İşlemci(CPU) Nedir?Bölümleri ve Çalışma Mantığı

İşlemci: İşlemci kısaca takılı bulunduğu sistemde (bilgisayar, playerlar, oyun konsolları vs..) tüm işlemleri denetleme ve sistemin çalışması için gerekli olan adımları uygulama görevine sahiptir. Yani örnek verecek olursak en basit anlamda bir hesap makinasında 4+4 işlemini yaptığımız zaman sonucu görebilmemiz için gerekli işlemlerin yapıldığı birime diyebiliriz. Veya bilgisayarda bir klasöre tıkladığımız zaman içindeki bilgileri ekrana getiren veya bir programı kurarken dosyaların gerekli şekilde bilgisayara yüklenmesini sağlayan aygıtlara diyebiliriz.

İşlemci Nedir?

CPU ingilizce olarak Central Processing Unit veya Merkezi İşlem Birimi olarak adlandırılına 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. İşlemcini hafızasında bulunan komutlara o işlemcinin komut seti denilebilir.

Normalde bilgisayarımızda veya başka kompleks ürünlerde sadece bir tane işlemcinin olduğunu düşünürüz oysaki detaylıca inceleyecek olursak
Bilgisayarımızda;
- Ekran Kartı: İkilik sistemdeki verileri görüntüye dönüştürmek ve görüntüledeki bozukluklar ile yuvarlamalar, gölgelendirmelere, hareketlendirmeler ve diğer bütün efektlerin gerçekleştirilmesi için bir işlemci bulunmaktadır.
- Ses Kartı: Sistemdeki verileri ikilik sistemden alarak özel bir işleme sayesinden duyabileceğimiz şekle getiren, dolby, stereo, çok kanallı gibi özel ifadelerle belirtilen efektlerin oluşması için merkezi bir işlem ünitesine sahiptir.
- Tv Kartı: Yine yayından aldığı verileri ikilik sisteme dönüştürerek işlemci üstünden ekran kartına aktarılmasını sağlayan merkezi bir işlem birimine sahiptir.

Bu örneklerin sayısı sürekli arttırılabilir yani anlıacağımız yapılan her şey için bir işlemci biriminin gerekli olduğudur. Ve işlemcilerin ne işe yaradığı yukarıdaki örneklerdede daha iyi oalrak anlaşılmıştır.

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 işeldikten sonra bilgilerin o anda tutulacağı ram adını verdiğmiz yerlere gönderir fakat işlemlerdevam 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 kısmındada saklanmaktadır ve bir işlem sırasında gereksinim duyulduğunda bu kısımda bilgiler alınmakta veya bu kısma aktarılmaktadır.
- ALU: (Aritmetic Logic Unit - Matematiksel Mantık Birimi) olarak ta adlandırılabile bu bölüm ise işlemci içindeki işlemci oalrak 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 burdan gerekli şekilde işlenerek çıkartlılmaktadır.

İşlemcinin İç Yapısı Nasıldır ve Nasıl Tasarlanır?

İşlemciler aslında transistör adını veridiğimiz 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. Aşağıdaki resimde yüzlerce milyon transistöre sahip bir işlemcinin yapısını görmektesiniz.

Yukarıdaki resimde aslında yüzmilyonlarca transistör bulunmatadır. Bunlar küçültülerek monte edildikleri için çok fazla sayıda transistör silicon wafer (silikon yüzey) adını verdiğimiz bu küçük yüzey üzerine sığdırılabilmektedirler. 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 aliminyum zerrecikler yardımıyla birleştirilmektedir. Fakat günümüz teknolojisinde artık bu şekilde birleştirilmelerin yapılamıyacağı küçüklüklere inildiği için yakın gelecekte karbon bağlantı yöntemi kullanılacaktır. Bu yöntemle enerjinin taşınmasını sağlayan elektronilar karbon yolalr 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 glenler Intel, AMD, Via, Nvidia, Ati, IBM ve daha saymadığımız birçok firma gelmektedir. Bu şifrekteler sürekli olarak ürünlerini güçlendirerek piyasa sunmaktadırlar. Yeni nesil işlemcilerde sıkcalıkta çok önemli bir faktördür, işlemci sıcaklıkları ile ilgili problemlerin artmasından dolayı firmalara bununla ilgili oalrak yapısal mimari değişim çalışmalarına gitmişlerdir. İşlemcilerin tarihi gelişimi ve performans bilgileri ile ilgili makaleler bu bölüm altında sürekli olarak yayınlanacaktır.