TEMEL  BİR   MİKROBİLGİSAYARIN   YAPISI
Mikroişlemciye dayalı bir bilgisayar sistemi oluşturmak için mikroişlemci,bellek,giriş-çıkış portlarının biraraya gelmesiyle oluşan sisteme mikrobilgisayar denir. Şekilde mikroişlemciye dayalı bir bilgisayar sisteminin basitleştirilmiş mimarisi verilmiştir.

 



Kontrol Yolu

 

 

Mikroişlemci temel yapısı kapsamına, mikroişlemci entegresi içerisinde kalan kısım ile mikroişlemci ve bilgisayarın diğer birimleri arasındaki bağlantıları sağlayan pin  çıkışları girmektedir. Hangi tür mikroişlemci olursa olsun ,temel yapısı şu bölümlerden oluşmaktır:

·      İletim Yolları(Buses).

·      Aritmetik Mantık Birimi(ALU).

·      Kaydediciler ve sayıcılar(Registers and counters)

·      Kontrol Birimi(CU).

·      Giriş-Çıkış tampon devreleri (Buffers).

 

 

 

1-)İLETİM YOLLARI:

İletim yolları, mikroişlemcilerden başlayarak, bilgisayar devre bağlantılarını sağlayan iletkenlerdir. Bunlardan bir kısmı tek iletkenlerden oluştuğu halde,çoğunluk kısmı,taraklı kablo veya baskı devre şeklinde ki yan yana dizilmiş izoleli çoklu iletkenlerden oluşmuştur. Bu çoklu iletkenlere, görüntüsünden dolayı yol(bus) adı verilmiştir. iletim yolları şu üç guruba ayrılır:

·      Veri Yolları (Data Bus).

·      Adres Yolları (Adress Bus).

·      Kontrol Yolları ( Control Bus).

 

 

a-)VERİ YOLLARI:

 

 

Veri yolları ,gerek bilgisayarın giriş birimlerinden gelen  ön bilgi ve komutların, gerekse de bilgisayar içerisinde işlem görmekte olan ve işlem görmüş olan bilgilerin ve komutların iletildiği iletim yoludur. Bu nedenle , veri yollarından iki  yönlü çalışma için yaralanılır. Veri yolları birbirine paralel, izole edilmiş, çoklu iletkenlerden oluşur. İletken sayısı, kullanılan mikroişlemcinin ve mikrobilgisayarın tasarımına bağlıdır. İletken ayısı  4, 8, 16, 64 olabilmektedir.

 Mikroişlemcilerde, yukarıda da belirtildiği gibi genelde 7’li ASCII kodu kullanılmak dadır ve bunun için 8 iletkenli iletim yolu uygun bulunmaktadır. Eğer aynı anda çok karakter bitlerinin iletimi sağlanabilirse o oranda da bilgisayar çalışma hızı artmış olacaktır. Bu nedenledir ki 8’in katları şeklindeki 16, 32, 64 bitlik veri yolları ve çalışma sistemleri geliştirilmiştir. Her mikroişlemciyi dıştaki devrelere bağlayan veri yolları, mikroişlemci içerisinde  de devam etmektedir. Ayrıca mikroişlemci içerisinde yoğun biçimde bulunan veri yolları iç ve dış veri yolları olmak ikiye üzere ayrılır. Bunlar

 

 

 

 

 

a-1)İç Veri Yolları:

 

Mikroişlemci içerisinde bir ana veriyolu boydan boya uzanmakta ve devre birimlerine ait veri yolları da bu ana yola bağlanmaktadır. Bu veri yollarının çoğunluğu  bağlantılarında giriş ve çıkış olarak işlem yapmaktadırlar. Ancak ALU’ da olduğu gibi bazı devrelerde de bir yönden gidip öbür yönden çıkmaktadırlar. Prensip olarak veri yolları iki yönlü iletim yapan yollarıdır. Yalnızca komut kaydediciye gelen veri yolu tek yönlü olup, bütün komutlar buraya gelerek, kod çözücüde yorumlandıktan sonra, kontrol devresine ulaşmakta ve kontrol devre buna göre belirli iletim yolarını kapayarak bilgisayarın çalışmasını yönlenmektedir. Ana veri yolundan devrelerin yaralanması sıra ile olmaktadır. Ana veri yolunda gelen bilgilerin hangi devreden ana veri yoluna bilgi çıkışı yapabileceği anahtar ve üç durumlu kapı devreleri tarafından belirlenmektedir. Bunların çalışmaları kontrol devreleri tarafından yönetilmektedir.

