CPU ve Memory

Giriş
Bilgisayarlar…
Memory CPU dan ayrıdır
Veriler binary dir. (decimal değil)

CPU ‘nun Komponentleri
ALU (arithmetic and logic unit)
Aritmetik ve mantık işlemlerini yerine getirir.
Aritmetik: toplama, çıkarma, çarpma, bölme vs.
Mantık (Logic): AND, OR, NOT, Shift, vb.
Kontrol ünitesi
Komutları (instructions) yorumlar (compile)
CPU içindeki bilgi akışını kontrol eder.
Program sayacı (“program counter” ) ile çalışır. (bir sonraki komutun adresi)
Giriş/Çıkış Arayüzü (Input/output interface)
Veri giriş/çıkışı için bir mekanizma sağlar
Mümkün olan pek çok çeşitleme ile

Bilgisayar’ın Karşılığı
05
123
123
500
199
500
399
123
00
01
02
03
04
05
95
96
97
98
99
ALU
CPU
Program counter
Input/output
interface

System Block Diagram
ALU
CPU
Input/output
interface
Control unit
Program counter
Memory

Registers-Yazmaç
Register (yazmaç) CPU içindeki tek depolama yeridir.
CPU ‘nun dışında olan bellekten farklıdır.
Register’lar, CPU içerisinde bulunduklarından dolayı, hafıza bloğuna göre oldukça hızlıdırlar.
Hafıza bloğuna erişim için sistem veri yollarının kullanılması gereklidir.
Register’daki verilerin ulaşılması için çok küçük bir zaman dilimi yeterli olur.

Registers-Yazmaç
Bu sebeple, değişkenler, register’larda tutulmaya çalışılmalıdır.
Register grupları genellikle oldukça kısıtlıdır ve çoğu register’ın önceden tanımlanmış görevleri bulunur. Bu nedende, kullanımları çok sınırlıdır. Ancak, yine de hesaplamalar için geçici hafıza birimi olarak kullanılmak için en ideal birimlerdir.

Registers-Yazmaç
Bazı register örnekleri:
Accumulator (ACC)
Program counter (PC)
Instruction register (IR)
Memory address register (MAR)
Memory data register (MDR)
Status register
Genel amaçlı registerlar (R0, R1, …)
Bazıları CPU lara dahil edilmiştir.
Program değişkenlerinin yüksek hızlarla geçici depolanmaları için kullanılır.

Memory Unit
Bilgisayarın icra edilecek komutlarını ve bu komutların işleyeceği veriyi depolamak için kullandığı alt sistemdir.
CPU ‘nun işleyeceği tüm veri ve program belleğe yüklenmiş olmalıdır.
Bellekteki tüm bilgiler 2 li sayı sisteminde ifade edilmiştir.
Bir bellek ünitesinin kapasitesi saklayabileceği toplam bilginin kaç bayt olduğu ile ölçülür.

Memory Unit
Memory address register
Address decoder
bit n - 1
bit 0
bit 1
0
1
2
3
4
2n-1
Memory data register
Memory cell
n bit
m bits
0 1 2 m - 1

Bellek Kapasitesi
2n x m
n adres biti = 2n adres olabilir
m Veri biti
m veri yolu uzunluğudur.
Tipik değerler:
n: 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, vb
m: 8, 16, 32, 64

Soru
S: 512 KB lık bir bellek ünitesinin bellek hacmi kaç bit içerir?
A: 512 = 29, K = 210, B = byte = 8 = 23
29 x 210 x 23 = 222 = 4,194,304

Alıştırma – Bellek Kapasitesi
S: 2 MB lık bir bellek ünitesinin bellek hacmi kaç bit içerir?
C:

Alıştırma – Bellek Kapasitesi
S: 2 MB lık bir bellek ünitesinin bellek hacmi kaç bit içerir?
A: 2 = 21, M = 220, B = byte = 8 = 23
21 x 220 x 23 = 224 = 16,777,216
Cevap

Memory Uygulamaları
RAM – random access memory
Static RAM-cache memory
Dynamic RAM
ROM – read-only memory

Komutu Getir-İşlet Döngüsü
Fetch-Execute Cycle
Her komutun işletilmesinde iki aşama ya da döngü
Fetch – Bellekten komut kodunu getir ve komut yazmacına yerleştir
Execute – Komutu işlet
Güzel bir resim, bazen yardımcı olabilir…
Fetch Execute

CPU-Memory İletişimi
Mikroişlemci, bellek ile MAR (Memory Address Register) ve MDR (Memory Data Register) olarak bilinin iki yapı yardımıyla iletişim kurar.

CPU-Memory İletişimi
Bellekteki X konumundan bir okuma işlemi gerçekleştirileceği zaman:
* Adres X ilk önce MAR kaydedicisine yerleştirilir.
* Belleğe bir okuma sinyali (RD) gönderilir.
* X konumunun içerdiği veri değeri MDR kaydedicisinde elde edilir.

CPU-Memory İletişimi
Bellekteki X konumuna T değerinin yazılması gerektiği durumda
* T verisi önce, MDR kaydedicisinin içerisine yerleştirilir.
* X bellek adresi MAR kaydedicisine yerleştirilir.
* Ardından mikroişlemci denetim birimi tarafından üretilen yazma sinyali (WR) ile bu konuma T verisi yazılmış olunur.

