İşlemci (CPU) Nedir? Bölümleri ve Çalışma Mantığı Nasıldır?

Merhaba arkadaşlar,

Bu yazımızda merkezi işlem birimi olan işlemciyi yani bir bilgisayarın en önemli parçasının ne olduğunu ve nasıl çalıştığını anlatacağım. İlk işlemciler belli işlemler için özel üretilen ve büyük olan parçalardı. Daha sonraları ise maliyeti çok yüksek olan bu üretim şeklinin yerini, gelişen teknoloji ile daha ufak olan ve tek işlev yerine çok işleve sahip olan üretimler almıştır. Detaylı anlatımına geçmeden belirtmek istediğim bir şey var;

Bir işlemcinin performansı ve hızı, o işlemcinin saat vurum sıklığına ve saniye başına komut (IPS) sayısına bağlıdır. Saniye başına komut sayısı arttıkça işlemcinin performansı ve hızı da artar. Ayrıca çok çekirdekli işlemcilerden daha fazla performans elde edilir.

İşlemci Nedir?

CPU ingilizce olarak Central Processing Unit veya Merkezi İşlem Birimi olarak adlandırılan ve kısaca yukarıda bahsettiğimiz ve daha birçok işlemi yapan ve sistemlerin çalışmasını sağlayan bir ünite olarak adlandırılabilir. Saniyede yaptığı işlem sayısında göre bir hız birimi atanarak işlemcilerin kapasiteleri ve çalışma hızları belirlenmektedir. İşlemcinin çalışma hızları tamamen tasarım ve üretim teknolojisine bağlı olarak değişmekle birlikte yeni nesil işlemcilerde dışarıdan yapılan müdahalelerle (overclock) hız arttırımları söz konusu olmaktadır. İşlemcilerde hız birimi HZ, MHZ ve GHZ olarak adlandırılan birimle ifade edilmektedir. Bazı özel işlemcilerde ise bu birimin yerini Flop adı verilen bir birim almaktadır.

İşlemci Nasıl Çalışır?

İşlemci kendi içinde bir mimariye sahip olup işlemlerin yapılabilmesi için birçok ünitesi bulunmaktadır. İşlemler yapılırken Logic (mantıksal 1 veya 0) mantığı ile yapılmaktadır. Yani iki sayıyı toplamak için ilk olarak sayıların ikilik değerleri (1001010 şeklinde) ele alınır ve bunun üzerine işlemler yapılarak sonuç elde edilir. Veya bir film izlerken ekrandaki görüntünün oluşması için hafızada bulunana ikilik değerler birleştirilerek görüntüler oluşur. İşlemciler hafızalarında bulunana komutlarla dışarıdan gelen uyarılar eşliğinde işlemleri yapmaktadırlar. İşlemcinin hafızasında bulunan komutlara o işlemcinin komut seti denilebilir.

İşlemci Üniteleri Nelerdir?

İşlemcinin iç yapısına biraz bakacak olursak çeşitli ünitelerden teşkil edildiği gözükmektedir. Öncelikle kendi içinde bir belleğe sahiptir bu bellekte hafızasında bulunan komutlar (komut seti) ve işlem sırasında geçici bilgilerin saklanması için boş hafıza kısımları bulunmaktadır. Üniteleri biraz daha geniş açacak olursak.

Data Yolları: İşlemcinin içindeki bölümleri birbirine bağlayan ve bilgi akışının olduğu kısımlar olarak nitelendirebiliriz. Yeni nesil işlemcilerde data yolları çok daha büyük yapılarak (32 Bit, 64 Bit, 128 Bit) büyük verileri daha kısa sürede işlemeye olanak sağlamaktadırlar. Örnek olarak 64 bitlik veri yoluna sahip bir işlemcide tek döngüde 64 bit uzunluktaki bir veri bir yerden bir yere aktarılabilir.

