Bilgisayar Donanımı

1.1Donanım nedir?

Bilgisayar denince çoğu kişinin aklına önce ekran, klavye ve kasa gelir. Bunlar bilgisayarın görünen yüzüdür. Kasanın içinde ise işlemci, bellek modülleri, depolama birimi, güç kaynağı ve bütün bunları birbirine bağlayan anakart bulunur. Bu kesim, bu parçaların genel resmini çizer. Her parça ilerleyen kesimlerde ayrıca ele alınır.

1.1.1Donanım ve yazılım

Bir bilgisayar sistemi iki katmandan oluşur. Birinci katman, dokunulabilen, takılıp çıkarılabilen, bozulunca değiştirilen fiziksel parçalardır. İkinci katman ise bu parçalara ne yapacaklarını söyleyen komutlardır. Birinci katmana donanım, ikinci katmana yazılım denir.

Donanım ile yazılım birbirini tamamlar. Yazılım olmadan donanım hiçbir iş yapmaz; en hızlı işlemci bile kendisine verilen komut olmadan bekler. Donanım olmadan da yazılım çalışamaz, çünkü komutları yürütecek, veriyi tutacak ve sonucu gösterecek bir fiziksel ortam gerekir. Bir müzik çalarla bir şarkı arasındaki ilişkiye benzer: çalar donanımdır, şarkının notaları ise yazılımdır.

Bir bilgisayarın yaptığı her iş beş temel adımdan oluşur. Şekil 1.1 bu adımları ve her adımı üstlenen donanım parçasını gösterir:

• Giriş birimleri veriyi sisteme alır. Klavyede basılan bir tuş, farenin hareketi, mikrofona gelen ses birer giriştir.
• CPU (merkezi işlem birimi) komutları işler: toplar, karşılaştırır, karar verir.
• RAM çalışan programı ve o anda kullanılan veriyi tutar. İşlemci veriyi buradan okur, sonucu buraya yazar.
• Depolama birimi (SSD ya da HDD) veriyi kalıcı saklar. Bilgisayar kapatıldığında da içerik korunur.
• Çıkış birimleri sonucu kullanıcıya sunar: ekranda bir görüntü, hoparlörden bir ses, yazıcıdan bir sayfa.

Şekil 1.1'deki çift yönlü oklar önemlidir. CPU ile RAM arasındaki trafik iki yönlüdür: işlemci RAM'den hem komut hem veri okur, işlem sonuçlarını da RAM'e yazar. RAM ile depolama arasında da veri iki yönde akar. Bir program açılırken dosyası depolamadan RAM'e kopyalanır; bir belge kaydedilirken değişiklikler RAM'den depolamaya yazılır. Bu akış, 1.9.1'de bir belgenin açılıp kaydedilmesi üzerinde adım adım izlenir.

1.1.2Donanım grupları

Bilgisayar donanımı, görevlerine göre altı grupta toplanabilir. Bu gruplama, bir parçanın sistemde hangi rolü üstlendiğini hızla anlamaya yarar.

Ağ donanımındaki bazı adlar kısaca açıklanmalıdır. Ağ kartı (network interface card, NIC) bilgisayarın kablolu ya da kablosuz ağa bağlanmasını sağlar. Switch (anahtar), aynı yerel ağdaki aygıtları birbirine bağlayan kutudur. Yönlendirici (router) farklı ağlar arasında, örneğin ev ağı ile internet arasında, trafiği yönlendirir. Erişim noktası (access point) ise kablosuz aygıtların kablolu ağa katılmasını sağlar.

Şekil 1.2 gruplar arasındaki veri akışını özetler. Giriş ve çıkış birimleri tek yönlüdür: biri veriyi içeri alır, öteki dışarı verir. Depolama ve ağ donanımı ise hem okur hem yazar. Bir SSD'den dosya okunur, aynı SSD'ye dosya yazılır. Ağ kartı da hem veri alır hem veri gönderir. Bu ayrım, 1.8.1'deki giriş-çıkış sınıflandırmasının temelidir.

1.2Merkezi işlem birimi

İşlemci, bilgisayarın komutları yürüten parçasıdır. Bir programın her satırı, sonunda işlemcinin anladığı çok basit komutlara dönüşür: iki sayıyı topla, bir değeri bellekten oku, iki değeri karşılaştır, sonuca göre başka bir komuta atla. İşlemcinin gücü, bu basit komutları saniyede milyarlarca kez yürütebilmesinden gelir.

1.2.1İşlemcinin görevi: getir, çöz, yürüt

Döngünün adımları şöyledir:

1. Getir. İşlemci, sıradaki komutu bellekten alır. Hangi komutun sırada olduğunu özel bir yazmaç tutar.
2. Çöz. Komutun ne istediği belirlenir: toplama mı, karşılaştırma mı, bellekten okuma mı? Hangi değerler kullanılacak?
3. Yürüt. İstenen işlem yapılır ve sonuç bir yazmaca ya da belleğe yazılır. Ardından döngü bir sonraki komutla yeniden başlar.

Bu döngüyü işlemcinin içindeki üç parça yürütür:

• Aritmetik-mantık birimi (arithmetic logic unit, ALU) aritmetik işlemleri (toplama, çıkarma) ve mantıksal işlemleri (karşılaştırma, “ve”, “veya”) yapar.
• Kontrol birimi komutların sırasını ve veri akışını yönetir. Hangi verinin ALU'ya gideceğine, sonucun nereye yazılacağına o karar verir.
• Yazmaçlar (registers) işlemcinin içindeki çok küçük ve çok hızlı saklama hücreleridir. ALU'nun o anda üzerinde çalıştığı değerler yazmaçlarda durur.

Günümüz işlemcileri tek yongada birden çok çekirdek barındırır (Şekil 1.3). Her çekirdek, getir–çöz–yürüt döngüsünü kendi başına işletebilen eksiksiz bir işlem birimidir. Şekildeki önbellek (L1, L2, L3) ise sık kullanılan veriyi işlemcinin hemen yanında tutan hızlı bellektir; 1.4'te ayrıntılı ele alınır.

İşlemcinin performansını tek bir sayı belirlemez. Dört etken birlikte rol oynar: çekirdek sayısı, saat hızı (GHz), önbellek büyüklüğü ve işlemcinin mimarisi, yani iç tasarımı. Aynı saat hızındaki iki işlemciden yeni nesil olanı, her turda daha fazla iş yaptığı için belirgin biçimde hızlı olabilir.

1.2.2Saat hızı

İşlemcinin içindeki bütün işler bir ritimle ilerler. Bu ritmi bir saat sinyali verir: sinyal düzenli aralıklarla yükselip alçalır ve her yükselişte işlemcinin devreleri bir adım ilerler. Bir orkestrada şefin vuruşları gibi düşünülebilir; bütün çalgılar aynı vuruşa göre çalar.

Bu formülün nereden geldiği kolayca görülür. Saniyede 3 milyar tur atılıyorsa, 1 saniye 3 milyar eşit parçaya bölünmüştür; her parça 1/3.000.000.000 saniyedir. Bu çok küçük süreler için nanosaniye (ns) kullanılır: 1 ns = 10⁻⁹ s, yani saniyenin milyarda biridir.

Saat hızı yüksek olan işlemci her zaman daha hızlı değildir. Bir işlemcinin hızını, saat hızı ile her turda yapılan iş miktarının çarpımı belirler. Yeni mimariler bir turda birden çok komutu aynı anda ilerletebilir. Bu yüzden 3 GHz'lik yeni bir işlemci, 4 GHz'lik eski bir işlemciden hızlı olabilir. Üstelik saat hızı sabit değildir: işlemci boştayken enerji tasarrufu için yavaşlar, yük gelince ve sıcaklık izin verdikçe hızlanır.

1.2.3Çekirdekler

Bir programın yürüttüğü komut dizisine iş parçacığı (thread) denir. Tek iş parçacıklı bir program, komutlarını tek bir sıra hâlinde yürütür; bu sırayı bölüp farklı çekirdeklere dağıtamaz. Birden çok iş parçacığına bölünmüş bir program ise çekirdekleri aynı anda kullanabilir. Bir video dönüştürme programı, filmin farklı dakikalarını farklı çekirdeklere verebilir. Bir metin düzenleyicinin harf yazma işlemi ise bölünecek kadar büyük değildir.

