İşlemci Nedir?

 İşlemci Nedir?

   Uzunca bir süre vakit ayıramadığım için bloğu aksatmıştım. Bu nedenle işlemci nedir sorusunun cevabını arayacağımız bu yazıyı yazmaya karar verdim. Aslında bu yazı yapacağım serinin ilk yazısı olacak. Serinin işlemcilerle alakalı olacağı aşikar ancak tam konu sürpriz olsun :). Geçelim konumuza;

   İşlemci klasik tanımıyla mantıksal ve matematiksel işlemleri yapan bir nevi bilgisayar, telefon vb. cihazların beyni diyebileceğimiz elektronik yongadır. İçerisinde milyonlar mertebesinde transistör ve bu transistörlerin birleşiminden meydana gelen mantıksal birimler bulunur. Dış dünya ile pinleri vasıtasıyla bağlantı kurar.

Şekil-1: İntel işlemci ve pinleri

   İşlemciler genelde veri yoluna(data hattına) göre sınıflandırılır. En çok bilinenleri 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bitlik veri yoluna sahip işlemcilerdir. Günümüzde teknolojinin de gelişmesi ile 8 bit işlemci bulmak neredeyse imkansız hale gelmiştir. 8 bitlik işlemciler için çocukluğumuzda oynadığımız atarileri örnek verebiliriz. Peki neyi değiştiriyor bu veri yolu büyüklüğü? 8 bitlik işlemciye en fazla 8 bit uzunluğunda veri gönderebilirsiniz. Ya da 8 bitlik işlem yaptırabilirsiniz. Örneğin 8 bitlik işlemcide tek seferde en fazla 2 tane 255 i toplayabilirsiniz. Yapacağınız işlem sonucu şöyle bir yol takip edilerek hesaplanır.

→Toplanacak 1.sayıyı akümülatöre(A kayıtçısı/registerı) yaz.

→Toplanacak 2.sayıyı B kayıtçısına yaz.

→A ve B kayıtçılarını topla.

A ve B kayıtçıları 8 bit uzunluğunda olan kayıtçılardır.

8 bitlik sonuç için:

→Sonucu akümülatöre yaz.

→Akümülatördeki sonucu kod hafızaya(ROM) taşı.

8 bitten uzun sonuç için:

→Düşük değerlikli 8 biti a kayıtçısına yaz.

→Yüksek değerlikli 8 biti b kayıtçısına yaz.

→Düşük değerlikli 8 biti kod hafızaya(ROM) taşı.

→Yüksek değerlikli 8 biti kod hafızaya(ROM) taşı. (Düşük değerli 8 bitin soluna gelecek şekilde adresleme yapılır.)

  Burada da görüldüğü üzere sonucu 16 bit uzunluğunda olan bir işlem yapıldığında 8 bitlik işlemci fazladan işlem yapmak zorunda kalıyor. Oysa 16 bitlik veya daha fazla bit uzunluğuna sahip bir işlemci olsaydı tek registera(kayıtçıya) yazıp direk ROM'a kaydedebilirdi. Yani işlemcilerdeki bit olayı çalışma hızını ve tek seferde işlemciye gönderilip- işlemciden alınacak veri miktarını belirliyor. Biraz ayrıntı oldu ama en iyi bu şekilde anlatılıyor.

