gibi • Assembly dili, programlama yapmak için kullanışlı bir araç haline geldi. 54

Yüksek seviye programlama dilleri 1957, FLOWMATIC, Grace Hopper 1957, FORTRAN, IBM 1958, ALGOL COBOL RPG BASIC, PASCAL, ADA C / C++ / C# / JAVA 55

Yüksek seviye programlama dilleri ve assembly • Bilimsel amaçlı genellikle C/C++ kullanır. – Bazen PASCAL ve FORTRAN • Güncel bir istatistik, gömülü sistem geliştiricilerinin yaklaşık % 60’ının C programlama dilini kullandıklarını göstermektedir. – % 30 assembly dilini kullanır – Geri kalanlar ise genellikle BASIC ve JAVA 56

Assembly’nin önemi • C/C++, genellikle assembly dili kullanan düşük seviye kontrol yazılımlarında kullanılmaya başlandı. • Ancak, assembly dili hala önemli bir yere sahiptir. – Çoğu video oyunu, neredeyse tamamen assembly dilinde yazılır • Assembly ayrıca, C/C++ ile entegre olarak, bazı kontrol fonksiyonlarının daha hızlı gerçekleştirilmesini sağlar. – Pentium ve çift çekirdekli işlemcilerde kullanılan bazı paralel komutlar, sadece assembly dilinde yazılır. 57

Adresleme Modları Anında Adresleme (Immediate Addressing) Opcode+Operand(Verinin kendisi) Mutlak Adresleme (Absolute Addressing) Operandtaki bilgi, verinin bulunduğu kaydedicinin adıdır. Doğrudan Adresleme (Direct Addressing) Opcode+Operand(Verinin adresi) 58

Adresleme Modları Dolaylı Adresleme (Indirect Addressing) Opcode+Operand(Bu adreste verinin adresi bulunur) Sıralı Adresleme (Indexed) Sıralama kaydedicinde veri dizisinin ilk elemanın adresi bulunur. Bu adres baz alınarak diğer verilere erişilir. Bağıl Adresleme (Relative) Dallanma komutlarında, gidilecek yerin PC de adresten ne kadar uzakta olduğunu gösterir. 59