Şekil 1.4 çok çekirdeğin ne zaman yararlı olduğunu gösterir: işler birbirinden bağımsız olmalıdır. Bir işin sonucu öbürüne girdi olarak gerekiyorsa, ikinci iş birinciyi beklemek zorundadır ve iki çekirdek birlikte çalışamaz. Aynı anda çalışan farklı programlar (tarayıcı, müzik çalar, virüs tarayıcı) ise doğal olarak bağımsızdır; işletim sistemi bunları farklı çekirdeklere dağıtır.

1.2.4İşlemci mimarileri ve komut kümeleri

Her işlemci ailesi belirli bir komut listesini anlar. Bir işlemcinin anladığı komutların tamamına komut kümesi (instruction set) denir. Komut kümesi, işlemci ile yazılım arasındaki ortak dildir: aynı komut kümesini anlayan iki işlemci, aynı makine kodunu çalıştırabilir. Günümüzde iki komut kümesi öne çıkar:

• x86-64: Masaüstü, dizüstü ve sunucu bilgisayarlarda yaygındır. Intel ve AMD işlemcileri bu komut kümesini kullanır.
• ARM: Telefonlarda, tabletlerde ve enerji verimliliğinin önemli olduğu sistemlerde yaygındır; giderek dizüstü bilgisayarlarda da kullanılır. Apple, Qualcomm ve MediaTek gibi şirketler ARM tabanlı işlemciler tasarlar.

Üçüncü bir seçenek olarak RISC-V de anılmalıdır. RISC-V açık bir komut kümesidir: kullanımı için lisans ücreti ödenmez. Bu yüzden özellikle gömülü sistemlerde ve araştırmalarda giderek yaygınlaşıyor.

Şekil 1.5, programcının yazdığı kaynak kod ile işlemcinin çalıştırdığı makine kodu arasındaki farkı gösterir. Kaynak kod insanların okuduğu biçimdir. Derleyici bu kodu belirli bir komut kümesinin makine koduna çevirir. Aynı program iki mimaride çalışacaksa iki kez derlenir. Bir telefon uygulamasının bilgisayarda doğrudan çalışmamasının nedenlerinden biri budur.

Marka ya da model adı tek başına performansı belirlemez. İki işlemci aynı üreticiden ve aynı komut kümesinden olsa bile nesilleri, güç sınırları ve çekirdek yapıları farklı olabilir. Doğru karşılaştırma, kullanılacak iş yükü üzerinden yapılır: ofis programları, oyun ya da video işleme farklı işlemci özelliklerinden yararlanır.

1.2.5SoC, mobil işlemci ve NPU

Masaüstü bir bilgisayarda işlemci, ekran kartı ve diğer denetleyiciler çoğunlukla ayrı parçalardır. Telefonda ise bu kadar yer yoktur ve pil ömrü çok önemlidir. Çözüm, bütün birimleri tek bir yongada toplamaktır.

Birimlerin tek yongada olması iki kazanç sağlar. Birincisi yer tasarrufudur: telefonun ve ince dizüstülerin içine sığacak kadar küçük bir parça elde edilir. İkincisi güç tasarrufudur: birimler arasındaki veri kısa yoldan gider, ayrı yongalar arasındaki uzun bağlantılar için harcanan enerji azalır. RAM çoğu SoC'de ayrı bir yonga olarak durur, ama SoC'ye çok yakın, hatta aynı paketin içine yerleştirilir. Ayrıntı üreticiden üreticiye değişir.

NPU'nun hızlandırdığı işler gündelik hayatta sık karşılaşılan işlerdir: sesli komutları tanıma, fotoğraftaki gürültüyü azaltma, yüz tanıma, anlık çeviri. Bu işler aynı türden çok sayıda küçük çarpma ve toplama içerir. CPU bunları da yapabilir, ama NPU aynı işi çok daha az enerjiyle bitirir.

Mobil işlemcilerin enerji verimliliği bazen yalnızca ARM komut kümesine bağlanır. Oysa verimlilik farkı yalnız komut kümesinden değil, tasarımdan da gelir: çekirdeklerin yapısı, üretim teknolojisi ve güç yönetimi de sonucu belirler. Bu yüzden ARM tabanlı yongalar dizüstü bilgisayarlarda da kullanılmaya başlanmıştır.

1.3Anakart, RAM ve ROM

İşlemci tek başına çalışamaz. Komutlarını ve verisini bir bellekten okur, elektriğini güç kaynağından alır, sonuçlarını ekran kartına ve diğer birimlere gönderir. Bütün bu bağlantıları anakart sağlar. Bu kesimde anakart ile iki bellek türü ele alınır: çalışan programları tutan RAM ve bilgisayarın açılışını yöneten ürün yazılımının durduğu ROM.

1.3.1Anakart

Anakart, bir şehrin yol ağına benzetilebilir. İşlemci şehrin merkezidir; bellek, depolama ve ekran kartı farklı semtlerdir. Yollar ne kadar geniş ve düzgünse trafik o kadar hızlı akar. Anakartın üzerinde her bileşen için ayrı bir yuva ya da bağlantı noktası bulunur (Şekil 1.7).

Tablodaki kısaltmalar bilgisayar parçalarının belirtimlerinde sık geçer. DIMM (dual inline memory module), masaüstü bilgisayarlardaki RAM modülünün adıdır. PCIe (PCI Express), ekran kartı ve hızlı SSD gibi aygıtların bağlandığı yüksek hızlı veri yoludur; “x16”, “x4” gibi ekler kaç şerit (lane) kullanıldığını gösterir. Şerit, veri yolunun paralel kanallarından biridir; şerit sayısı arttıkça aynı anda taşınan veri artar. M.2, küçük SSD'lerin doğrudan anakarta takıldığı yuvanın biçimidir. SATA ise sabit disklerin ve eski tip SSD'lerin kabloyla bağlandığı arayüzdür.

Anakartın bir başka görevi uyumluluğu belirlemektir. CPU soketi hangi işlemcinin takılabileceğini, DIMM yuvaları hangi RAM neslinin kullanılabileceğini, yonga seti ise kaç tane hızlı bağlantının aynı anda desteklendiğini belirler. Bu nedenle bir bilgisayar parça parça toplanırken ilk karar çoğunlukla işlemci ile anakart arasında verilir. Uyumluluk konusu 1.10.1'de toplu olarak ele alınır.

1.3.2RAM

RAM'in yapısını anlamak için onu çok uzun bir dolap sırası gibi düşünmek yararlıdır. Her dolabın bir numarası, yani adresi vardır ve her dolapta tam bir bayt durur. Bir bayt 8 bitten oluşur ve 0 ile 255 arasında bir tamsayı tutabilir. İşlemci bir veriyi okumak istediğinde adresi söyler, bellek o adresteki baytı verir. 1000 numaralı adrese ulaşmak için 0'dan 999'a kadar olan adresleri gezmek gerekmez; her adrese aynı sürede ulaşılır.

Şekil 1.8'deki sayılar rastgele seçilmemiştir. Metinler bellekte sayı olarak saklanır; her karaktere bir sayı karşılık gelir. Yaygın kullanılan ASCII kodlamasında 72 “H”, 101 “e”, 108 “l”, 111 “o” harfidir. Demek ki 1000–1004 adresleri arasında “Hello” sözcüğü durur. Bellek yalnızca sayıları bilir; bu sayıların harf mi, renk mi, ses örneği mi olduğuna onları kullanan program karar verir.

RAM'in dört özelliği bir bilgisayarın günlük kullanımını doğrudan etkiler:

• Geçicilik: Güç kesilince içerik kaybolur. Kaydedilmemiş bir belgenin elektrik kesintisinde yok olmasının nedeni budur.
• Hızlı erişim: CPU her adrese doğrudan ulaşır. RAM'e erişim yaklaşık 50–100 ns sürer; bu, depolama birimlerinden binlerce kat hızlıdır.
• Kapasite: RAM'in büyüklüğü, aynı anda rahatça çalışabilecek program miktarını belirler. Günümüz bilgisayarlarında 8–64 GB yaygındır.
• Uyumluluk: RAM modülünün nesli (DDR4, DDR5), hızı ve anakartın desteği birbirine uymalıdır.

RAM yetmediğinde ne olur? İşletim sistemi, RAM'de yer kalmayınca bir süredir kullanılmayan verinin bir kısmını diske yazar ve yeri boşaltır. Bu diske yazılan alana takas alanı (swap space) ya da Windows'ta sayfa dosyası denir. Gerekince veri yeniden diskten okunur. Disk RAM'den çok yavaş olduğu için bilgisayar belirgin biçimde yavaşlar. Diskte boş yer bol olsa bile durum değişmez: yavaşlığın nedeni yer azlığı değil, diskin hızıdır.

