Bilgisayar Mimarisi (Organizasyonu) ve Tasarımı

Bilgisayar Mimarisi (Organizasyonu) ve Tasarımı

• 1. Bilgisayar Mimarisi (Organizasyonu) ve Tasarımı Bilgisayar Mimarisi (Organizasyonu) ve Tasarımı
• 2. İçerik İçerik •Sayısal Mantık Devreleri •Sayısal Elemanlar •Veri Gösterimi •Yazaç Aktarımı ve Mikroişlemciler •Temel Bilgisayar Yapısı ve Tasarımı •Temel Bilgisayarın Programlanması •Mikro Programlanmış Denetim •Merkezi İşlemci Birimi •Pipeline ve Vektör İşlemleri •Bilgisayar Aritmetiği •Giriş/Çıkış Organizasyonu •Bellek Tasarımı •Çoklu İşlemciler
• 3. Bilgisayarın Gelişimi
• 4. Bilgisayarın Gelişimi
• 5. Bilgisayarın Gelişimi
• 6. Bilgisayarın Gelişimi
• 7. Bilgisayarın Gelişimi
• 8. Bilgisayarın Gelişimi
• 9. Bilgisayarın Gelişimi
• 10. Bilgisayarın Gelişimi
• 11. Bilgisayarın Gelişimi
• 12. Sayısal Bilgisayarlar Sayısal Bilgisayarlar •Sayısal bir bilgisayar sayısal bir sistem olup çeşitli hesaplama işlevlerini gerçekleştirir. •İkili bilgisayarlar diye de anılırlar. (1-0 kısıtlamasından dolayı) •İkili sayılar 2 tabanlı sistemi kullanır. İkili düzenlemeler ile bit grupları ve komut kümeleri oluşturulur. •(1001011)2=1x26+0x25+0x24+1x23+0x22+1x21+1x20
• 13. Örnek 1 0 0 0 0 1 0 (75)10=7x101+5x100 (65)10=(?)2 65|2 kalan=1 32|2 kalan=0 16|2 kalan=0 8 |2 kalan=0 4 |2 kalan=0 2 |2 kalan =0 bölüm=1 n bitlik bir işaretsiz ikili tamsayı 0 ile 2n-1 aralığındadır. (10011011)  8 bit 28-1=255 maks alabileceği değerdir. Bu kısımlardan veri tipleri bölümünde detaylı bahsedeceğiz.
• 14. Bilgisayar: Donanım, Yazılım Bilgisayar: Donanım, Yazılım
• 15. Program Türleri Bilgisayarlar problemleri çözebilmek için “program” a ihtiyaç duyarlar. Program Nedir? •Giriş değerlerini kullanarak istenilen çıkış değerlerinin elde edilebilmesi için bilgisayara iletilen komutlar dizisidir. Program Türleri • Sistem Programları (derleyici, işletim sistemi vb) • Sürücüler (Driver) • Uygulama programı
• 16. Sistem Programları Sistem Programları Her program, bir işletim sistemi üzerinde çalışır. İşletim sistemi, diğer programların çalışması için gerekli olan kaynakları ve ortamı sağlar. Sürücüler (Driver) İşletim sistemi ile donanım aygıtları arasında iletişim sağlayan programlardır.Klavye ile yazılan yazıların algılanması için, klavyenin sürücü programı kullanılır. Uygulamalar İşletim sistemi üzerinde çalışan, kullanıcıların ihtiyaç duyduğu işlevleri sağlayan programlardır. VERİ PROGRAM SONUÇ
• 17. Bilgisayar Mimarisi (Organizasyonu) BİLGİSAYAR MİMARİSİ(ORGANİZASYONU) Bilgisayar mimarisi, yapı ve işlevsellikle ilgilenir. Bilgi biçimlerini, komut kümesini ve bellek adresleme yöntemlerini kapsar. Mimari tasarım, işlemciler ve bellekler gibi çeşitli işlemsel kısımların özellikleri ve bunların bilgisayar sistemi içerisindeki yapılanması ile ilgilenir. Ders içeriğinde; •Bilgisayar sisteminin tasarımında kullanılan çeşitli sayısal bileşenler •Basit bir bilgisayarın tasarımı ve programlanması için bir tasarımcının izlemesi gereken yöntemler. •CPU’nun mimarisi •Giriş/Çıkış işlemcisi ile belleğin yapısı ve mimarisi
• 18. Mantık kapıları (Logic Gates) Mantık kapıları (Logic Gates) •İkili bilgilerin işlenmesi kapı adı verilen mantık devreleriyle yapılır. •Kapılar donanım bloklarıdır ve girişe göre 1 yada 0 çıktısı verir. •1 değeri 3 voltluk bir işaret ve 0 değeri 0.5 voltluk bir işarettir. •Devreler çıkışlarında 3V veya 0.5V gerilim üreterek 1-0 çıkışını oluşturur. •Her kapıya ait farklı sembol vardır ve yaptığı işlem cebirsel bir fonksiyon ile ifade edilir. •Her kapı için ikili değişkenlerin giriş-çıkış bağlantıları cetvel halinde “doğruluk çizelgesi” ile gösterilir.
