Bölüm 1: Giriş

Mikroişlemciler

Mikroişlemci ve mikrodenetleyiciGetir · çöz · yürütMikroişlemci yapısı Saat hızıCISC · RISC · EPICÖzel amaçlı işlemciler Intel x86 evrimiModern işlemci özellikleri

Sercan KÜLCÜ · Giresun Üniversitesi · Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Giriş

Öğrenme Çıktıları

Temel kavramlar

Mikroişlemciyi, mikrodenetleyiciyi ve bir bilgisayar sisteminin yollarını tanımlamak.

Komut döngüsü

Getir–çöz–yürüt döngüsünü ve program sayacının (IP/PC) rolünü adım adım izlemek.

Performans

Saat frekansı, periyot, CPI ve çalışma süresi arasındaki ilişkiyi hesaplamak.

Mimari türleri

CISC, RISC, EPIC ile vektör, SIMD, DSP, GPU gibi işlemci türlerini karşılaştırmak.

x86 ailesi

4004'ten Core i7'ye Intel işlemcilerinin gelişimini ve 8086'nın yerini açıklamak.

Modern özellikler

Önbellek, çok çekirdek, sanallaştırma ve güç yönetimi gibi kavramları tanımak.

Temel Kavramlar

Mikroişlemci Nedir?

Bilgisayarın beyni: merkezi işlem biriminin (CPU) tek bir yonga üzerinde gerçeklenmiş hâli.
Programlanabilir bir aygıttır; ne yapacağını bellekteki komutlar belirler.
Temel iş akışı:
- girdi alır,
- aritmetik ve mantıksal işlemler yapar,
- istenen çıktıyı üretir.
Makine dilindeki komutları okur ve uygular.

Örnek: hesap makinesinde tuşlar girdi, toplama işlemi işlem, ekrandaki sonuç çıktıdır.

Temel Kavramlar

Bilgisayar Sistemi ve Yollar (Bus)

Adres yoluHangi bellek gözüne / G/Ç kapısına erişileceğini seçer. n hat → 2ⁿ adres. 8086: 20 bit → 1 MB.

Veri yoluOkunan ya da yazılan veriyi taşır. Genişliği bir seferde aktarılan bit sayısıdır. 8086: 16 bit.

Kontrol yoluOkuma/yazma, bellek mi G/Ç mı, saat, kesme gibi zamanlama ve denetim sinyalleri.

Temel Kavramlar

Mikroişlemci ve Mikrodenetleyici

MikroişlemciYalnızca CPU; bellek ve çevre birimleri dışarıdan eklenir. Esnek ve güçlü. Ör: 8086, Core i7, Ryzen.

MikrodenetleyiciCPU + bellek + çevre birimleri tek yongada. Ucuz, az enerji, tek işe adanmış. Ör: 8051, PIC, AVR (Arduino), STM32.

Temel Kavramlar

Mikroişlemci mi, Mikrodenetleyici mi?

Ölçüt	Mikroişlemci (MPU)	Mikrodenetleyici (MCU)
İçerik	CPU (ALU, denetim birimi, yazmaçlar)	CPU + RAM + Flash + G/Ç + zamanlayıcı + ADC…
Bellek	dışarıda, büyük (GB)	yonga içinde, küçük (KB–MB)
Saat hızı	yüksek (GHz)	düşük–orta (MHz)
Güç	yüksek (W–100 W)	çok düşük (mW, uyku modunda µW)
Maliyet	yüksek; ek yongalar gerekir	düşük; tek yonga yeterli
Yazılım	genelde işletim sistemi + çok sayıda uygulama	tek, sabit bir program (gömülü yazılım)
Kullanım	PC, sunucu, dizüstü	çamaşır makinesi, kumanda, otomobil ECU, IoT

Bu derste 8086 mikroişlemcisini inceliyoruz: yollar, yazmaçlar ve komutlar MCU'larda da aynı mantıkla çalışır.

Temel Kavramlar

Ana Görevler: Komut Döngüsü

1 · Getir (fetch)Komutu, PC'nin gösterdiği adresten bellekten çeker.

2 · Çöz (decode)İşlem kodunu çözer: hangi işlem, hangi işlenenler?

3 · Yürüt (execute)Çözülen komutu uygular (ALU, veri taşıma, atlama).

4 · Sonuç (result)Sonucu yazmaca/belleğe yazar, bayrakları günceller.

İşlemci açık olduğu sürece bu döngü durmaksızın tekrarlanır. Hızlı işlemciler aşamaları üst üste bindirir (boru hattı, ileride).

Temel Kavramlar · Adım adım

Komut Döngüsü: `MOV AL,5` · `ADD AL,3` · `HLT`

Program belleğe yüklenmiş. IP (8086'da program sayacının adı) ilk komutun adresini, 0100h'yi gösteriyor.

Getir: IP adres yoluna konur, bellekten B0 05 okunur. IP komut uzunluğu (2 bayt) kadar artar → 0102h.

Çöz: denetim birimi B0 işlem kodunu “AL'ye 8 bitlik sabit yükle” olarak çözer; sabit 05h.

Yürüt / sonuç: 05h, AL yazmacına yazılır. MOV bayrakları etkilemez.

Döngü yeniden başlar: 04 03 getirilir, IP → 0104h.

04 = “AL'ye 8 bitlik sabit ekle”. İşlenenler: AL (05h) ve 03h.

ALU toplar: 05h + 03h = 08h → AL. Sonuç sıfır değil (ZF=0), elde yok (CF=0).

F4 = HLT getirilip çözülür; işlemci bir kesme gelene kadar durur. Her komut için aynı döngü tekrarlanır.

Temel Kavramlar

Temel İşlevler

Aritmetik ve mantıksal işlemler

Toplama, çıkarma, karşılaştırma, AND/OR/XOR, kaydırma. ALU (Arithmetic Logic Unit) tarafından yapılır. Yeni işlemciler kayan noktalı sayılarla da çalışır (FPU).