1.3.3ROM ve ürün yazılımı

Bilgisayar açıldığında RAM boştur. İşletim sistemi diskte durur, ama diski okuyacak, ekranı başlatacak, klavyeyi tanıyacak bir yazılım henüz çalışmaz. Bu “ilk adım” sorununu, anakart üzerindeki kalıcı bir bellekte duran küçük bir yazılım çözer.

ROM adı “salt okunur” anlamına gelse de günümüzde ürün yazılımı çoğunlukla yeniden yazılabilir flash bellekte tutulur. Flash bellek de güç kesilince içeriğini korur, ama gerektiğinde yeniden yazılabilir. Böylece ürün yazılımı güncellenebilir.

Bilgisayarın açılışı kabaca şu sırayla ilerler:

1. Güç düğmesine basılır; işlemci, anakarttaki flash yongasında duran UEFI'yi çalıştırmaya başlar.
2. UEFI donanımı sınar ve başlatır: RAM, ekran kartı, klavye, depolama birimleri tanınır. Bu sınamaya açılışta öz sınama (power-on self-test, POST) denir.
3. UEFI, ayarlarda belirtilen önyükleme sırasına göre diskleri tarar ve işletim sistemini başlatacak programı (önyükleyiciyi) bulur.
4. Önyükleyici işletim sistemini diskten RAM'e yükler ve denetimi ona devreder.

Ürün yazılımı güncellemesi, yeni bir işlemciyi tanımak, bir uyumluluk sorununu gidermek ya da bir güvenlik açığını kapatmak için yapılabilir. Ancak dikkat gerektirir: güncelleme sırasında elektrik kesilirse flash bellekteki yazılım yarım kalabilir ve bilgisayar açılmayabilir. Bu yüzden güncelleme yalnızca gerekli olduğunda ve kesintisiz güç altında yapılır.

1.4Bellek hiyerarşisi ve önbellek

İdeal bir bellek hem çok hızlı, hem çok büyük, hem de ucuz olurdu. Böyle bir bellek yoktur. Hızlı bellek teknolojileri pahalıdır ve küçük kalır; büyük ve ucuz bellekler ise yavaştır. Bilgisayarlar bu sorunu birkaç farklı belleği katmanlar hâlinde bir arada kullanarak çözer.

1.4.1Bellek hiyerarşisi

Hiyerarşinin işe yaramasının nedeni, programların belleği düzensiz kullanmamasıdır. Bir program kısa bir süre içinde çoğunlukla aynı küçük veri kümesiyle çalışır: bir döngü aynı değişkenleri tekrar tekrar okur, bir dizi baştan sona sırayla gezilir. Bu küçük küme üst katmanlarda tutulursa işlemcinin isteklerinin büyük çoğunluğu hızlı katmandan karşılanır. Yavaş katmanlara yalnızca nadiren inilir.

Tablonun son sütunu da önemli bir ayrımı gösterir. RAM ve üzerindeki katmanlar geçicidir, SSD ve altındakiler kalıcıdır. Bir belge üzerinde çalışılırken değişiklikler RAM'de durur; ancak “Kaydet” komutuyla kalıcı katmana yazılır.

1.4.2Katmanlar arasındaki hız farkı

Erişim süreleri arasındaki fark o kadar büyüktür ki, bu süreleri aynı çizgi üzerinde göstermek için özel bir ölçek gerekir. Şekil 1.10 logaritmik ölçek kullanır: eksen üzerindeki her ızgara çizgisi bir öncekinin 1000 katıdır (1 ns, 1 µs, 1 ms). Böylece nanosaniyelerle milisaniyeler aynı şekle sığar.

Birimler arasındaki ilişkiyi hatırlamak hesapları kolaylaştırır: 1 ms (milisaniye) = 1000 µs (mikrosaniye) = 1.000.000 ns. Yani 0,1 ms, 100.000 ns'dir.

Bu oranlar, işlemcinin neden veriyi diskten değil RAM'den, mümkünse de önbellekten okumak istediğini açıklar. RAM bile işlemcinin bir saat turuna göre yavaştır: 3 GHz'de bir tur 0,33 ns'dir, RAM'den gelecek bir değeri beklemek ise 150–300 tur kadar sürer. Önbellek bu beklemeyi azaltmak için vardır.

1.4.3Önbellek: isabet ve ıska

Önbelleğin çalışma kuralı basittir. İşlemci bir adresi okumak istediğinde önce önbelleğe bakar. Veri oradaysa yaklaşık 1 ns'de alınır. Değilse RAM'e gidilir; bu yaklaşık 80 ns sürer. RAM'den gelen veri yalnız işlemciye verilmez, önbelleğe de kopyalanır. Üstelik istenen baytın yanındaki komşu baytlar da onunla birlikte getirilir, çünkü sıradaki isteğin büyük olasılıkla komşu adrese olacağı beklenir.

Şekil 1.11 bu kuralı, Şekil 1.8'deki bellek içeriği üzerinde dört anda gösterir. Bu örnekte önbellek iki adreslik bloklar hâlinde doldurulur: 1002–1003, 1004–1005 gibi.

Üç istek önbellekle 161 ns sürmüştür. Önbellek olmasaydı her istek RAM'e gider ve toplam 3 × 80 = 240 ns olurdu. Kazanç ikinci istekten gelir: aynı adres kısa süre içinde yeniden istendiği için RAM'e gitmeye gerek kalmamıştır.

Gerçek önbellekler bu örnekten çok daha büyüktür, ama sınırlıdır. Önbellek dolduğunda yeni bir blok için yer açmak gerekir. Çoğu önbellek, uzun süredir kullanılmayan bloğu çıkarır. Bu küçük örneklerde yer sorunu yok sayılmıştır.

1.4.4Dizi toplamında önbellek: uzamsal yerellik

Önbelleğin komşu baytları da getirmesi, programlardaki çok yaygın bir davranışa dayanır. Bir dizi (aynı türden değerlerin bellekte art arda dizildiği yapı) baştan sona gezildiğinde, her eleman bir öncekinin hemen yanındadır. Bu davranışın ne kadar zaman kazandırdığını sekiz elemanlı bir dizinin toplamı üzerinde sayalım. Program şudur:

toplam = 0
her i = 0, 1, …, 7 için
    toplam = toplam + a[i]
// 4 baytlık tamsayı, 16 baytlık satır

Hesap için şu varsayımlar kullanılır: bir tamsayı 4 bayt yer kaplar; önbelleğe RAM'den her seferinde 16 baytlık bir blok getirilir. Bu bloğa önbellek satırı (cache line) denir. 16 ÷ 4 = 4 olduğu için bir satıra 4 eleman sığar: a[0]…a[3] birinci blokta, a[4]…a[7] ikinci bloktadır. İsabet yaklaşık 1 ns, ıska yaklaşık 80 ns sürer. Dizinin değerleri 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6'dır.

Tablo 1.5 sonucu açıkça verir: toplam 31'dir; 8 erişimin 6'sı isabet, 2'si ıskadır. Süre 2 × 80 + 6 × 1 = 166 ns'dir. Önbellek olmasaydı her erişim RAM'e gider ve 8 × 80 = 640 ns sürerdi. Önbellek bu döngüyü yaklaşık 3,9 kat hızlandırmıştır. Erişim başına ortalama süre de 166 ÷ 8 ≈ 20,8 ns'ye inmiştir.

1.4.5Çok düzeyli önbellek: zamansal yerellik

Gerçek işlemcilerde tek bir önbellek yerine birkaç düzey bulunur. L1 en küçük ve en hızlı düzeydir ve her çekirdeğin içindedir. L2 daha büyük ama biraz daha yavaştır. L3 en büyük ve en yavaş önbellek düzeyidir; çoğunlukla bütün çekirdeklerce paylaşılır (Şekil 1.3). İşlemci bir veriyi en hızlı düzeyden başlayarak arar:

L1’de var mı?  Evet → oku, bitir
L2’de var mı?  Evet → L1’e kopyala, oku
L3’te var mı?  Evet → L2 ve L1’e kopyala, oku
RAM’den getir → L3, L2, L1’e kopyala, oku

Arama her düzeyde biraz zaman harcar; veri bulunamazsa bir alt düzeye geçilir. Bu yüzden bir ıskanın maliyeti, aranan bütün düzeylerin sürelerinin toplamıdır. Aşağıdaki örnekte L1 ≈ 1 ns, L2 ≈ 3 ns, L3 ≈ 10 ns, RAM ≈ 80 ns kabul edilir. Başlangıçta L1'de B, L2'de C, L3'te B, C ve D vardır; A yalnızca RAM'dedir. İşlemci sırayla A, A ve D adreslerini okuyacaktır.