• 19. ŞEMA
• 20. ŞEMA
• 21. Boole Cebri •İkili değişkenler ve mantık işlemlerinin birlikte kullanıldığı bir cebirdir. •Değişkenler A,B,x,y gibi harflerle belirtilmektedir. •Üç temel mantık işlemi VE, VEYA ve TÜMLEYEN’dir •Boole Fonksiyonu: •x=1 ise veya hem y′ hem de z, 1’e eşitse F=1 diğer tüm durumlarda F, 0 olur. •Programlama dilinde nasıl ifade edersiniz ? Boole Cebri F=x+y′z
• 22. Doğruluk Tablosu (Truth Table) Doğruluk Tablosu Mantık şeması •Fonksiyon ile ikili değişkenler arasındaki ilişki doğruluk tablosu ile gösterilir. •n adet ikili değişkenin 2n kombinasyonunu içeren bir tablo •F=x+y′z fonksiyonu için
• 23. Boole Kuralları (Boolean Rules) De Morgan teoremleri Boole Kuralları (Boolean Rules) Bir Boole ifade Boole cebir kurallarına göre düzenlenip daha az kapı gerektiren basit bir ifade elde edilebilir.
• 24. Örnek F=x+x olur . Boole kurallarından x+x=x ten F=x F=AB′+C′D x=AB′+C′D olsun F=AB′ +C′D+AB′+C′D
• 25. Doğruluk Tablosu •F=F1+F2+F3+F4 •F=A’BC+AB’C+ABC’+ABC •F=BC(A’+A)+AC(B+B’)+AB(C+C’) •F=BC+AC+AB •F=C(A+B)+AB Doğruluk tablosunun fonksiyonunu sadeleştirme: F1=A′BC F2=AB′C F3=ABC′ F4=ABC
• 26. DeMorgan Teoremi DeMorgan Teoremi DeMorgan teoremi VEYA ve VEDEĞİL kapıları için çok uygun ve anlaşılabilir. VEYA kapısında (x+y)’ yerine x’y’ yazılabildiği gibi VE-DEĞİL kapısında (xy)’ veya (x’+y’) den birisi kullanılabilir.
• 27. DeMorgan Teoremi ABC ABC’ A’C
• 28. Bir Fonksiyonun Tümleyeni Bir Fonksiyonun Tümleyeni Doğruluk tablosu kullanılarak F fonksiyonunun ifadesi elde edildiğinde tümleyeni, F’nin doğruluk tablosundaki 1 ve 0 değerlerinin bir birinin yerine yazılmasıyla elde edilir. Fonksiyon cebirsel elde edildiğinde tümleyeni DeMorgan teoremi ile üretilir. (x1+x2+x3+…+xn)= x1’x2’x3’…xn’ (x1x2x3…xn)= x1’+x2’+x3’+…+xn’ Genel DeMorgan teoremlerinde cebirsel ifadenin tümleyenini almak için basit bir yöntem de tümleyeni alınacak fonksiyondaki tüm VE ler yerine VEYA, tüm VEYA lar yerine VE işlemlerinin yazılması ve tüm harflerin her birinin tümleyeninin alınması şeklinde yapılır. Örneğin: F=AB+C’D’+B’D F’=(A’+B’)(C+D)(B+D’) Not: (X’)’=X
• 29. Devre Sadeleştirme 001 100 101 110 111 Devre Sadeleştirme •Doğruluk tablosunda, değişkenlerin her birleşimine minterm denir. Bir doğruluk tablosunda n değişken için 2n tane minterm vardır. •Doğruluk tablosundaki bilgileri Boole fonksiyonu 1 olan mintermleri bir araya getirerek çok kısa bir biçimde göstermek mümkündür.
• 30. Karnaugh Haritaları Karnaugh Haritaları Hücrelerin kullanıldığı bu yöntemde, her hücre bir değeri ifade eder. Bir tablodaki hücre sayısı 2n ifadesi ile bulunur. Buna göre iki değişkenli bir sistemde hücre sayısı 22 =4, üç değişkenli sistemde 23 =8 olur.