Cache (Ön Bellekler): Normal olarak işlemci işlemleri gerçekleştirirken bir yerdeki bilgiyi alıp bir kısmını işledikten sonra bilgilerin o anda tutulacağı ram adını verdiğimiz yerlere gönderir fakat işlemler devam ederken önceden ram e atmış olduğu bilgilerden bazılarına gereksinim duyabilir. Fakat işlemci ile ram arasındaki veri transferi işlemcinin kendi içindeki ram bölümündeki beri transferinden çok daha uzundur. Bu nedenle bu tarz gereksinimleri karşılamak için işlemciler dahili bir ram bellek ile (cache – ön bellek) üretilmektedirler. Öneli bilgiler ram bölümüne gönderilirken cache kısmında da saklanmaktadır ve bir işlem sırasında gereksinim duyulduğunda bu kısımda bilgiler alınmakta veya bu kısma aktarılmaktadır.

ALU: Aritmetic Logic Unit (Matematiksel Mantık Birimi) olarak ta adlandırılabilirler bu bölüm ise işlemci içindeki işlemci olarak nitelendirilebilir. İşlemci içinde 2 lik sistemde işlemlerin yapıldığı bölümdür ve tüm işlemler aslında toplama, çıkarma, çarpma, bölme gibi işlemlerin türevi olduğundan komut setleri ile gelen işlemler buradan gerekli şekilde işlenerek çıkartılmaktadır.

İşlemcinin İç Yapısı Nasıldır ve Nasıl Tasarlanır?

İşlemciler aslında transistör adını verdiğimiz yarı iletken elemanların birleştirilmesi ile oluşmaktadır. Başlarda 100 -200 transistör birleştirilerek yapılan işlemciler, teknolojinin gelişmesi ise 1 Milyar ve daha fazla transistör birleştirilerek yapılabilir hale geldi.

İşlemciler tasarlanırken birçok aşamadan geçmektedirler. Tasarım fabrikalarında 200 e yakın ayrı band dan geçerek üretimleri sonlanmaktadır. Öncelikle transistörlerin monte edilecekler pürüzsüz silikon yüzeyler oluşturulmakta ve elektronik departmanlarda hazırlanan transistör yerleşim planı ve bağlantı şekiller birçok aşamadan geçerek son halini almaktadır.

Transistörlerin bulunduğu alanlar mor ötesi (ultraviyole) ışıklarla aşındırılarak negatif ve pozitif malzemeler eklenerek doldurulmakta ve transistörler oluşturulmaktadır.

Transistörler arasındaki bağlantılar ise yine aşındırma yönteminden sonra alüminyum zerrecikler yardımıyla birleştirilmektedir. Fakat günümüz teknolojisinde artık bu şekilde birleştirilmeleri yapılamayacağı küçüklüklere inildiği için yakın gelecekte karbon bağlantı yöntemi kullanılacaktır. Bu yöntemle enerjinin taşınmasını sağlayan elektronik karbon yollar üzerinden akacaktır. bunun haricinde silikon yüzey üzerindeki bağlantıları dışarı ile bağlamak için bir ara yol bölümüm birde iç yapıyı dış etkenlerden koruma için kılıf montajı yapılmaktadır. Silikon yüzeydeki bağlantıları, dışarı taşıyan bağlantılara bağlamak için altın kaynak teknolojisi kullanılmaktadır.

Günümüzde belli başlı işlemci üreticileri bulunmaktadır. Bunların en başında genler Intel, AMD, Via, Nvidia, Ati, IBM ve daha saymadığımız birçok firma gelmektedir. Bu şifreler sürekli olarak ürünlerini güçlendirerek piyasa sunmaktadırlar. Yeni nesil işlemcilerde sıcaklıkta çok önemli bir faktördür, işlemci sıcaklıkları ile ilgili problemlerin artmasından dolayı firmalara bununla ilgili olarak yapısal mimari değişim çalışmalarına gitmişlerdir.