Üç okuma toplam 94 + 1 + 14 = 109 ns sürmüştür. Üçü de doğrudan RAM'den okunsaydı 3 × 80 = 240 ns olurdu. Tablodaki iki ayrıntı önemlidir:

• İlk A okuması, önbelleksiz okumadan (80 ns) daha uzundur: 94 ns. Iskanın bedeli, boşuna aranan düzeylerin süresidir. Önbellek her tek okumayı hızlandırmaz; kazanç, aynı verinin tekrar kullanılmasından gelir.
• D, L3'te bulunmuştur: 14 ns. RAM'e gitmek 94 ns sürerdi; 94 ÷ 14 ≈ 6,7, yani yaklaşık 7 kat daha hızlıdır.

Uzamsal ve zamansal yerellik birlikte, önbelleğin neden bu kadar etkili olduğunu açıklar. Bir döngünün sayaç değişkeni her turda yeniden okunur (zamansal yerellik); döngünün gezdiği dizi ise ardışık adreslerde durur (uzamsal yerellik). Tipik programlarda işlemcinin isteklerinin büyük çoğunluğu önbellekten karşılanır.

1.5Ekran kartı, bağlantılar ve ses

İşlemci sonucu hesaplar, ama bu sonucun ekranda bir görüntüye, hoparlörde bir sese dönüşmesi için başka birimler gerekir. Bu kesim görüntüyü üreten grafik işlem birimini, birimleri bilgisayara bağlayan portları ve sesi sayıya, sayıyı sese çeviren ses kartını ele alır.

1.5.1Grafik işlem birimi

Bir ekranda görüntü oluşturmak, aynı hesabı çok sayıda piksel için tekrarlamak demektir. 1920 × 1080 çözünürlüklü bir ekranda 1920 × 1080 = 2.073.600 piksel vardır. Saniyede 60 kare gösterilecekse her saniye 124 milyondan fazla piksel rengi hesaplanmalıdır. Bu hesapların her biri basittir ve birbirinden bağımsızdır. Böyle bir iş için birkaç güçlü çekirdek yerine binlerce basit çekirdek daha uygundur.

Şekil 1.14 iki işlemci türünün farkını özetler. CPU'nun çekirdekleri karmaşık ve birbirinden farklı işleri hızla yürütmeye uygundur: bir karar ver, bir dosya aç, bir hesabı bitirip başka bir işe geç. GPU'nun çekirdekleri ise tek başlarına zayıftır, ama binlercesi aynı komutu farklı veriler üzerinde aynı anda yürütür. Bir sınıftaki herkesin aynı anda kendi sorusunu çözmesine benzer: tek bir öğretmenin bütün soruları sırayla çözmesinden çok daha hızlıdır.

GPU'lar iki biçimde bulunur:

• Entegre GPU işlemciyle aynı pakettedir ve sistem belleğini (RAM'i) paylaşır. Az güç harcar, ek maliyet getirmez; ofis işleri, video izleme ve hafif oyunlar için yeterlidir.
• Bağımsız GPU ayrı bir karttır. Kendi işlemcisi ve kendi video belleği (video memory, VRAM) vardır. Daha güçlüdür, ama daha çok güç harcar ve daha çok ısı üretir.

GPU'ların paralel hesap gücü yalnız grafikle sınırlı kalmamıştır. Video işleme, bilimsel hesaplama ve özellikle yapay zekâ modellerinin eğitimi de aynı türden çok sayıda bağımsız çarpma ve toplama içerir. Bir GPU seçilirken iş yükü, VRAM miktarı, güç tüketimi, soğutma ve kullanılacak yazılımın o GPU'yu destekleyip desteklemediği birlikte değerlendirilir.

1.5.2Görüntü bağlantıları

Ekran kartının ürettiği görüntü monitöre bir kablo ile taşınır. Kablonun ve portun türü, taşınabilecek çözünürlüğü, yenileme hızını ve sesin de aynı kablodan gidip gitmeyeceğini belirler.

Analog ile dijital sinyal arasındaki fark burada önemlidir. Dijital bağlantı, her pikselin rengini sayı olarak taşır; alıcı bu sayıları olduğu gibi okur. Analog bağlantı (VGA) ise renkleri sürekli değişen gerilimlerle taşır. Kablo uzadıkça ya da çevrede elektriksel gürültü arttıkça bu gerilimler bozulur ve görüntüde bulanıklık, gölge görülür. Bu yüzden VGA günümüzde yalnızca eski aygıtlarla uyum için kullanılır.

Şekil 1.15'teki biçimler, konektörlerin neden yanlış porta takılamadığını da açıklar. Kesik köşeler, konektörün yalnızca tek bir yönde takılmasını sağlar. USB-C ise iki yönlü simetrik olduğu için ters takılma sorunu yoktur.

1.5.3USB ve diğer portlar

USB (Universal Serial Bus, evrensel seri veri yolu), klavyeden harici diske kadar pek çok aygıtın bağlandığı ortak arayüzdür. USB'yi anlamanın anahtarı, iki ayrı kavramı birbirinden ayırmaktır: konektör biçimi ve sürüm.

Konektör biçimi, fişin şeklidir: A tipi (geniş, dikdörtgen) ya da C tipi (küçük, oval). Sürüm ise verinin hangi hızda taşınacağını belirleyen standarttır. Tablo 1.8 başlıca sürümleri ve en yüksek hızlarını gösterir.

Tablodaki hızlar bit cinsindendir. Dosya boyutları ise çoğunlukla bayt ile verilir. Birimlerde küçük “b” biti, büyük “B” baytı gösterir: 480 Mbit/s ile 480 MB/s çok farklı hızlardır. Bir bayt 8 bit olduğu için bit cinsinden hız 8'e bölünerek bayt cinsine çevrilir.

1.5.4Ses kartı

Ses, havadaki basınç dalgalarıdır. Mikrofon bu dalgaları sürekli değişen bir elektrik gerilimine çevirir; buna analog sinyal denir. Bilgisayar ise yalnızca sayılarla çalışır. Ses kartının görevi bu iki dünya arasında çeviri yapmaktır.

Örnekleme hızı ne kadar yüksekse ses o kadar doğru kaydedilir. Müzik CD'lerinde örnekleme hızı saniyede 44.100 örnektir (44,1 kHz). Her örnek 16 bit, yani 2 bayt ile saklanır. Stereo kayıtta sol ve sağ için iki ayrı kanal vardır.

Çoğu anakart, günlük kullanım için yeterli bir ses birimi içerir: kulaklık ve mikrofon girişleri anakartın arka panelinde ya da kasanın önündedir. Kayıt kalitesinin önemli olduğu durumlarda, birden çok mikrofon bağlamak gerektiğinde ya da profesyonel müzik çalışmasında harici ses kartı kullanılır. Harici kartlar daha kaliteli ADC ve DAC içerir; bilgisayarın içindeki elektriksel gürültüden de uzakta durur.

1.6Kasa, soğutma ve güç kaynağı

Bir bilgisayarın bileşenleri ne kadar güçlü olursa olsun, düzgün beslenmez ve soğutulmazsa verimli çalışmaz. Kasa ve güç kaynağı göz ardı edilmeye en yatkın parçalardır, ama sistemin kararlılığını doğrudan etkiler.

1.6.1Kasa ve soğutma

Bilgisayarın içindeki her bileşen, harcadığı elektrik enerjisinin neredeyse tamamını ısıya çevirir. 125 W çeken bir işlemci, 125 W'lık küçük bir ısıtıcı gibi davranır. Bu ısı uzaklaştırılmazsa sıcaklık hızla yükselir.

Kasanın dört görevi vardır:

• Koruma: Bileşenleri darbeden, tozdan ve dokunmadan kaynaklanabilecek statik elektrikten korur.
• Hava akışı: Serin hava önden girer, sıcak hava arkadan ya da üstten çıkar (Şekil 1.18). Sıcak hava yükseldiği için üstten çıkış doğal akışı destekler.
• Form faktörü: Kasanın boyutu ve iç düzeni, hangi anakart ve güç kaynağı boyutlarının sığacağını belirler. Yaygın anakart boyutları ATX ve daha küçük mATX'tir.
• Kablo düzeni: Kabloların toplanması hava akışını engellemez ve bakımı kolaylaştırır.