ADD AX, BX
CMP AL, 10
AND AL, 0Fh

Veri taşıma

Veri yazmaçlar, bellek ve G/Ç arasında bir yerden başka bir yere kopyalanır. Programlardaki en sık işlemdir.

MOV AX, [1234h]
MOV [BX], AL
IN AL, 60h

Program sayacı (PC)

Sıradaki komutun adresini tutar. PC'ye yeni değer yazılarak atlanır; koşullu atlamalarla karar verilir. 8086'da adı IP.

JMP etiket
JZ sifirsa
CALL alt_program

Her program, bu üç işlevin (hesapla · taşı · sırayı değiştir) birleşiminden oluşur.

Temel Kavramlar · Kodu adım adım çalıştır

Kod İzleme: IP Nasıl Değişir?

mov cx, 3 3 bayttır; çalıştıktan sonra IP sıradaki komutu (0103h) gösterir.

Toplam sıfırlanır. IP yine komut uzunluğu kadar ilerler → 0106h.

AX = 0 + 3 = 3. add ax, cx 2 bayttır → IP = 0108h.

loop: CX = CX − 1 = 2 ≠ 0 → atla. IP'ye 0106h yazılır; sıralı akış bozulur.

AX = 3 + 2 = 5.

CX = 1 ≠ 0 → yine 0106h'ye atlanır.

AX = 5 + 1 = 6.

CX = 0 → atlama yok; IP sıradaki komuta (010Ah) geçer.

hlt: işlemci durur. Sonuç AX = 3 + 2 + 1 = 6.

0100  mov  cx, 3     ; sayaç = 3
0103  mov  ax, 0     ; toplam = 0
0106  dongu: add ax, cx
0108  loop dongu     ; CX--, CX≠0 ise atla
010A  hlt            ; dur

Soldaki sayılar komutların bellek adresleridir (bağıl konum, hex). loop bayrakları değiştirmez.

Mikroişlemci Yapısı

Denetim birimi komutları çözer ve diğer birimlere ne zaman ne yapacaklarını söyler; ALU hesaplar; yazmaçlar en hızlı geçici depodur; yol arayüzü dış dünyayla konuşur.

Mikroişlemci Yapısı

Yapı Bileşenleri

ALUİkili sayılar üzerinde aritmetik (+, −) ve mantıksal (AND, OR, NOT, XOR) işlemler ile karşılaştırma ve kaydırma yapar. Sonuca göre bayrakları (sıfır, elde, işaret, taşma) ayarlar.

Denetim birimiKomutu çözer, hangi yazmacın hangi yola bağlanacağını, ALU'nun hangi işlemi yapacağını ve bellek okuma/yazma sinyallerini zamanlar.

Yazmaçlar (register)İşlemci içindeki küçük ve çok hızlı bellek gözleri. Genel amaçlı (veri), adres/işaretçi, durum (bayrak) ve program sayacı yazmaçları vardır.

Yol arayüzüAdres, veri ve kontrol yollarını sürer. 8086'da BIU komutları önceden getirip 6 baytlık bir kuyrukta bekletir.

Saat ve zamanlamaTüm işlemler saat sinyalinin vuruşlarıyla eşzamanlı ilerler. Bir vuruşun süresi T = 1/f.

Önbellek, FPU, çekirdeklerModern işlemcilerde aynı yongada önbellek, kayan nokta birimi, birden çok çekirdek ve grafik birimi de bulunur.

Mikroişlemci Yapısı

Saat Sinyali ve Periyot

Saat frekansı f: saniyedeki vuruş (çevrim) sayısı, Hz.
Periyot T = 1 / f: bir vuruşun süresi.
Bir komut, birkaç saat çevrimi sürebilir; 8086'da bir bellek erişimi en az 4 T (T1–T4) sürer.

f	T = 1/f	4 T
5 MHz (8086)	200 ns	800 ns
10 MHz (8086-1)	100 ns	400 ns
3 GHz	0,333 ns	1,33 ns

Mikroişlemci Yapısı · Etkileşimli

Hesaplayıcı: Saat Hızı, Periyot ve Çalışma Süresi

Saat frekansı f (MHz) Komut başına çevrim (CPI) Komut sayısı N (milyon)

Periyot T—

8086 yol çevrimi (4 T)—

Hız (MIPS = f / CPI)—

Çalışma süresi—

CPI değerleri kabaca örnektir: 8086 komutları ortalama ~10 çevrim sürerken modern işlemciler çevrim başına birden çok komut bitirebilir (CPI < 1).

Mikroişlemci Yapısı

16, 32 ve 64 Bitlik İşlemcilerin Saat Hızları

16-bit

8086: 5 · 8 · 10 MHz
8088: 5 · 8 MHz
(IBM PC'de 4,77 MHz)
80186/80188: 6 MHz'den başlayarak
80286: 6 · 8 · 10 · 12,5 MHz

32-bit

80386: 16 – 33 MHz
80486: 16 – 100 MHz
(DX2/DX4 saat çarpanı)
Pentium: 60 · 66 MHz ile başladı

64-bit

Core 2: 1,2 – 3 GHz
Core i7 (1. nesil): 2,66 – 3,33 GHz
Core i5 (1. nesil): 2,4 – 3,6 GHz
Core i3 (1. nesil): 2,93 – 3,33 GHz

30 yılda saat hızı yaklaşık 1000 kat arttı (5 MHz → ~3 GHz). 2005 civarında güç ve ısı sınırına dayanıldı; o tarihten sonra performans artışı daha çok çok çekirdek ve çevrim başına daha fazla komutla sağlandı.

Kaynak sunumdaki “8086: 4,7 MHz” ve “i7: 66 GHz” değerleri düzeltildi: 4,77 MHz IBM PC'deki 8088'in saatidir; i7 alt sınırı 2,66 GHz'dir.

Mikroişlemci Yapısı

“n-bit İşlemci” Ne Demek?

İşlemcinin bir seferde işleyebildiği sözcük (word) genişliği: yazmaç ve ALU boyutu, çoğunlukla veri yolu genişliği. n bitle 0 … 2ⁿ − 1 aralığı temsil edilir.