 

 

a-2)Dış Veri Yolları:

 

Dış veri yolları, mikroişlemci ile bellek ve giriş - çıkış kapıları arasındaki veri ve komut iletimini sağlayan iletim yollarıdır. Ayrıca çevre birimleri ile bilgisayar arasındaki bağlantıları sağlayan iletim yolları da dış veri yolunun bir bölümünü oluşturur.

 

b-)ADRES YOLLARI:

 

Adres yolları mikroişlemci ile bellek ve giriş - çıkış kapıları arasındaki iletişimin, hangi bellek gözü veya giriş – çıkış kapısı ile yapılacağının belirlenmesini sağlayan bağlantı yollarıdır. Adres yolu iltken sayısı, mikroişlemcinin, adresleyebileceği bellek gözü veya giriş – çıkış kapısı  sayısını belirler. Bu bir adresleyebilme kapasitesi olayıdır. Adresleyebilme kapasitesi özellikle bellek kapasitesini belirler. Zira giriş - çıkış kapısı adresleme adedi ihtiyacı belleğe göre çok daha azdır. Adres yolu tek yönlü çalışır. Ancak son gelişmelerin ürünü olan mikroişlemcilerde iki yönlü de yaralanılmaya başlanmıştır. Adres yolu ileteceği adres numarasını program sayıcıdan almaktadır.

 

c-)KONTROL YOLLARI:

 

 

Kontrol yolları, mikroişlemcinin kontrol devresinden çıkarak, gerek mikroişlemci içerisindeki devrelere, gerekse de bilgisayar içerisindeki devrelere bir ağ gibi yapılır. Ayrıca da bilgisayar çevre birimlerinin işleme başlama diğer bir deyimle el sıkışma (hand shake) işlemi ve bitiminin sağlanması için kullanılırlar. Kontrol yolları insanın sinir sistemine benzetilebilir. Bütün bu sistemin çalışması, kontrol yollarından iletilen saat darbeleri ile yönetilir dolayısıyla, bunlardan da iç ve diş olarak bir ayrımına gerek kalmamaktadır. Bir toplama, çıkarma veya kayma işleminin doğru yapılabilmesi için giriş sinyalleri sırasının doğru olması gerekir. Bu doğruluğu kontrol devresi sağlamaktadır. Keza bellek işlem görecek değerlerin alınması ve sonuç bilgilerinin belleğe depolanması da kontrol sistemi aracılığı ile gerçekleşmektedir. Burada bir hususu belirtmek gerekiyor. Mikroişlemci iç devresindeki kontrol işlemi doğrudan gerçekleşmektedir. Yani kontrol yolu ile adres yolunun eş zamanlı çalışması gibi bir durum yoktur. Bu durum zaman kazancı sağlamakta mikroişlemci kaydedicilerinin geçici olarak ve ana işlemler için yüklenmelerine uygun gelmektedir.

 

 

2-)ARİTMETİK MANTIK BİRİMİ( ALU ):

 

 

Mikroişlemci için birinci dereceden önem taşıyan bir birimidir. Nasıl ki, mikroişlemci için bilgisayarın tanımlaması yapılmaktadır, ALU için de, mikroişlemcinin kalbidir denilebilir. Zira , mikroişlemcinin işlem gücünü Aritmatik Lojik İşlem birimi belirlemektedir. Diğer bir deyimle, ALU’ nun değişik işlemleri yapabildiği orada mikroişlemci önem kazanmaktadır. 