İşlemcinin üstüne bir soğutucu yerleştirilir. Soğutucu, ısıyı işlemciden alıp geniş yüzeyli metal kanatçıklara yayar; bir fan da bu kanatçıkların arasından hava geçirir. Daha güçlü sistemlerde sıvılı soğutma kullanılır: ısı bir sıvıya aktarılır ve sıvı, fanların bulunduğu bir radyatörde soğutulur.

Isıl kısma bir korunma düzeneğidir; işlemcinin bozulmasını önler. Ancak sık yaşanıyorsa soğutmanın yetersiz olduğunu gösterir. Toz dolmuş bir dizüstü bilgisayarın zamanla yavaşlamasının yaygın nedenlerinden biri budur. Yüksek sıcaklık uzun vadede bileşenlerin ömrünü de kısaltabilir.

1.6.2Güç kaynağı

Prizden gelen elektrik, Türkiye'de 230 V ve 50 Hz'lik alternatif akımdır: gerilimin yönü saniyede 50 kez ileri geri değişir. Bilgisayarın devreleri ise yönü değişmeyen, sabit ve düşük gerilimler ister. Güç kaynağı bu dönüşümü yapar ve farklı bileşenler için farklı gerilimler üretir (Şekil 1.19).

Bir güç kaynağı seçilirken dört ölçüte bakılır:

• Kapasite (W): Güç kaynağının verebileceği en yüksek güçtür. Bileşenlerin toplam ihtiyacını güvenli bir payla karşılamalıdır.
• Verimlilik: Şebekeden çekilen gücün ne kadarının bileşenlere ulaştığıdır. Geri kalanı ısıya dönüşür.
• Bağlantılar: Anakart (24-pin), işlemci (8-pin), ekran kartı ve depolama kabloları sisteme uygun olmalıdır.
• Koruma: Aşırı akım, aşırı gerilim ve kısa devre durumunda güç kaynağı kendini ve bileşenleri korumalıdır.

1.7Giriş birimleri

Bir bilgisayarın dış dünyadan bilgi alması giriş birimleriyle olur. Klavye ve fare en tanıdık örneklerdir; ama bir telefonun konum algılayıcısı, bir akıllı saatin nabız ölçeri ya da bir fabrikadaki sıcaklık sensörü de birer giriş birimidir.

1.7.1Giriş birimlerinin türleri

Bütün giriş birimlerinde ortak bir adım vardır: fiziksel bir büyüklük sayıya çevrilir. Klavyede bir tuşun basılması bir tuş koduna, mikrofondaki ses örneklere (1.5.4), kameradaki ışık her piksel için üç renk değerine dönüşür. Bilgisayar bu sayıları işler; onların bir zamanlar ses ya da ışık olduğunu bilmez.

“Tarayıcı” sözcüğüne dikkat etmek gerekir. Burada kâğıt belgeyi görüntüye çeviren aygıt (scanner) kastedilir. İnternette gezinmeye yarayan program da Türkçede tarayıcı olarak anılır, ama o bir yazılımdır, giriş birimi değildir.

1.7.2Klavye

Klavye, metin girişinin temel aracıdır. Tuşları görevlerine göre bölgelere ayrılır (Şekil 1.20):

• Alfasayısal tuşlar harfleri, rakamları ve noktalama işaretlerini girer.
• İşlev tuşları (F1–F12) uygulamaya göre özel görevler üstlenir; örneğin pek çok programda F1 yardımı açar.
• Denetim tuşları (Ctrl, Alt, Shift, Windows tuşu) tek başına bir şey yazmaz; başka tuşlarla birlikte basılınca kısayol oluşturur.
• Yön tuşları imleci hareket ettirir; sayısal tuş takımı çok sayıda rakam girmeyi kolaylaştırır.

Metin düzenlerken en sık kullanılan tuşlar Enter, Backspace ve Delete'tir. Enter bir girişi onaylar ya da yeni satıra geçer. Backspace, imlecin (cursor) solundaki karakteri, Delete ise imlecin sağındaki karakteri siler. Seçili bir metin varsa ikisi de seçimin tamamını siler. Sık kullanılan kısayollar şunlardır:

Kopyala ve kes komutları seçili metni pano adı verilen geçici bir alana koyar. Yapıştır, panodaki içeriği imlecin bulunduğu yere ekler; pano bu sırada değişmez. Bu yüzden aynı içerik art arda birçok kez yapıştırılabilir.

1.7.3Fare ve işaretleme aygıtları

Fare, ekrandaki imleci yönlendirmeye yarayan bir işaretleme aygıtıdır (pointing device). Altındaki optik algılayıcı yüzeyin fotoğrafını saniyede binlerce kez çeker, ardışık görüntüleri karşılaştırarak ne kadar ve hangi yöne kaydığını hesaplar. Farenin teknik belirtimlerinde iki sayı öne çıkar.

Yüksek DPI her zaman daha iyi değildir. Çok yüksek DPI'da en küçük el titremesi bile imleci birkaç piksel oynatır; hassas iş yapmak zorlaşır. Uygun değer ekranın çözünürlüğüne ve kullanım alışkanlığına göre seçilir. Farenin tuşları ve tekerleği de seçme, bağlam menüsünü açma, sayfayı kaydırma gibi işler görür.

Fareye seçenek olan işaretleme aygıtları da vardır: dizüstü bilgisayarlardaki dokunmatik yüzey (touchpad), çizim için kalem, elle döndürülen bir topla çalışan iz topu ve doğrudan ekrana dokunulan dokunmatik ekran. Dokunmatik ekran, bir sonraki kesimde görüleceği gibi, aynı zamanda bir çıkış birimidir.

1.8Çıkış birimleri

Çıkış birimleri, bilgisayarın ürettiği sayısal sonucu insanın algılayabileceği bir biçime çevirir: ışığa, sese, kâğıt üzerindeki mürekkebe ya da titreşime.

1.8.1Çıkış birimleri ve sınıflandırma

Bir aygıtın giriş mi çıkış mı olduğunu belirleyen tek ölçüt veri akışının yönüdür. Veri bilgisayara doğru akıyorsa aygıt giriş, kullanıcıya doğru akıyorsa çıkış birimidir. Bazı aygıtlarda veri iki yönde de akar (Şekil 1.22).

1.8.2Monitör: çözünürlük, boyut ve en-boy oranı

Monitör, ekran yüzeyini milyonlarca küçük noktaya bölerek görüntü oluşturur. Bu noktalardan her birine piksel denir. Bir monitörün belirtimlerinde dört temel değer bulunur:

• Çözünürlük (resolution): yatay ve dikey piksel sayısıdır; örneğin 1920 × 1080.
• Ekran boyutu: köşegen uzunluğudur ve inç ile ölçülür; örneğin 24 inç.
• Piksel yoğunluğu: bir inçe kaç piksel düştüğüdür (1.8.3).
• En-boy oranı (aspect ratio): ekranın genişliğinin yüksekliğine oranıdır; örneğin 16:9.

1920 × 1080 çözünürlüğün en-boy oranı 16:9'dur, çünkü 1920 ÷ 1080 = 16 ÷ 9 ≈ 1,78'dir. Ekran boyutu köşegen olarak verildiği için genişlik ve yükseklik doğrudan yazılmaz; ama en-boy oranından hesaplanabilir.

1.8.3Piksel yoğunluğu

Aynı çözünürlük, küçük bir ekranda daha keskin görünür. Bunun nedeni, aynı sayıda pikselin daha küçük bir alana sığdırılmasıdır. Pikseller küçüldükçe göz onları tek tek ayırt edemez ve kenarlar daha düzgün görünür (Şekil 1.24).

Şeklin altındaki üç renkli çubuk önemli bir ayrıntıyı gösterir: bir piksel aslında üç küçük ışık kaynağından oluşur. Kırmızı, yeşil ve mavi alt piksellerin parlaklıkları ayarlanarak her renk elde edilir. Üçü de tam parlaksa beyaz, üçü de sönükse siyah görünür.

Formülün mantığı şudur: köşegen uzunluğu inç olarak bilinir; köşegen boyunca kaç piksel olduğu ise Pisagor teoremiyle bulunur. İkincisi birinciye bölünerek bir inçe düşen piksel sayısı elde edilir.