Sözcük	İşaretsiz aralık
8 bit	0 … 255
16 bit	0 … 65.535
32 bit	0 … 4.294.967.295
64 bit	0 … ≈ 1,8 × 10¹⁹

Adres yolu genişliği ise erişilebilen bellek miktarını belirler: n hat → 2ⁿ bayt.

Adres yolu	Bellek	Örnek
16 bit	64 KB	8080, 8085
20 bit	1 MB	8086, 8088
24 bit	16 MB	80286
32 bit	4 GB	80386, 80486
36 bit	64 GB	Pentium Pro (PAE)

8086 16 bitlik bir işlemcidir ama 20 bitlik adres yoluna sahiptir. 16 bitlik yazmaçlarla 20 bitlik adresin nasıl üretildiğini x86 bölümünde göreceğiz.

İşlemci Türleri

İşlemci Türleri: Genel Bakış

CISCComplex Instruction Set Computer · Karmaşık Komut Kümeli Bilgisayar

RISCReduced Instruction Set Computer · Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayar

EPICExplicitly Parallel Instruction Computing · Açıkça Paralel Komut İşleme

İşlemci Türleri

Karmaşık Komut Kümeli Bilgisayar (CISC)

Karmaşık işlemleri tek bir komutla yapabilir.
Bir komut; bellekten yükleme, aritmetik işlem ve belleğe kaydetme gibi birden çok düşük seviyeli işlem içerebilir.
Komutlarda birden çok adresleme kipi ve doğrudan bellek işlenenleri bulunur.
Komut uzunlukları değişkendir (8086'da 1–6 bayt); çözme karmaşıktır.
Görece az sayıda yazmaç kullanır.
Çoğunlukla mikroprogramlı denetim birimi.

Örnekler

Intel 8086, 80386, 80486
Pentium, Pentium Pro, II, III
Motorola 68000, 68020, 68040
DEC VAX, IBM System/360

ADD [BX], AX   ; bellek = bellek + AX
REP MOVSB      ; CX bayt kopyala

Tek komut: oku + topla + yaz

İşlemci Türleri

Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayar (RISC)

Az sayıda, basit ve sabit uzunluklu komut (ör. hepsi 32 bit).
Optimize komutlar ve boru hattı (pipeline) ile hızlı yürütme.
Hedef: ideal durumda her saat çevriminde bir komut tamamlamak (CPI ≈ 1).
Belleğe yalnızca yükle/sakla (load/store) komutları erişir; işlemler yazmaçlar arasında yapılır.
Bellek erişimini azaltmak için çok sayıda yazmaç (32 ve üzeri).
Donanımsal (hardwired) denetim birimi; karmaşıklık derleyiciye kayar.

Örnekler

IBM RS/6000 (POWER)
Motorola MC88100
DEC Alpha 21064, 21164, 21264
MIPS, SPARC
ARM (telefonlar, Apple M serisi)
RISC-V (açık kaynak komut kümesi)

Not: Bir komut tek çevrimde tamamlanmaz; birkaç aşamadan geçer. Boru hattı sayesinde her çevrimde bir komut biter (verim/throughput).

İşlemci Türleri · Adım adım

Boru Hattı (Pipeline): Aşamaların Üst Üste Binmesi

Çevrim 1: K1 getirilir (IF). Diğer aşamalar boş.

Çevrim 2: K1 çözülürken (ID) K2 getirilir. İki komut aynı anda farklı aşamalarda.

Çevrim 3: üç komut üç farklı aşamada çalışıyor.

Çevrim 4: dört komut birden boru hattında.

Çevrim 5: boru hattı dolu sayılır; K1 tamamlanır (WB). Bundan sonra her çevrimde bir komut biter.

Çevrim 6: K2 tamamlanır.

Çevrim 7: K3 tamamlanır.

Çevrim 8: K4 tamamlanır. 4 komut k + n − 1 = 5 + 4 − 1 = 8 çevrimde biter; boru hattısız 4 × 5 = 20 çevrim gerekirdi.

Fabrikadaki montaj bandı gibi: her aşama ayrı bir donanım birimidir ve her çevrimde bir sonraki komuta geçer. Bağımlılıklar ve dallanmalar boru hattında bekleme (stall) doğurabilir.

İşlemci Türleri

Aynı İş, İki Yaklaşım

Görev: bellekteki bir sayıya bir yazmacın değerini eklemek (bellek[adr] += x).

CISC (8086)

ADD [BX], AX     ; 1 komut
                 ; oku, topla, yaz

Kod kısa, bellekte az yer kaplar.
Komut birçok çevrim sürer.

RISC (ARM)

LDR r2, [r1]       @ yükle
ADD r2, r2, r0     @ topla
STR r2, [r1]       @ sakla

3 basit komut; her biri boru hattında akıcı.
Değer yazmaçta kalırsa sonraki işlemler belleğe gitmez.

Modern x86 işlemciler (Pentium Pro'dan beri) karmaşık komutları içeride RISC benzeri mikro-işlemlere (µop) çevirir: dışı CISC, içi RISC.

İşlemci Türleri

RISC ve CISC İşlemciler

Ölçüt	RISC	CISC
Komut kümesi	az ve basit	geniş ve karmaşık
Komut uzunluğu	sabit	değişken
Komut başına çevrim	az (≈1, boru hattıyla)	çok (değişken)
Bellek erişimi	yalnızca load/store	çoğu komut belleğe erişebilir
Yazmaç sayısı	çok	az
Program boyutu	daha uzun	daha kısa
Güç tüketimi	düşük	görece yüksek
Esneklik	yük derleyicide	geniş komut yelpazesi, esnek kullanım

RISC: az çeşit komutu hızlı çalıştırır, yüksek performans/düşük güç. CISC: çok çeşit komut sunar ama tek tek komutlar daha yavaştır.