CPU-Memory İletişimi

Saklama Komutu
The Store Instruction
PC ? MAR
(program counter) ? (memory adress register)
MDR ? IR
(memory data register) ? (Instruction register)
IR[address] ? MAR
A ? MDR
PC + 1 ? PC
Fetch
Execute
zaman

The Add Instruction
PC ? MAR
MDR ? IR
IR[address] ? MAR
A + MDR ? A
PC + 1 ? PC
Fetch
Execute
zaman

Yollar-Buses
Tanım: ortak bir amaç için kabloların bir araya toplanması
Her bir kablo hat-line olarak adlandırılır
Genelde, yollar bilgiyi bir yerden diğerine taşır.

Ports
CPU
RAM
Disk
controller
Graphics
card
Sound
card
Network
card
Printer
Mouse
Keyboard
Modem
Monitor
Speakers
bus
Computer

Bus Tipleri (1/3)
Point-to-point
Serial
port
Modem
Control
unit
ALU

Bus Tipleri (2/3)
Multipoint
Computer
CPU
Disk controller
Computer
Computer
Computer
Memory
Video controller

Bus Tipleri (3/3)
Papatya Zinciri
Device controller
Device
Device
Device
Terminator

Bilgisayar içindeki Yollar
Data bus
Address bus
Control bus
Memory
I/O Module
I/O Device
CPU

Data Bus
Veriler CPU ve bellek ya da I/O device arasında taşınır
İki Yönlü olarak
Yazma işlemleri için CPU nun dışına veri transfer edilir.
Okuma işlemleri için CPU nun içine veri transfer edilir.
Genel büyüklükleri : 8, 16, 32, 64 line
Sinyal isimleri:
D0, D1, D2, D3, vb.

Address Bus
Bir adres CPU dan bellek ya da I/O device taşınır.
Tek yönlü
Adresler her zaman CPU tarafından desteklenir
Genel büyüklükleri : 16, 20, 24 line
Sinyal isimleri:
A0, A1, A2, A3, vb.

Control Bus
CPU faaliyetlerinin koordinesi için sinyallerin toplanması
Her sinyal tek bir amaca sahiptir
Genel büyüklükleri: 10-20 line
Sinyaller giriş,çıkış ya da 2 yönlüdür
Genel sinyaller
/RD (read)
/WR (write
CLK (clock)
/IRQ (interrupt request)
vb.

Memory Haritası
Bir sistemde bellek alanının kullanımı/gösterimi genellikle “ bellek haritası” olarak tanımlanır
Haritanın yüksekliği adres sayıları tarafından belirlenir
Harita genişliği/büyüklüğü genellikle 8 bittir.
216 byte kapasiteli bir sistem…

7 6 5 4 3 2 1 0
FFFF
0002
0001
0000
Hexadecimal
adres
Veri bit
pozisyonu
Memory Map
Belleğin başlangıcı

Bellek Haritalarının Kullanımı
Bir sistem üzerinde ’’neyin nerede’’ olduğunu göstermek için bellek haritaları çizilir.
Bazı ‘’ne’’ ler
RAM, ROM, I/O, hiçbir şey
Bazı ’’ nerede’’ ler
Her RAM, ROM, I/O ’’blok’’ larının başlangıç/bitiş adresleri ile belirlenir.
Mesela ,
Bellek başlangıcında art arda 2 adet 1 KB RAM modülü olan, 216 byte kapasiteli bir sistem bellek haritası …

FFFF
0800
07FF
4000
03FF
0000
Memory Map
216 bytes = 64 KB “kapasite”
1 KB RAM
62 KB
boş
1 KB RAM

Alıştırma – Bellek Alanı
S: 32 MB 4 bellek modülü art arda yerleştirilen,128 GB kapasiteli bir sistemin geri kalan kısmı kullanılmamaktadır. Ne kadarlık bellek alanı daha sonraki genişleme için kullanılabilir? (Cevaplarınızı megabyte cinsinden verin)
C: ?

Alıştırma – Bellek Alanı
S: 32 MB 4 bellek modülü art arda yerleştirilen,128 GB kapasiteli bir sistemin geri kalan kısmı kullanılmamaktadır. Ne kadarlık bellek alanı daha sonraki genişleme için kullanılabilir? (Cevaplarınızı megabyte cinsinden verin)
C: ? 128 GB – 4 x 32 MB
= 27 x 210 MB - 22 x 25 MB
= (217 – 27) MB
= (131,072 – 128) MB
= 130,944 MB

Alıştırma – Bellek Haritası
2 GB kapasiteli bir sistem için bellek haritası çizilecek. Sistemin başlangıç adresinde 3 adet 32 MB lık modüller olduğunu varsayın. Her bloğun başlangıç ve başlama/bitiş adreslerini MB olarak gösterin.

7FFFFFFF
06000000
05FFFFFF
04000000
03FFFFFF
02000000
01FFFFFF
00000000
Memory Map
231 bytes = 2 GB “kapasite”
32 MB RAM
1,952 MB
boş
32 MB RAM
32 MB RAM
Note:
2 GB = 2,048 MB
Cevap