1.8.4Yenileme hızı ve tepki süresi

Ekrandaki hareket aslında art arda gösterilen durağan karelerden oluşur. Kareler yeterince hızlı değişirse göz bunları kesintisiz bir hareket olarak algılar. Monitörün hareketi ne kadar iyi gösterdiğini birkaç özellik belirler:

Yenileme hızı (refresh rate) 60 Hz olan bir ekran, görüntüsünü saniyede 60 kez yeniler. Bir karenin ekranda kalma süresi yenileme hızının tersidir: 1000 ms ÷ 60 ≈ 16,7 ms. Yenileme hızı arttıkça bu süre kısalır ve hareket daha akıcı görünür (Şekil 1.25).

Tepki süresi (response time) ise başka bir şeyi ölçer: bir pikselin, kendisine yeni renk söylendikten sonra o renge ne kadar sürede ulaştığını. Tepki süresi uzun bir ekranda hızlı hareket eden nesnelerin arkasında silik bir iz kalır. İki özellik birbirini tamamlar: yenileme hızı yeni karelerin ne sıklıkla geldiğini, tepki süresi her karenin ne kadar temiz çizildiğini belirler.

1.8.5Panel teknolojileri: LCD ve OLED

Monitörün ışığı nasıl ürettiği, görüntünün kontrastını, renklerini ve görüş açısını belirler. Bugün iki ana teknoloji kullanılır: LCD ve OLED.

LCD (sıvı kristal ekran) panelinde ışığı bir arka ışık (backlight) üretir. Önündeki sıvı kristal katmanı, her alt piksel için geçen ışık miktarını ayarlayan küçük bir perde gibi çalışır. Renk filtresi de geçen ışığa kırmızı, yeşil ya da mavi rengini verir. Siyah göstermek için perde kapanır; ama perde ışığı tamamen engelleyemez ve bir miktar ışık sızar. Bu yüzden karanlık bir odada LCD'nin siyahı koyu gri görünür.

OLED (organik ışık yayan diyot) panelinde arka ışık yoktur. Her piksel kendi ışığını üretir. Siyah bir piksel tamamen sönüktür; hiç ışık vermez. Bu yüzden OLED'in kontrastı çok yüksektir ve siyah gerçekten siyahtır.

LCD panellerin kendi içinde de türleri vardır. IPS, VA ve TN birer LCD türüdür; aralarındaki fark sıvı kristallerin diziliş biçimindedir:

Panel seçimi kullanım amacına göre yapılır. Ofis işleri ve tasarım için renk doğruluğu ve görüş açısı önemlidir; IPS bu yüzden yaygındır. Karanlık ortamda film izlemek için kontrast öne çıkar; VA ve OLED burada güçlüdür. Rekabetçi oyunlarda tepki süresi ve yenileme hızı belirleyicidir. Bütçe de her seçimde ayrı bir sınırdır.

1.8.6Yazıcı, ses ve projektör

Yazıcılar dijital bir belgeyi kâğıda aktarır. Günümüzde iki teknoloji yaygındır (Şekil 1.27):

• Mürekkep püskürtmeli yazıcı, kafasındaki küçük deliklerden kâğıda mikroskobik mürekkep damlaları püskürtür. Renkli belge ve fotoğraf baskısında yaygındır.
• Lazer yazıcı, bir lazer ışınıyla dönen bir tambur üzerinde elektrik yükü deseni oluşturur. Toz hâlindeki boya (toner) bu desene yapışır, kâğıda aktarılır ve ısıyla kâğıda sabitlenir. Yüksek hacimli metin baskısında hızlı ve ekonomik olabilir.

Hoparlör ve kulaklık, ses kartının DAC'sinden gelen analog sinyali ya da USB, Bluetooth gibi dijital bir bağlantıdan gelen veriyi sese çevirir. Dijital bağlantıda DAC hoparlörün ya da kulaklığın içindedir.

Projektör, görüntüyü bir perdeye ya da duvara yansıtır. Seçiminde üç değer öne çıkar: parlaklık, çözünürlük ve yansıtma mesafesi. Aydınlık bir sınıfta görüntünün seçilebilmesi için parlaklık yüksek olmalıdır. Yansıtma mesafesi ise belirli bir görüntü boyutu için projektörün perdeden ne kadar uzağa konması gerektiğini gösterir.

1.9Depolama

RAM'deki her şey bilgisayar kapanınca kaybolur. Belgelerin, fotoğrafların, programların ve işletim sisteminin kalıcı olarak saklanması için ayrı bir birim gerekir. Bu kesim depolama birimlerini, aralarındaki hız farklarını ve bu farkların günlük kullanımdaki karşılığını ele alır.

1.9.1Bir belgenin bileşenler arasındaki yolculuğu

Depolamanın sistemdeki yerini görmenin en iyi yolu, gündelik bir işi izlemektir. rapor.docx adlı bir belge açılıp düzenleniyor ve kaydediliyor. Veri bu sırada fare, SSD, RAM, işlemci ve ekran arasında dolaşır (Şekil 1.28).

Tablonun 3. adımı önemli bir gerçeği gösterir: CPU programı doğrudan SSD'den çalıştırmaz. Program önce RAM'e kopyalanır; işlemci komutları RAM'den, önbellek üzerinden getirir. SSD işlemcinin beklemeye dayanamayacağı kadar yavaştır (1.4.2). Okuma yolu bu yüzden SSD → RAM → önbellek → yazmaçlar sırasını izler; kaydetme ise RAM → SSD yönündedir.

4. ve 5. adımlar arasında belgenin iki farklı sürümü vardır: RAM'deki düzenlenmiş kopya ve SSD'deki eski kopya. Elektrik bu sırada kesilirse RAM'deki değişiklikler kaybolur, SSD'deki eski sürüm kalır. Pek çok programın belirli aralıklarla otomatik kayıt yapmasının nedeni budur.

1.9.2HDD ve SSD

Bilgisayarlardaki iki ana depolama teknolojisi, veriyi tamamen farklı yollarla saklar.

HDD'de verinin okunması mekanik bir iştir. Kafa doğru ize (plakadaki eş merkezli halkalardan birine) gitmeli, sonra okunacak sektör (izin küçük bir parçası) dönerek kafanın altına gelmelidir. Bu iki hareket milisaniyeler sürer. SSD'de ise denetleyici veriyi birden çok flash yongasından aynı anda okur; erişim mikrosaniyeler düzeyindedir.

Bu karşılaştırmadan yaygın bir düzen çıkar. İşletim sistemi ve programlar hızlı açılsın diye SSD'ye konur. Fotoğraf arşivi ve yedekler gibi büyük ama seyrek kullanılan veriler ise daha ucuz olan HDD'de tutulur. Dizüstü bilgisayarlarda ise darbe dayanımı, düşük güç tüketimi ve sessizlik nedeniyle neredeyse yalnızca SSD kullanılır.

1.9.3SATA ve NVMe

SSD'nin hızı yalnızca flash yongalarına bağlı değildir; SSD'nin bilgisayara hangi yoldan bağlandığı da belirleyicidir. İki arayüz yaygındır.

SATA, dönen disklerin hızına göre tasarlanmıştı. SSD'ler bu sınırı kısa sürede aştı: SATA III'ün kuramsal sınırı 6 Gbit/s'dir; veri kodlaması için ayrılan bitler düşüldüğünde bu yaklaşık 600 MB/s eder. SATA SSD'lerin pratikte 550 MB/s civarında kalmasının nedeni budur. NVMe (Non-Volatile Memory Express) ise doğrudan flash bellek için tasarlanmış bir protokoldür ve PCIe şeritlerini kullanır.

1.9.4HDD'de bir sektörün okunması

HDD'nin neden yavaş olduğunu görmek için tek bir sektörün okunmasını adım adım izleyelim. Plaka dakikada 7200 tur döner. Okunacak sektör ile okuma-yazma kafası başlangıçta farklı yerlerdedir. Erişim süresi üç parçadan oluşur (Şekil 1.31).

Bu hesap, HDD'nin büyük ve tek parça dosyalarda neden kabul edilebilir, çok sayıda küçük dosyada ise neden çok yavaş olduğunu açıklar. Büyük bir dosya plakada art arda duran sektörlerde saklanır: kafa bir kez konumlanır ve veri sürekli okunur. 100 küçük dosyanın her biri ise ayrı bir konumdadır. Her dosya için arama ve dönme beklemesi yeniden yaşanır: 100 × 9,2 ms = 920 ms, yani neredeyse bir saniye. Aynı iş, erişimi yaklaşık 0,1 ms olan bir SSD'de 100 × 0,1 = 10 ms sürer.