İşlemci Türleri

Açıkça Paralel Komut İşleme (EPIC)

Hangi komutların paralel çalışabileceğine donanım değil derleyici karar verir ve bunu koda açıkça yazar.
Yüksek saat frekansı gerekmeden çok sayıda komut aynı anda yürütülebilir.
Komutlar 128 bitlik paketler (bundle) hâlinde kodlanır: 41 bitlik üç komut + 5 bitlik şablon.

ÖrnekIntel–HP ortak mimarisi IA-64; Itanium işlemcileri (2001–2021).

SonuçDerleyiciye çok yük bindirdi ve x86 uyumluluğu zayıf kaldı; piyasada x86-64'e yenildi.

İşlemci Türleri

Skalar ve Vektör İşleme

Skalar işlemci her komutta tek bir veri öğesini işler; vektör işlemci tek bir komutla tüm bir veri dizisini (vektörü) işler. Komut getirme/çözme ve döngü yükü bir kez ödenir.

İşlemci Türleri

Vektör İşlemcisi (Vector Processor)

Vektör adı verilen veri dizileri üzerinde matematiksel işlemler yapar.
Tek bir veri öğesi üzerinde çalışan skalar işlemcilere göre bu tür işlerde çok daha hızlıdır.
Birden çok veri öğesini aynı anda (ya da derin boru hattında art arda) işler.
Uzun vektör yazmaçları ve vektör yükle/sakla birimleri vardır.
Süper bilgisayar, sunucu ve GPU gibi yüksek performanslı sistemlerde kullanılır.

TarihîCray-1 (1976) süper bilgisayarı

Bugünx86 SSE/AVX, ARM NEON/SVE, RISC-V V uzantısı

Uygulamahava tahmini, fizik benzetimi, yapay zekâ

İşlemci Türleri

Dizi İşlemcisi (Array Processor)

SIMD (Single Instruction, Multiple Data · tek komut, çok veri) olarak da adlandırılır.
Tek denetim birimi, aynı komutu çok sayıda işlem elemanına (PE) yayınlar; her PE kendi verisini işler.
Paralel hesaplamalar ve vektör işlemleri için optimize edilmiştir.
Tek veri öğesiyle çalışan skalar işlemcilerden farklıdır.
Süper bilgisayar, sunucu ve GPU'larda kullanılır; genel amaçlı hesaplamada nadirdir.

Flynn sınıflandırması
SISD	tek komut, tek veri (klasik 8086)
SIMD	tek komut, çok veri (dizi/vektör, GPU)
MISD	çok komut, tek veri (nadir; hata toleransı)
MIMD	çok komut, çok veri (çok çekirdek, kümeler)

İşlemci Türleri

Sayıl (Skalar) İşlemci (Scalar Processor)

Sayıl (vektör olmayan) veriyi, komut başına bir veri öğesi olarak işler.
Basit sayıl işlemciler yalnızca tamsayılarla çalışır.
Güçlü olanlar kayan noktalı sayıları da işler: tamsayı birimi (ALU) ve kayan nokta birimi (FPU) aynı yongadadır.
CISC ya da RISC mimarisinde olabilir.
Genel amaçlı hesaplamada en yaygın türdür.

Süperskalar (superscalar)

Birden çok boru hattı/yürütme birimiyle bir saat çevriminde birden fazla komut başlatabilen skalar işlemci. İlk x86 örneği: Pentium (U ve V boru hatları).

Kaynak sunumda “birden çok boru hattı, çevrimde birden fazla komut” özellikleri tüm skalar işlemcilere atfedilmişti; bunlar süperskalar işlemcilerin özelliğidir.

İşlemci Türleri

Dijital Sinyal İşlemcisi (DSP)

Dijital sinyaller üzerinde işlem yapmak için optimize edilmiştir.
Dijital sinyal: ses, görüntü gibi duyusal bilgileri temsil eden örnek (sample) dizileri.
Sinyal işlemeye özel komut kümesi ve donanım: tek çevrimde çarp-topla (MAC), dairesel tampon adresleme, sıfır yüklü döngü.
Uygulamalar:
- ses işleme ve filtreleme
- görüntü işleme ve işaretleme
- telekomünikasyon altyapısı (modem, baz istasyonu)

FIR süzgeci

y[n] = Σ h[k] · x[n − k]

Her çıktı örneği için N çarpma + N toplama. DSP her terimi tek MAC komutuyla yapar:

A ← A + h[k] × x[n−k]

Ör: TI TMS320, Analog Devices SHARC

İşlemci Türleri

Sembolik İşlemci (Symbolic Processor)

Sembolik hesaplama için tasarlanmıştır: sayılar yerine semboller, listeler ve kurallar işlenir.
PROLOG (ve LISP) işlemcileri olarak da adlandırılır.
Anlamsal (semantik) hesaplama ve sembolik mantık kuralları üzerine odaklanır.
Matematiksel ifadeleri ve sembolleri işler; karmaşık ifadeleri sadeleştirebilir, türev alabilir.

Uygulama alanları

Uzman sistemler (expert systems)
Makine zekâsı (machine intelligence)
Kural tabanlı çıkarım

baba(ali, veli).
dede(X, Z) :- baba(X, Y),
              baba(Y, Z).

Prolog kuralı: sembolik çıkarım

1980'lerin LISP makineleri (Symbolics) ve Japonya'nın 5. Nesil Bilgisayar projesi bu türdendi; bugün bu işler genel amaçlı işlemcilerde yazılımla yapılır.

İşlemci Türleri

Grafik İşlemcisi (GPU)

2B ve 3B grafiklerin hızlandırılması için tasarlanmıştır.
Gerçek zamanlı, yüksek kaliteli grafikler üretir.
Görüntü oluşturma (render) görevlerinde etkin ve verimlidir: gölgelendirme (shading), dokulama (texturing), rasterleştirme.
Binlerce basit çekirdek aynı programı farklı piksellerde çalıştırır (SIMD/SIMT).
Grafik kartı ve hızlandırıcı (accelerator) gibi özel donanımlarda kullanılır.