 

Teknikteki gelişmelere paralel olarak, bütün elektronik sistemler gibi ALU devreleri de sürekli gelişim içerisinde bulunmaktadır. Bu gelişmeler de, daha değişik işlem yapabilme, hacim küçültme ve hızın arttırılması şeklinde olmaktadır. Başlangıçta LSI tekniği ile üretilen elemanlar 1980’ lerden başlayarak VLSI(Very Large Scale Integration) tekniği ile üretülmiş ve her yeni üretimde de bir taraftan işlem kapasitelerinin ve hızını arttırımı sağlanırken diğer taraftan da boyutlar  biraz daha küçülmüştür.

 ALU devreleri de başlangıçta yalnızca toplama  ve çıkarma yapabiliyorken, giderek çarpma, bölme ve büyük sayılarıda kayan nokta (floting point) işlemleri, bilimsel işlemler gibi çok yönlü işlem yürüten devreleri haline gelmiştir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



                        İşlev                                    Veri                         Veri                     Elde Girişi     

                                                                    Girişi A                    Girişi  B                                                         

                      Girişleri

                                                                   Aritmetik – Lojik

Birimi

                                               

 

 

 

 

           Durum                   Veri

            Çıkışı                    Çıkışı

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a-)ALU’NUN İŞLEVİ:

 

 

ALU yukarıda da belirtildiği gibi mikroişlemcinin işlem yapan birimidir. ALU‘nun yapabildiği işlemler şu iki ana grup toplanır.

·      Aritmetiksel işlemler

·      Mantıksal(lojik) işlemler

 

ALU’ nun çalışma prensibi büyük ve küçük bilgisayarlarda aynıdır. Ancak, büyük bilgisayarlarda bazı özel tekniklerle hız geliştirilmiştir ve daha değişik işlemleri yapma özelliği kazandırılmıştır. ALU, işlemleri,adder(toplayıcı) ve shifter (kaydırıcı) denilen iki esas devre ile gerçekleştirilir. Genelde, bu esas devreler ALU olarak anılmaktadır. Ancak, bilgileri depolayıcı ve değerlendirici bazı yardımcı devrelerden de yaralanılır. Bu yardımcı devreler:

 * Akümülatör    : Başlangıç ve sonuç bilgilerini depolamak için akümülatör kullanılır.

Bazı mikroişlemcilerde akümülatör yerine veri kaydedici (dat reg) kullanılmıştır.

·      Geçici Kaydedici : Bellekten alınan işlem bilgilerinin ilk durak yeridir.

·      Bayrak Kaydedici: Bazı mikroişlemcilerde bayrak kaydedicileri yerine; ALU tarafından yapılan işlemlerin sonucunu gösteren ve bu sonuçları değerlendiren ortamını hazırlayan devredir. Bu sonuçlara göre bazı düzeltmeler gerekiyorsa, bilgisayar bunları kendi kendine yapabildiği gibi, bayrak ekrana çağrılarak bazı uyarıları dışarıdan yapılabilmesi mümkündür.

ALU tarafından şu aritmetiksel işlemler yapılır  :

Toplama, çıkarma, çarpma, bölme, kıyaslama, artırma, eksiltme, tümleme, sağa kaydırma, sola kaydırma, sağa döndürme, sola döndürme. Ayrıca yapılan mantıksal işlemler yapılmaktadır: Mantıksal toplama, mantıksal çarpma, özel veya işlemi, değil işlemi.

 

 

 

 

 

 

3-)KAYDEDİCİLER VE SAYICILAR:

 

 

Kaydediciler ve sayıcılar gerek mikroişlemci içerisindeki gerekse de mikroişlemci ile diğer devreler arasındaki işlemleri destekleyen devrelerdir. Saklayıcılar CPU’ nun ufak birer bilgi depolama birimleridir ve diğer bellek birimleri gibi ikili(binary) hücrelerden ( filp,floplardan) oluşturulmuşlardır.

 Bazıları yazılım kontrolü altındadır ve CPU’ nu her bir bilgi alış – verişi için bellek bölümüne başvurmamam olanağı sağlarlar. Böylece işlem süre çok kısa olur. Bazıları ise denetim için gerekli bilgileri saklarlar. Temel yapısı, D ve J –K Flip – Flop’lardan oluşur. Sayıcıların görevi ise işlemi yapılacak olan komut verilerin adresini belirlemektir. Temel yapısı, J-K Flip – Flop gruplarıdır.