1.9.5Kopyalama süresi ve kapasite birimleri

Büyük bir dosyanın kopyalanma süresi, depolama biriminin sıralı okuma (sequential read) hızıyla tahmin edilebilir. Sıralı okuma, verinin art arda duran bloklardan sürekli okunmasıdır; büyük dosyalarda bu hız belirleyicidir.

süre = dosya boyutu ÷ aktarım hızı

Kapasite birimlerinde iki ayrı gelenek vardır ve bu fark sık sık karışıklığa yol açar. Disk üreticileri SI önekleriyle onluk tabanı kullanır: 1 GB = 1000 MB = 10⁹ bayt. İşletim sistemleri ise kapasiteyi çoğunlukla 1024 tabanıyla hesaplar: 1 GiB (gibibayt) = 1024 MiB = 2³⁰ = 1.073.741.824 bayt. Sorun, bazı işletim sistemlerinin bu ikinci değeri “GiB” yerine “GB” diye göstermesidir.

1.9.6Taşınabilir ve arşiv depolama

Bilgisayarın içindeki diskin yanında, veriyi taşımak, yedeklemek ya da paylaşmak için başka depolama seçenekleri de vardır.

Bu seçeneklerin en önemli kullanım alanı yedeklemedir (backup). Bir dosyanın tek kopyası bulunuyorsa, diskin bozulması, bilgisayarın çalınması ya da yanlışlıkla silme o dosyayı kalıcı olarak yok eder. Yaygın bir öneri, önemli verinin en az üç kopyasını, en az iki farklı ortamda tutmak ve bu kopyalardan birini başka bir yerde (örneğin bulutta) saklamaktır.

1.10Sistem tasarımı

Tek tek iyi parçalar seçmek, iyi bir bilgisayar elde etmeye yetmez. Parçaların birbirine uyması, birbirini sınırlamaması ve kullanım amacına hizmet etmesi gerekir. Bu kesim, bir sistemi bütün olarak değerlendirmenin ölçütlerini toplar.

1.10.1Bileşen uyumluluğu

Uyumluluk kontrolünün merkezinde anakart vardır (Şekil 1.34). Bir bilgisayar parça parça toplanırken kontroller kabaca belli bir sırayla yapılır. Önce işlemci ve ona uyan soketli anakart seçilir. Ardından anakartın desteklediği RAM nesli belirlenir. Sonra anakartın ve ekran kartının kasaya sığıp sığmadığına bakılır. En son bütün sistemin güç ve soğutma ihtiyacı hesaplanır.

1.10.2DDR5 ve güncel standartlar

Bilgisayar donanımı birkaç yılda bir yeni standartlarla güncellenir. Bir parçanın hangi standardı desteklediği, hem hızını hem de diğer parçalarla uyumunu belirler.

Tablodaki terimlerin bazıları açıklanmalıdır. Bant genişliği (bandwidth), bir bağlantının birim zamanda taşıyabildiği veri miktarıdır. Geriye uyumluluk (backward compatible), yeni bir standardın eski aygıtlarla da çalışabilmesidir. Wi-Fi'deki kanal genişliği, kablosuz yayının kullandığı frekans aralığıdır; geniş kanal, daha çok verinin aynı anda taşınması demektir. MLO (Multi-Link Operation) ise bir aygıtın birden çok frekans bandını aynı anda kullanmasıdır.

1.10.3Kullanım amacına göre seçim

Her kullanıcı için “en iyi” bilgisayar yoktur; kullanım amacına en uygun bilgisayar vardır. Bütçe sınırlı olduğunda para, işin en çok ihtiyaç duyduğu bileşenlere ayrılır.

Tablonun mantığı, önceki kesimlerde anlatılanlara dayanır. Ofis işleri tek iş parçacıklı ve hafiftir; çok çekirdek ya da güçlü GPU fazla fark yaratmaz, ama SSD programların hızlı açılmasını sağlar. Oyunlarda her kare GPU'da çizildiği için ekran kartı belirleyicidir; yüksek yenileme hızlı bir ekran da ancak GPU yeterince kare üretebiliyorsa işe yarar. Video kurgusu gibi içerik üretimi işleri bölünebilir; çok çekirdekten ve hızlı depolamadan doğrudan yararlanır. Büyük veri kümelerini işleyen programlar ise veriyi RAM'de tutmak ister; RAM yetmezse sistem diski kullanır ve belirgin biçimde yavaşlar.

1.11Özet

• Donanım, bilgisayarın fiziksel parçalarıdır; yazılım bu parçalara ne yapacaklarını söyler. Her iş giriş, işlem, bellek, depolama ve çıkış adımlarından oluşur.
• CPU komutları getir–çöz–yürüt döngüsüyle işler. ALU hesap yapar, kontrol birimi akışı yönetir, yazmaçlar o anki değerleri tutar. Bir saat turunun süresi 1 ÷ saat hızıdır (3 GHz'de ≈ 0,33 ns). Performansı saat hızı, çekirdek sayısı, önbellek ve mimari birlikte belirler; “8 çekirdek = 8 kat hız” değildir.
• x86-64 masaüstü ve sunucularda, ARM mobil aygıtlarda yaygındır; RISC-V açık bir komut kümesidir. SoC, CPU, GPU, NPU ve denetleyicileri tek yongada toplar.
• Anakart bileşenleri bağlar ve uyumluluğu belirler (soket, DIMM, PCIe, M.2, SATA, yonga seti). RAM geçici ve hızlıdır; her baytın bir adresi vardır. ROM/flash'taki UEFI, açılışta donanımı başlatır ve işletim sistemini yükler.
• Bellek hiyerarşisinde yukarı çıktıkça hız artar, kapasite azalır: yazmaç < 1 ns, önbellek 1–10 ns, RAM 50–100 ns, SSD ≈ 0,1 ms, HDD 5–10 ms. SSD, RAM'den 1000–2000 kat; HDD, SSD'den 50–100 kat yavaştır.
• Önbellekte veri bulunursa isabet (≈ 1 ns), bulunamazsa ıska (≈ 80 ns) olur; ıskada bütün önbellek satırı getirilir. Ardışık erişim uzamsal, aynı veriye tekrar erişim zamansal yerellikten yararlanır. 8 elemanlı dizi toplamı önbellekle 166 ns, önbelleksiz 640 ns sürer.
• GPU binlerce basit çekirdekle paralel çalışır; entegre GPU RAM'i paylaşır, bağımsız GPU'nun kendi VRAM'i vardır. HDMI ve DisplayPort dijital, VGA analog görüntü taşır. USB'de konektör biçimi ile sürüm (hız) ayrıdır; bit cinsinden hız 8'e bölünerek bayta çevrilir.
• Ses kartında ADC analog sesi örnekleyip sayıya, DAC sayıyı sinyale çevirir. Kayıt boyutu = örnekleme hızı × örnek boyutu × kanal × süredir.
• Kasa hava akışını sağlar; aşırı ısınan işlemci ısıl kısma ile yavaşlar. Güç kaynağı AC'yi DC'ye çevirir; kapasitesi toplam ihtiyacın üstünde güvenli payla seçilir (420 W × 1,3 = 546 W → 550 W).
• Bir aygıtın giriş ya da çıkış olduğunu veri akışının yönü belirler; dokunmatik ekran, depolama ve ağ kartı iki yönlüdür.
• PPI = √(yatay² + dikey²) ÷ köşegen; keskinliği çözünürlük ile boyut birlikte belirler. Kare süresi = 1000 ÷ Hz ms'dir; yenileme hızı ile tepki süresi farklı şeyleri ölçer. LCD arka ışık kullanır, OLED'de her piksel kendi ışığını üretir.
• CPU programı SSD'den değil RAM'den çalıştırır; kaydedilmemiş değişiklikler RAM'dedir. HDD erişimi = arama + dönme gecikmesi (yarım tur) + aktarımdır ve milisaniyeler sürer. NVMe, PCIe üzerinden SATA'nın ≈ 550 MB/s sınırını aşar; M.2 bir biçimdir, protokol değildir. 1 TB = 10¹² bayt ≈ 931,3 GiB'dir.
• Sistem tasarımında fiziksel, elektriksel, mantıksal, bağlantı, ısıl ve yazılım uyumluluğu kontrol edilir. PCIe geriye uyumludur, DDR4 ve DDR5 değildir. Bileşenler kullanım amacına göre önceliklendirilir.

1.12Kavram listesi

Terimlerin İngilizce karşılıkları ve öteki sunumlardaki kullanımları terim sözlüğünde bulunur.