CPUbirkaç güçlü çekirdek · gecikmeyi azaltır · karmaşık akış

GPUbinlerce basit çekirdek · verimi artırır · paralel veri

GPGPUCUDA/OpenCL ile bilimsel hesap ve derin öğrenme

İşlemci Türleri

İşlemci Türleri: Özet Tablo

Tür	Temel fikir	Güçlü yanı	Örnek
CISC	zengin, karmaşık komutlar	kısa kod, uyumluluk	8086, Pentium, 68000
RISC	basit komut + boru hattı	hız, düşük güç	ARM, MIPS, RISC-V
EPIC	derleyici paralelliği belirler	komut düzeyi paralellik	IA-64 Itanium
Skalar	komut başına bir veri	genel amaçlı	çoğu CPU çekirdeği
Vektör	komut başına veri dizisi	bilimsel hesap	Cray-1, AVX
Dizi (SIMD)	çok PE, aynı komut	büyük paralellik	ILLIAC IV, GPU
DSP	MAC, özel adresleme	gerçek zamanlı sinyal	TMS320, SHARC
Sembolik	sembol/kural işleme	yapay zekâ (klasik)	LISP makineleri
GPU	binlerce basit çekirdek	grafik, derin öğrenme	NVIDIA, AMD Radeon

Intel x86 Evrimi

Mikroişlemcilerin Evrimi

1947 · TransistörBell Laboratuvarları'nda (Bardeen, Brattain, Shockley) icat edildi, 1948'de duyuruldu; mikroelektronik devrimi başladı.

1958 · Tümleşik devre (IC)Texas Instruments'ta Jack Kilby ilk tümleşik devreyi gösterdi. Birçok transistör tek bir yonga üzerinde birleştirilerek karmaşık devreler kurulabildi.

1971 · İlk mikroişlemciIntel 4004: bütün bir CPU tek yongada. Mikroişlemci bilgisayarın merkezi işlem birimi (CPU) görevini üstlendi.

SonuçBilgisayarlar oda büyüklüğünden masaüstüne, oradan cebe sığdı: daha küçük, daha güçlü, daha hızlı ve daha ucuz.

Kaynak sunumda transistörün icadı 1948 olarak verilmişti; icat Aralık 1947'dir.

Intel x86 Evrimi

Intel İşlemcileri: Zaman Çizelgesi

x86 adı 8086'dan sonraki 80186, 80286, 80386, 80486 adlarının ortak “86” sonekinden gelir. Hepsi 8086 kodunu çalıştırabilir: geriye uyumluluk.

Intel x86 Evrimi

4 ve 8 Bitlik Mikroişlemciler

İşlemci	Yıl	Saat	Transistör	Komut hızı / not
4004 (4-bit)	1971	740 kHz	2.300	≈ 60.000 komut/s; Ted Hoff, Federico Faggin, Stanley Mazor
4040 (4-bit)	1974	740 kHz	≈ 3.000	4004'ün geliştirilmiş sürümü (kesme, daha çok komut)
8008 (8-bit)	1972	500 kHz	3.500	≈ 50.000 komut/s; ilk 8 bitlik
8080 (8-bit)	1974	2 MHz	6.000	8008'in ≈10 katı hız; 16-bit adres (64 KB); ilk kişisel bilgisayarlar (Altair 8800)
8085 (8-bit)	1976	3 MHz	6.500	tek +5 V besleme; 16-bit adres yolu; ≈ 769.000 komut/s (en kısa komut 1,3 µs)

Kaynak tabloda 4004 ve 4040 aynı satırda, Ted Hoff ve Stanley Mazor ile birlikte verilmişti; 4040 1974'te çıkmıştır ve 4004 tasarımında Federico Faggin'in de payı vardır.

Intel x86 Evrimi

16 Bitlik Mikroişlemciler

İşlemci	Yıl	Saat	Transistör	Özellik
8086	1978	5 · 8 · 10 MHz	29.000	16-bit veri yolu, 20-bit adres yolu (1 MB); donanımsal çarpma/bölme; ≈ 0,33–0,75 MIPS
8088	1979	5 · 8 MHz	29.000	8086'nın 8-bit dış veri yollu ucuz sürümü; IBM PC (1981, 4,77 MHz)
80186 / 80188	1982	6 MHz'den	≈ 55.000	yonga üstünde kesme denetleyicisi, saat üreteci, yerel yol denetleyicisi, sayaçlar, DMA; 80188 ucuz (8-bit dış yol) sürüm
80286	1982	6 – 12,5 MHz	134.000	16-bit veri, 24-bit adres yolu (16 MB); korumalı mod; ≈ 0,9–2,7 MIPS

Kaynakta 8086 için verilen “2,5 milyon komut/s” değeri gerçekçi değildir: 8086 komutları ortalama 10'dan fazla çevrim sürdüğü için 5 MHz'de yaklaşık 0,33 MIPS elde edilir.

Intel x86 Evrimi

32 Bitlik Mikroişlemciler

İşlemci	Yıl	Saat	Transistör	Özellik
80386	1985	16 – 33 MHz	275.000	32-bit veri ve adres yolu (4 GB), sayfalama; sürümler: 386DX, 386SX (1988; 16-bit dış veri, 24-bit adres), 386SL (dizüstü)
80486	1989	16 – 100 MHz	1,2 milyon	yonga üstü 8 KB önbellek, entegre FPU, 5 aşamalı boru hattı; sürümler: 486DX, 486SX (FPU'suz), DX2, DX4
Pentium	1993	60 · 66 MHz (ilk)	3,1 milyon	süperskalar (2 boru hattı); ayrı 8 KB komut + 8 KB veri önbelleği; 64-bit dış veri yolu

Düzeltmeler: kaynak tabloda 80386 ve 80486'nın çıkış yılı 1986 verilmişti (doğrusu 1985 ve 1989); Pentium önbelleği “8 bit” değil 8 KB + 8 KB'dir.