Core(Çekirdek) Sayısı 

  Artık telefonlarda bile 4 çekirdek, 8 çekirdek muhabbetini duyar olduk. Peki nedir bu çekirdek olayı. Tek bir işlemci kılıfı içerisinde birden fazla işlemci varmış gibi düşünebiliriz. Ancak aslında aynı data ve adres hatlarına bağlılar ve aslında tek bir işlemci gibi çalışıyorlar. Peki aynı kapasitedeki tek çekirdekli işlemciden ne farkı var? Bunu da şöyle açıklayalım; Diyelim ki dört çekirdekli işlemcisi olan bir bilgisayara sahipsiniz. Bilgisayarınızda hiçbir program açık değil. İşletim sistemi sadece kendi temel işlemlerini yapıyor. Yani kaynak kullanımı çok düşük. İşte bu durumda iken 4 çekirdekten sadece 1'i çalışıyor. Diğer 3 çekirdek uykuda. Eğer tek çekirdekli olsaydı işlemcinin tamamı uyanık olmak zorunda kalacaktı. İnternet tarayıcısını açtınız, office uygulamalarını açtınız bir kaç program aynı anda çalışmaya başladı. Bu kez ikinci çekirdek devreye giriyor. 2 çekirdek aktif 2 çekirdek uykuda. Yüksek performans gerektiren bir oyun vb. bir program açtığınızda ise tüm çekirdekler aktif oluyor. Bu bize düşük güç tüketimi avantajını sağlıyor. Boş yere tüm işlemciyi çalıştırmıyoruz. Peki bir çekirdek bir işi yaparken diğer çekirdek başka bir programı mı çalıştırıyor? Cevap hayır. Tam anlamıyla paralel işlem yaptığını söyleyemeyiz. Çünkü birlikte çalışıyorlar iken tek bir işlemci gibi hareket ediyorlar ve öyle olmak zorunda. Çünkü aynı data ve aynı adres hatlarına bağlılar. Eğer öyle olsaydı çekirdeklerden biri ramden veri çekerken diğeri onu beklemek zorunda kalırdı. Belki işlemcinin kendi içindeki belli rutin işlemler için iş bölümü olabilir ancak kesin kes diğer çevre birimleri ile aynı anda işlem yapamazlar.

  Peki ben aynı anda 1 den fazla program çalıştırıyorum, bu nasıl oluyor. Aslında teknik olarak programların hepsi aynı anda çalışmıyor. Bir tür zamanlama tekniği sayesinde biz hepsi aynı anda çalışıyor zannediyoruz. İşlemcinin hangi işlemlerle ilgileneceğini belirleyen bir zaman döngüsü var. Bu zaman döngüsü o anda yapılan işlemler arasında paylaştırılıyor. Döngümüzün 10 ms(mili saniye) olduğunu varsayalım. Bunun 3 ms'si işletim sistemi ile ilgili programlarla alakalı olsun. Kalanların da o anda açık olan programlar arasında şöyle paylaştırıldığını düşünelim. Chrome 3 ms, word 2ms, müzik uygulaması 2ms olduğunu varsayalım. Tabi bu uygulamaların kendi aralarında bir öncelik ataması var. Ayarlardan çoğu uygulamanın önceliğinin değiştirilmesi de mümkün. 10 ms lik döngüyü 3,3,2,2 şeklinde paylaştırdık. Bu döngü işlemcinin işlem yapma döngüsüdür. İşlemci ilk önce 3 ms boyunca işletim sistemi programları ile ilgilenir, sonra 3 ms chrome, 2 ms word, 2 ms müzik uygulaması ile ilgilenir. Sonra başa döner. Bu oldukça hızlı olduğu için hepsi aynı anda çalışmış gibi hissederiz. Siz ne kadar program açarsanız program başına ayrılan işlem süresi azalır. Bu nedenledir ki siz program açtıkça bilgisayarın yavaşladığını hissedersiniz. Tabi burada var saydığımız değerler farazi çünkü işlemciler GHz mertebesinde yani çok hızlı çalışıyorlar. Buradaki aynı anda çalışıyormuş hissiyatını 4 farklı lambanın sırayla yakılıp söndürüldüğünü düşünerek anlamaya çalışalım. 1 saniyede sırayla tüm lambaları yakıp söndürürsek lambaların sırayla yandığını görürüz. Süreyi azaltmaya başladıkça lambaların titreyerek yandığını görürüz. Lambaları saniyede 300 defa yada daha fazla yakıp söndürürsek lambaların hiç sönmediğini hepsinin aynı anda yandığını görürüz. İşte işlemci de buna benzer mantıkla programları belli bir sıra ile çalıştırmaktadır. 