• donanım hardware
• merkezi işlem birimi (CPU) central processing unit
• çekirdek core
• saat hızı clock speed
• saat turu clock cycle
• iş parçacığı thread
• komut kümesi instruction set
• SoC (yonga üstü sistem) System-on-Chip
• sinirsel işlem birimi (NPU) neural processing unit
• anakart motherboard
• yonga seti chipset
• yuva slot
• şerit lane (PCIe)
• RAM (rastgele erişimli bellek) random access memory
• geçici / kalıcı volatile / non-volatile
• takas alanı swap space
• ROM read-only memory
• ürün yazılımı firmware
• BIOS / UEFI BIOS / UEFI
• açılışta öz sınama (POST) power-on self-test
• bellek hiyerarşisi memory hierarchy
• önbellek cache
• isabet / ıska cache hit / miss
• önbellek satırı (blok) cache line
• uzamsal yerellik spatial locality
• zamansal yerellik temporal locality
• grafik işlem birimi (GPU) graphics processing unit
• video belleği (VRAM) video memory
• ADC / DAC ADC / DAC
• ısıl kısma thermal throttling
• güç kaynağı (PSU) power supply unit
• giriş birimi / çıkış birimi input / output device
• işaretleme aygıtı pointing device
• yoklama hızı polling rate
• çözünürlük resolution
• piksel yoğunluğu (PPI) pixel density
• en-boy oranı aspect ratio
• yenileme hızı refresh rate
• tepki süresi response time
• arka ışık backlight
• sabit disk (HDD) hard disk drive
• SSD solid-state drive
• plaka platter
• arama süresi seek time
• dönme gecikmesi rotational latency
• sıralı okuma sequential read
• yedekleme backup
• uyumluluk compatibility
• bant genişliği bandwidth
• geriye uyumlu backward compatible

1.13Kendini Dene

1. 2,5 GHz bir işlemcide bir saat turu kaç ns sürer? Her komut ortalama 5 tur sürüyorsa işlemci saniyede kaç komut yürütür?

   Cevap

   Bir tur 1 ÷ (2,5 × 10⁹) s = 0,4 × 10⁻⁹ s = 0,4 ns'dir. Saniyede 2,5 × 10⁹ tur atılır ve her komut 5 tur sürer: 2,5 × 10⁹ ÷ 5 = 500 milyon komut/s.

2. Her biri tek çekirdekte 3 saniye süren 10 bağımsız ve bölünemez iş, 4 çekirdekli bir işlemcide çalıştırılıyor. Toplam süre ve tek çekirdeğe göre hızlanma nedir?

   Cevap

   Tur sayısı 10 ÷ 4 = 2,5'in yukarı yuvarlanmasıdır: 3 tur. İlk iki turda 4'er, son turda 2 iş çalışır. Toplam süre 3 × 3 = 9 s'dir. Tek çekirdekte 10 × 3 = 30 s sürerdi; hızlanma 30 ÷ 9 ≈ 3,3 kattır, 4 kat değildir.

3. 12 elemanlı bir tamsayı dizisi (eleman 4 bayt) sırayla toplanıyor. Önbellek satırı 32 bayt, önbellek başta boş; isabet 1 ns, ıska 80 ns. Kaç ıska olur ve toplam süre nedir?

   Cevap

   Bir satıra 32 ÷ 4 = 8 eleman sığar. a[0]…a[7] ilk blokta, a[8]…a[11] ikinci bloktadır. a[0] ve a[8]'de ıska, kalan 10 erişimde isabet olur: 2 × 80 + 10 × 1 = 170 ns. Önbelleksiz 12 × 80 = 960 ns sürerdi.

4. L1 ≈ 1 ns, L2 ≈ 3 ns, L3 ≈ 10 ns, RAM ≈ 80 ns. Başlangıçta L1'de A, L2'de B, L3'te B ve C var. İşlemci sırayla C, B, C okuyor; bulunan veri üst düzeylere kopyalanıyor. Her okuma ne kadar sürer?

   Cevap

   C: L1'de yok (1), L2'de yok (+3), L3'te var (+10) → 14 ns; C, L2 ve L1'e kopyalanır. B: L1'de yok (1), L2'de var (+3) → 4 ns; B, L1'e kopyalanır. C: artık L1'de → 1 ns. Toplam 19 ns; hepsi RAM'den okunsaydı 240 ns olurdu.

5. Stereo, 48.000 örnek/s ve örnek başına 24 bit (3 bayt) ile 1 dakikalık sıkıştırılmamış kayıt yapılıyor. Kayıt kaç bayt ve yaklaşık kaç MiB tutar?

   Cevap

   Saniyede 48.000 × 3 × 2 = 288.000 bayt; 60 saniyede 288.000 × 60 = 17.280.000 bayt. 17.280.000 ÷ 1.048.576 ≈ 16,5 MiB.

6. 15,6 inçlik, 2560 × 1440 çözünürlüklü bir dizüstü ekranının PPI değeri nedir? Bu ekran 165 Hz ise bir kare kaç ms ekranda kalır?

   Cevap

   √(2560² + 1440²) = √8.627.200 ≈ 2937,2; 2937,2 ÷ 15,6 ≈ 188,3 PPI. Kare süresi 1000 ÷ 165 ≈ 6,1 ms'dir.

7. 5400 dev/dk dönen bir HDD'nin ortalama arama süresi 12 ms, aktarım hızı 120 MB/s'dir. 4 KB'lık bir sektörün ortalama erişim süresi nedir? (1 MB = 1000 KB)

   Cevap

   Bir tur 60.000 ÷ 5400 ≈ 11,11 ms; dönme gecikmesi yarım tur ≈ 5,56 ms. Aktarım 0,004 MB ÷ 120 MB/s ≈ 0,033 ms. Toplam 12 + 5,56 + 0,03 ≈ 17,6 ms.

8. Kutusunda “2 TB” yazan bir disk, 1024 tabanıyla hesap yapan bir işletim sisteminde yaklaşık kaç GiB görünür?

   Cevap

   2 TB = 2 × 10¹² bayt. 2 × 10¹² ÷ 2³⁰ ≈ 1862,6 GiB. Bayt sayısı aynıdır; fark yalnızca birimden gelir.

9. Bir sistemde işlemci 65 W, ekran kartı 160 W, diğer bileşenler 50 W çekiyor. %30 pay bırakılacak; 300, 400, 450 ve 550 W'lık modeller var. Hangisi seçilir?

   Cevap

   Toplam 65 + 160 + 50 = 275 W; payla 275 × 1,3 = 357,5 W. Bunun altında kalmayan en küçük model 400 W'tır.

10. Bir program dosyası SSD'de duruyor. Program açılıp bir hesap yapıldığında veri hangi sırayla hangi birimlerden geçer? Sonuç kaydedilince ne olur?

    Cevap

    Program SSD'den RAM'e kopyalanır; CPU komutları ve veriyi RAM'den önbelleğe, oradan yazmaçlara getirip işler: SSD → RAM → önbellek → yazmaçlar. Sonuç ekran kartı üzerinden monitöre gider. Kaydedildiğinde veri RAM'den SSD'ye yazılır; kaydedilene kadar değişiklikler yalnızca RAM'dedir.

1.14İleri okuma

• C. Petzold, Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software (2. baskı, 2022): ikili sayılardan ve mantık kapılarından başlayarak bir işlemcinin nasıl kurulduğunu, ön bilgi gerektirmeden ve adım adım anlatır.
• D. A. Patterson ve J. L. Hennessy, Computer Organization and Design RISC-V Edition (2. baskı, 2020), Bölüm 1 ve 5: performansın saat hızı ve komut sayısıyla nasıl hesaplandığını, bellek hiyerarşisini ve önbellek tasarımını ayrıntılı işler.
• R. E. Bryant ve D. R. O'Hallaron, Computer Systems: A Programmer's Perspective (3. baskı, 2015), Bölüm 6: depolama teknolojilerini, HDD erişim süresinin hesabını ve yerelliğin program hızına etkisini programcı gözüyle anlatır.

1.15Kaynaklar

1. D. A. Patterson, J. L. Hennessy, Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware/Software Interface, 2. baskı, Morgan Kaufmann, 2020.
2. W. Stallings, Computer Organization and Architecture, 11. baskı, Pearson, 2019.
3. R. E. Bryant, D. R. O'Hallaron, Computer Systems: A Programmer's Perspective, 3. baskı, Pearson, 2015.
4. C. Petzold, Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software, 2. baskı, Microsoft Press, 2022.
5. PCI-SIG (PCI Express), USB-IF (USB), VESA (DisplayPort) ve JEDEC (DDR bellek) teknik standartları.