Intel x86 Evrimi

64 Bitlik Mikroişlemciler

İşlemci	Yıl	Saat	Transistör	Özellik
Core 2	2006	1,2 – 3 GHz	291 milyon (Duo)	çekirdek başına 64 KB L1 (32 KB komut + 32 KB veri), 2–4 MB paylaşımlı L2; sürümler: Duo, Quad, Extreme
Core i7	2008	2,66 – 3,33 GHz	731 milyon	4 çekirdek, Hyper-Threading, entegre bellek denetleyicisi, 8 MB L3
Core i5	2009	2,4 – 3,6 GHz	—	orta sınıf; Turbo Boost
Core i3	2010	2,93 – 3,33 GHz	—	giriş sınıfı; 2 çekirdek, entegre grafik

64 bitlik x86 (x86-64) ilk kez AMD tarafından (AMD64, Opteron/Athlon 64, 2003) sunuldu; Intel bunu 2004'te Pentium 4 ile benimsedi.

Kaynakta i3, i5, i7 için yıllar 2007, 2009, 2010 sırasıyla verilmişti; doğru sıra i7 (2008), i5 (2009), i3 (2010). Saat aralıkları 1. nesil masaüstü/mobil modellere göredir.

Intel x86 Evrimi

Transistör Sayısı ve Moore Yasası

Moore yasası (1965/1975): yonga başına transistör sayısı yaklaşık her iki yılda bir iki katına çıkar. 4004'ten Core 2 Quad'a 37 yılda ≈ 2¹⁸ kat artış.

Intel x86 Evrimi · Temel özellikler

8080 ve 8086

Mikroişlemcilerin yapısı, örgütlenimi ve teknolojisi; ilk genel amaçlı mikroişlemci 8080'den, 29.000 transistörlü 8086'ya ve 820 milyon transistörlü dört çekirdekli Core 2'ye kadar dramatik biçimde değişti.

8080 (1974)

İlk genel amaçlı mikroişlemci olarak anılır.
8-bit veri yolu, 16-bit adres yolu (64 KB).
İlk kişisel bilgisayarlarda (Altair 8800) kullanıldı.

8086 (1978)

16-bit veri yolu ve 16 bitlik, daha çok sayıda yazmaç.
20-bit adres yolu: 1 MB adreslenebilir bellek.
Yalnızca gerçek mod (real mode).
Komutları çalıştırmadan önce önceden getirip (prefetch) 6 baytlık komut kuyruğunda bekletir → getirme ile yürütme üst üste biner.

Düzeltme: 8086'da önbellek (cache) yoktur; hız kazancını komut kuyruğu sağlar. Yonga üstü önbellek x86'da 80486 ile geldi.

Intel x86 Evrimi · Adım adım

Gerçek Mod: 16 Bitle 1 MB Nasıl Adreslenir?

Mantıksal adres 1234h:0010h → kesim (segment) = 1234h, bağıl konum (offset) = 0010h. İkisi de 16 bit.

Kesim 16 ile çarpılır (= 4 bit sola kaydırma): hex olarak sağa bir 0 eklenir → 12340h.

Bağıl konum, sağa hizalanarak altına yazılır: 00010h.

Toplam: 12340h + 00010h = 12350h. 20 bitlik fiziksel adres → 2²⁰ = 1 MB adres alanı.

Fiziksel adres = kesim × 16 + bağıl konum. Ayrıntısı 8086 Mimarisi ve Bellek Erişimi bölümlerinde.

Intel x86 Evrimi · Temel özellikler

80286, 80386 ve 80486

80286 (1982)

16 MB adreslenebilir bellek (24-bit adres).
Gerçek mod + 16 bitlik korumalı mod (protected mode).
16-bit veri yolu ve yazmaçlar.

80386 (1985)

Intel'in ilk 32 bitlik mikroişlemcisi.
Çoklu görevi (multitasking) donanımla destekler.
32 bitlik korumalı mod, sayfalama (paging), sanal 8086 modu.
4 GB adreslenebilir bellek.

80486 (1989)

Yonga üstü önbellek (8 KB) ve komut boru hattı.
Sayfa yazma koruması (CR0.WP biti).
Karmaşık aritmetik için entegre matematik işlemcisi (FPU); önceden ayrı 80387 yongasıydı.

Korumalı mod: her programın belleği diğerlerinden yalıtılır; bir programın hatası işletim sistemini çökertemez. Modern işletim sistemlerinin temeli budur.

Intel x86 Evrimi · Temel özellikler

Pentium ve Pentium Pro

Pentium (1993)

Süperskalar: iki boru hattıyla (U, V) komutlar paralel çalışabilir.
Dallanma tahmini (ilk x86).
Sayfa boyutu uzantısı (PSE): 4 KB'nin yanında 4 MB'lık sayfalar → sayfalamada iyileştirme.
Ayrı komut ve veri önbellekleri.

Pentium Pro (1995)

Gelişmiş dallanma tahmini (branch prediction).
Veri akış analizi (data flow analysis) ile sıra dışı (out-of-order) yürütme.
Spekülatif yürütme (speculative execution).
Aynı paket içinde düzey 2 (L2) önbellek.
PAE: 32 bitlik sanal adres, 36 bitlik fiziksel adrese çevrilir (64 GB).

Pentium Pro'nun bu üç tekniğine birlikte Intel “dinamik yürütme” (dynamic execution) adını verdi.

Intel x86 Evrimi · Temel özellikler

Pentium II, III ve 4

Pentium II (1997)

MMX teknolojisini (multimedya için tamsayı SIMD komutları) Pentium Pro çekirdeğiyle birleştirdi.
Video, ses ve grafik verisini etkili işler.

Pentium III (1999)

SSE (Streaming SIMD Extensions): 70 yeni komut, kayan noktalı SIMD.
3B grafik yazılımını destekler.
En yüksek saat hızı 1,4 GHz.

Pentium 4 (2000)

Multimedya için kayan nokta geliştirmeleri (SSE2, sonra SSE3).
Çok derin boru hattı (NetBurst), 3,8 GHz'e kadar.
Hyper-Threading.