Hemen hemen her bilgisayarda rastlanan kaydedici ve sayıcı türleri aşağıda sıralanmıştır.

·      Program sayıcısı (Program counter-PC)

·      Komut kaydedici (Instruction register-IR)

·      Bellek adres saklayıcısı (Memory adress register-MAR)

·      Akümülatörler (accumulators)

·      İndis saklayıcıları (Index registers)

·      Durum kaydedicisi (Status Registers-SR)

·      Yığın göstericisi (Stack pointer-SP)

·      Genel amaçlı yazmaçlar(general prupose registers)

 

Program sayıcısı: Bir sonra işlenecek komutun bulunduğu bellek konumunun adresini içerir. Komut çevrimi(instruction cycle) CPU’nun program sayıcısının içeğini ( program sayısını) adres taşıtına koyması ile başlar. Böylece komutun ilk sözcüğü bellketen CPU’ya alınır. Aynı zamanda program sayıcısı bir arttırılır. Dolayısıyla da , eğer atla (jump) veya Dallan (branch) gibi bir komut porgram sayıcısının içeriğini değiştirmezse, komutlar bellekten ardışık bir şekilde CPU ‘ya alınır.

 

 

Komut kaydedicisi: Komut çözümleninceye kadar burada tutulur. Genellikle yazılımcı tarafında ulaşılmayan bir saklayıcıdır.

 

 

Bellek adres kaydedicisi: Ulaşılmakta olan verinin adresini içerir.

 

 

Bellek veri kaydedicisi: Adreslenmiş olan bellek konumunu yazılmakta veya o konumdan okunmakta olan veriyi içerir.

 

 

Akümülatör: Aritmetik veya mantık işlemleri sırasında kullanılan geçici olarak saklandığı bilgi kaydedicileridir. Bazı bilgisayarlarda bir, bazılarında ise birden fazladır. Bu da hesaplama işlemi kolaylaştırır.

 

 

İndis kaydedicisi: Adresleme işlemi için kullanılır.

 

 

Yığın göstericisi: Bir bilgisayarda yığın önemli bilgilerin geçici olarak saklandığı bir bellek bölümüdür. Yığın göstericisi ise yığının üstünü gösterir.

 

 

Durum saklayıcısı: CPU’nun içerisindeki  durumu gösteren ve bayrak adı verilen flip-floplar grubudur. Bilgisayarın karar verme mekanizmasının temeli bu bayraklardır ve sayıları biligisayardan bilgisayara değişebilir. Yaygın olarak kullanılan bayrak türleri elde(carry), taşma(overflow), sıfır(zero), eksi(negative), yarım elde(half carry), kesme maske(interrupt mask) dır.

 

 

 

 

4-)KONTROL BİRİMİ:

 

 

Bilgisayarın en önemli birimi olan bu bölümün ana görevi bilgi işlemektedir. Dolasıyla da merkezi işlem birimi (central processing unit –CPU) olarak adlandırılır. CPU bellekten komutları alır, çözümler, zamanlama ve denetim işaretlerini üretir, bellek ve I/O(giriş-çıkış) bölümlerinden veya bölümlerine veri transfer eder veri üzerinde aritmetik ve mantık işlemleri yapar ve dıştan gelen işaretleri (kesme gibi) tanır ve gereğini yapar.

 

       

 

Bir komutun yerine getirilmesi sırasında CPU’nun yaptığı işler aşağıda sıralanmıştır.

1-     Komutun adresini adres taşıtına çıkarır.

2-     Komutu veri taşıtından alır ve kodu çözer.

3-     Komutun gerektirdiği adresleri ve veriyi içeri alır. Bunlar bellekte veya kaydedicilerde olabilir.

4-     Komut kodunu belirttiği işlemi yerine getirir.

5-     Kesme işareti gibi denetim işaretlerine bakar ve gereğini yerine getirir.

6-     Bellek ve I/O bölümlerinin kullanımı için durum, denetim ve zamanlama işaretlerini üretir.