İşlemcilerin Üretimi

  İşlemciler silikon adı da verilen yarıiletken malzemeden üretilir. Silisyum toprakta bol miktarda bulunur ancak yeterli saflık düzeyine ulaştırmak biraz maliyetli. Kalkıp da ben bir işlemci yapacağım derseniz en %99.99 oranında saflığa sahip silisyuma ihtiyacınız var. İyi işlemci üreten firmalarda bu saflık çok daha fazladır muhtemelen. Sağ tarafa her bir dokuz rakamı eklendiğinde maliyet inanılmaz artıyor. Tabi büyük firmalar milyonlarca işlemci ürettiği için birim başına maliyeti düşürebiliyorlar. Silisyumu saflaştırıldıktan sonra eritilip düzgün bir hale getiriliyor. Daha sonra bu erimiş ve katılaşmış malzemeden çok ince diskler kesiliyor. Bu disklerin üzerine çeşitli kimyasal buharlar ve iyonlar uygulanıyor. Bu kimyasal maddeler diskin üzerine yapışıp bir katman oluşuyor. Fakat burada asıl amaç bir devre katmanı oluşturmaktı ama diskin her yerine bu malzeme yapıştı. İşte bunu engellemek için maske adı verilen ve daha önceden hazırlanmış devre şeması optik yöntemler kullanılarak küçültülüyor ve lazerle diskin üzerine yansıtılıyor. Bu sayede üzerine buhar yapışması istenmeye yerlere yapışmıyor ve diğer yerlere yapışarak katman oluşturuyor. İşte bu aslında mikro düzeyde bir devre oluşturuyor. Bu işlem birçok defa katmanlar oluşturularak devam ettiriliyor. Bir tek diskin üzerinde onlarca işlemci üretiliyor. Bu yüzden disk kesilerek işlemciler birbirinden ayrılıyor. Pinleri ve kılıfı da takılınca bildiğimiz işlemci halini alıyor. Tabi bu anlatım çok hızlandırılmış bir anlatım. Aynı anlatımın video versiyonunu aşağıda Intel'in hazırlamış olduğu Kumdan Silikona adlı videoda izleyebilirsiniz.

Şekil-2: Video-Kumdan Silikona 

En çok para harcanan kısım mercekle küçültülerek disk üzerine yansıtılan devrenin tasarımı. Yani işlemcinin tasarım kısmı. Bazı firmalar işlemci üretmez sadece bu tasarımı yapar ve kullanacak olan şirketlere ya da üreticilere lisansını satarak tasarımını verir. Üretici firma da tasarımcı firmanın lisansı altında o işlemcinin üretimini gerçekleştirebilir. 

 İşlemcilerin tarihine girmeyi düşünmüyorum çünkü anlat anlat işin içinden çıkamam gibi geliyor. Ancak işlemcinin tarihini 1940'lı yıllarda transistörün icadına hatta diyota kadar götürebiliriz. Transistörden önce de ENIAC adlı meşhur oda büyüklüğündeki bilgisayarda tarnsistörün görevini vakumlu tüpler yapıyordu. Fakat bu koca bilgisayarın yaptığı tek şey basit hesaplamalardan başka bir şey değildi. Transistörün icadından sonra elektronik çok hızlı bir şekilde gelişti ve nano teknolojinin hızlanmasıyla birlikte bilgisayarlar cebimize kadar girdi.

Şekil-3: İlk transistör

 Evet bu yazıda işlemcilere, şöyle bir üstün körü nedir ne değildir diye baktık. Yeni serinin ilk yazısını böylelikle tamamlamış olduk. Dediğim gibi serinin tam konusu sürpriz olsun. Bakalım konu nereye evrilecek. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere sağlıklı, mutlu kalın.