Düzeltmeler: MMX ilk kez 1997'de “Pentium MMX” ile geldi, Pentium II onu devraldı. Kaynakta “SMD (streaming extensions)” yazan kısaltma SSE'dir.

Intel x86 Evrimi · Temel özellikler

Core ve Core 2

Core (Core Duo, 2006)

İki çekirdeği aynı kalıpta (die) birleştiren ilk Intel işlemcisi: iki işlemci tek yongada.
Sanallaştırma teknolojisi (VT-x) eklendi.
Düşük güç (mobil kökenli tasarım).

Core 2 (2006)

64 bitlik mimari (Intel 64).
64 bitlik yazmaç kümesi ve adresleme kipleri.
Core 2 Quad: tek pakette dört çekirdek (iki çift çekirdekli kalıp).

Düzeltme: kaynakta “görüntüleme teknolojisi (visualizing technology)” yazan özellik sanallaştırma (virtualization) teknolojisidir. Intel'in ilk çift çekirdekli masaüstü işlemcisi 2005'teki Pentium D'dir (iki kalıp tek pakette).

Intel x86 Evrimi

x86 Mimarisinin Avantajları

Uyumluluk (compatibility)Eski yazılımlar değiştirilmeden yeni x86 işlemcilerde çalışır: 1978'de 8086 için yazılmış kod bugün de çalışabilir.

Performans (performance)Her yeni işlemci nesli öncekinden daha hızlı ve verimli oldu.

Çeşitlilik (versatility)Kişisel bilgisayarlardan sunuculara, gömülü sistemlere ve mobil cihazlara kadar geniş bir kullanım yelpazesi.

Geniş endüstri desteğiBüyük bir donanım ve yazılım sağlayıcı ekosistemi tarafından desteklenir; bu destek yenilik ve gelişmenin itici gücü oldu.

Intel x86 Evrimi

x86 Mimarisinin Dezavantajları

Karmaşık komut kümesiBinlerce komut ve değişken uzunluklu kodlama; çözücü donanımı karmaşıklaşır, kodu performans için optimize etmek zorlaşır.

Güç tüketimix86'nın evrimi güç tüketiminde önemli bir artış getirdi; pil ömrünün kritik olduğu aygıtlarda büyük bir sorun.

Isı yayılımıİşlemciler güçlendikçe daha çok ısınır; soğutma maliyeti ve gürültü artar.

Maliyet ve lisansx86 mimarisi Intel'e aittir; yalnızca lisans anlaşması olan firmalar (ör. AMD) üretebilir, rekabet sınırlıdır.

Bu nedenlerle telefon ve tabletlerde ARM (RISC) baskındır; x86 masaüstü ve sunucuda güçlüdür.

Modern Özellikler · Adım adım

Saat Hızı Tek Başına Performans Değildir

CPU süresi = N × CPI × T = N × CPI / f

TanımlarN: çalışan komut sayısı · CPI: komut başına ortalama saat çevrimi · f: saat frekansı (T = 1/f).

İşlemci A: f = 2 GHz, CPI = 2N = 10⁹ → süre = 10⁹ × 2 / (2 × 10⁹) = 1 s

İşlemci B: f = 1,5 GHz, CPI = 1süre = 10⁹ × 1 / (1,5 × 10⁹) ≈ 0,67 s → saati düşük olan B %50 daha hızlı!

SonuçSaat hızı “saniyedeki çevrim sayısı”dır, komut sayısı değil. Komut/s = f / CPI; mimari (boru hattı, önbellek, süperskalar) CPI'yı düşürür. (Kaynaktaki “birim zamanda işlenen komut sayısı” tanımı düzeltildi.)

Modern Özellikler

Modern İşlemci Özellikleri (1)

Saat hızı (clock speed)Saniyedeki saat çevrimi sayısı (GHz). Komut hızı ayrıca CPI'ya bağlıdır.

Komut kümesi mimarisi (ISA)CISC ve RISC gibi mimariler verimlilik ve karmaşıklığı etkiler; yazılım ile donanım arasındaki sözleşmedir.

Önbellek (cache)Sık kullanılan veriyi işlemcinin yanında tutan küçük ve çok hızlı bellek (L1, L2, L3).

Çok çekirdek (multi-core)Birden çok görevin gerçekten aynı anda yürütülmesini sağlar, toplam performansı artırır.

Sanallaştırma (virtualization)Aynı donanım üzerinde birden çok işletim sisteminin (sanal makine) yalıtılmış olarak çalışmasını sağlar (Intel VT-x, AMD-V).

Güç yönetimiYük azalınca saat ve gerilim düşürülür (DVFS), boştaki çekirdekler uyutulur.

Modern Özellikler

Önbellek ve Bellek Hiyerarşisi

Programlar aynı ve yakın veriye tekrar tekrar erişir (yerellik ilkesi). Önbellek bu veriyi yakında tutarak ortalama erişim süresini RAM'inkinin çok altına indirir. Süreler yaklaşıktır.

Modern Özellikler

Modern İşlemci Özellikleri (2)

Güç yönetimi (power management)Modern işlemciler güç tüketimini azaltır ve enerji verimliliğini artırır: Turbo/SpeedStep, uyku durumları (C-states).

Grafik işlemeEntegre grafik işlem birimi (iGPU) içerir; grafik yoğun görevler daha hızlı ve verimli işlenir.

Güvenlik özellikleriDonanım düzeyinde şifreleme (AES-NI), güvenli önyükleme (secure boot), yalıtılmış güvenli bölgeler (TPM, SGX/TrustZone).

Bağlantı (connectivity)Özellikle mobil ve gömülü yongalarda (SoC) Wi-Fi, Bluetooth ve Ethernet gibi yerleşik ağ birimleri.

Makine öğrenmesiYapay zekâ için özel birimler: NPU, matris hızlandırıcıları (Intel AMX), vektör nokta çarpım komutları.

Yonga üstü sistem (SoC)CPU, GPU, NPU, bellek denetleyicisi ve G/Ç'nin tek yongada birleşmesi; mikrodenetleyici fikrine geri dönüş.

Özet

Mikroişlemci, bellekteki komutları getir–çöz–yürüt döngüsüyle çalıştıran programlanabilir CPU yongasıdır; mikrodenetleyici bellek ve çevre birimlerini de aynı yongada taşır.
CPU; ALU, denetim birimi, yazmaçlar ve yol arayüzünden oluşur; dış dünyayla adres, veri ve kontrol yollarıyla konuşur.
Periyot T = 1/f; çalışma süresi = N × CPI / f. Saat hızı tek başına performans ölçüsü değildir.
CISC zengin komutlar, RISC basit komut + boru hattı, EPIC derleyici güdümlü paralellik sunar; vektör, SIMD, DSP, GPU ve sembolik işlemciler özel işlere yöneliktir.
Intel 4004 (1971) → 8086 (1978, 16 bit, 1 MB) → 80386 (32 bit) → Core 2 (64 bit): geriye uyumluluk x86'nın en büyük gücüdür.
Modern işlemciler önbellek, çok çekirdek, sanallaştırma, güç yönetimi ve özel hızlandırıcılarla performans kazanır.

Özet

Alıştırmalar

5 MHz'lik bir 8086'da saat periyodu ve 4 T'lik bir yol çevriminin süresi nedir?
24 bitlik adres yolu kaç bayt belleği adresleyebilir? Hangi işlemcide vardır?
Gerçek modda A000h:1234h ve 2000h:FFFFh mantıksal adreslerinin fiziksel karşılıkları nedir?
5 aşamalı bir boru hattında 100 komut kaç çevrimde biter? Boru hattısız kaç çevrim gerekir?
N = 2 × 10⁹ komutluk bir program CPI = 1,5 olan 3 GHz'lik işlemcide kaç saniye sürer?
Çamaşır makinesi kontrol kartı ve dizüstü bilgisayar için mikroişlemci mi mikrodenetleyici mi seçilir? Neden?
EPIC paketinde 128 bit nasıl paylaştırılır?

İpuçları / cevaplar

T = 1 / 5 MHz = 200 ns; 4 T = 800 ns.
2²⁴ = 16.777.216 bayt = 16 MB; 80286.
A0000h + 1234h = A1234h; 20000h + FFFFh = 2FFFFh.
k + n − 1 = 5 + 99 = 104 çevrim; boru hattısız 5 × 100 = 500 çevrim (≈ 4,8 kat hızlanma).
2 × 10⁹ × 1,5 / (3 × 10⁹) = 1 s.
Çamaşır makinesi: mikrodenetleyici (ucuz, düşük güç, tek iş). Dizüstü: mikroişlemci (yüksek performans, büyük bellek, işletim sistemi).
41 bitlik üç komut (123 bit) + 5 bitlik şablon = 128 bit.

Özet

Kaynaklar

Tanenbaum ve Bos, Modern Operating Systems, 3. baskı, Pearson.
Brey, The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium …, 8. baskı, Pearson.
Stallings, Computer Organization and Architecture, 10. baskı, Pearson.
Patterson ve Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Morgan Kaufmann.
Intel Corporation, 8086 16-Bit HMOS Microprocessor veri sayfası ve Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual.

Son

Bölüm 1: Giriş

Sonraki bölüm: Bölüm 1: 8086 Mimarisi

Bölüm 1: Giriş

Öğrenme Çıktıları

Mikroişlemci Nedir?

Bilgisayar Sistemi ve Yollar (Bus)

Mikroişlemci ve Mikrodenetleyici

Mikroişlemci mi, Mikrodenetleyici mi?

Ana Görevler: Komut Döngüsü

Komut Döngüsü: MOV AL,5 · ADD AL,3 · HLT

Temel İşlevler

Kod İzleme: IP Nasıl Değişir?

Mikroişlemci Yapısı

Yapı Bileşenleri

Saat Sinyali ve Periyot

Hesaplayıcı: Saat Hızı, Periyot ve Çalışma Süresi

16, 32 ve 64 Bitlik İşlemcilerin Saat Hızları

“n-bit İşlemci” Ne Demek?

İşlemci Türleri: Genel Bakış

Karmaşık Komut Kümeli Bilgisayar (CISC)

Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayar (RISC)

Boru Hattı (Pipeline): Aşamaların Üst Üste Binmesi

Aynı İş, İki Yaklaşım

CISC (8086)

RISC (ARM)

RISC ve CISC İşlemciler

Açıkça Paralel Komut İşleme (EPIC)

Skalar ve Vektör İşleme

Vektör İşlemcisi (Vector Processor)

Dizi İşlemcisi (Array Processor)

Sayıl (Skalar) İşlemci (Scalar Processor)

Dijital Sinyal İşlemcisi (DSP)

Sembolik İşlemci (Symbolic Processor)

Grafik İşlemcisi (GPU)

İşlemci Türleri: Özet Tablo

Mikroişlemcilerin Evrimi

Intel İşlemcileri: Zaman Çizelgesi

4 ve 8 Bitlik Mikroişlemciler

16 Bitlik Mikroişlemciler

32 Bitlik Mikroişlemciler

64 Bitlik Mikroişlemciler

Transistör Sayısı ve Moore Yasası

8080 ve 8086

Gerçek Mod: 16 Bitle 1 MB Nasıl Adreslenir?

80286, 80386 ve 80486

Pentium ve Pentium Pro

Pentium II, III ve 4

Core ve Core 2

x86 Mimarisinin Avantajları

x86 Mimarisinin Dezavantajları

Saat Hızı Tek Başına Performans Değildir

Modern İşlemci Özellikleri (1)

Önbellek ve Bellek Hiyerarşisi

Modern İşlemci Özellikleri (2)

Özet

Alıştırmalar

Kaynaklar

Son

Komut Döngüsü: `MOV AL,5` · `ADD AL,3` · `HLT`