• 31. Karnaugh Haritaları Karnaugh Haritaları
• 32. Hücrelerin Gruplandırılması Hücrelerin Gruplandırılması
• 33. Hücrelerin Gruplandırılması ? Hücreler arasında her seferinde sadece bir değişken değer değiştirebilir Hücrelerin Gruplandırılması
• 34. ÖRNEK A BC 0 1 00 01 11 10 1 1 1 1 F1=BC F2=AC’ F=AC’+BC
• 35. ÇÖZÜM A BC 0 1 00 01 11 10 1 1 1 F=C’+AB’ 1 1
• 36. ÇÖZÜM AB CD 00 01 00 01 11 10 1 1 1 1 1 1 1 1 11 10 F1=B’D’ F2=B’C’ F3=A’CD’ F=B’D’+B’C’+A’CD’
• 37. Toplamların Çarpımlarının Birleştirilmesi Toplamların Çarpımlarının Birleştirilmesi Önceki kısımlarda elde ettiğimiz Boole bağıntıları çarpımların toplamı şeklindeydi. Toplam =VEYA , Çarpım=VE F=A’B+CD Bazen bağıntının toplamların çarpımı şeklinde elde edilmesi daha uygundur. F=(A’+B)(C+D) gibi Haritada 1 olan terimler yerine 0 olan terimleri gruplarsak F’ (F tümleyeni) elde ederiz.
• 38. ÖRNEK AB CD 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 F=B’D’+B’C’+A’C’D çarpımların toplamı F’=AB+CD+BD’ F nin tümleyenini alırsak F=(A’+B’)(C’+D’)(B’+D) toplamların çarpımı biçimi F’=AB+CD+BD’ Bu fonksiyonu hem toplamların çarpımı hemde çarpımların toplamı şeklinde sadeleştirelim.
• 39. ŞEMA
• 40. Dikkate Almama (Don’t Care) Dikkate Almama (Don’t Care) Bazen minterm’i oluşturan fonksiyonun 1 veya 0 olması farketmez. Yani 1 veya 0 olabilir. Mintermi 0 veya 1 yapan koşullar oluşunca buna dikkate almama koşulları deriz ve çizelgede x ile gösteririz. Çizelgede bitişik kareleri seçerken x lerin değeri 0 veya 1 olarak seçilebilir. Hangi değer daha fazla sadeleştirme sağlıyorsa o seçilir.
• 41. ÖRNEK A BC 0 1 00 01 11 10 1 X X 1 1 0 X 0 F=A’+BC F=A’C’+BC’ Dikkate almama minterm’lerini kullanmasaydık, Ekstradan bir VE ve bir TERSLEYEN kapı kullanılacaktı. Aşağıdaki Boole fonksiyonlarını dikkate almama minterm’leri ile beraber ele alalım.
• 42. Birleşik Devreler Birleşik Devreler •Birleşik devreler mantık kapılarının belirli bir amaç doğrultusunda bağlantılarından oluşur. •Birleşik bir devre verilen bir ikili giriş bilgisini istenen ikili biçime çevirerek çıkışa yollar. •Birleşik bir devre n tane giriş değişkeni ve m tane çıkış değişkeni arasındaki ikili bağları gösteren doğruluk çizelgesi ile tanımlanabilir.
• 43. Birleşik Devreler Birleşik Devreler Bir birleşik devrenin analizi verilen bir mantık devre şeması ile başlar ve bir Boole fonksiyonları kümesi veya doğruluk çizelgesi ile sona erer. Birleşik devrenin tasarımı için yapılan işlem adımları şu şekildedir: •Soru ortaya konur. •Giriş ve çıkış değişkenlerine harf ile ad verilir. •Girişler ve çıkışlar arasındaki ilişkiyi gösteren doğruluk çizelgesi hazırlanır. •Her çıkış için sadeleştirilmiş Boole fonksiyonları türetilir. •Mantık şeması çizilir.
• 44. Yarı-Toplayıcı Devresi Yarı-Toplayıcı Devresi En temel sayısal aritmetik devre, iki tane ikili rakamı toplayan devredir. İki bitin aritmetik toplamını yapan birleşik devreye yarı toplayıcı adı verilir. Girişler: toplayan ve toplanan bitler. Çıkış: toplam ve elde bitidir. İki çıkış değişkeni vermek gerekir çünkü ikili sistemde 1+1=10 dır. İki giriş değişkenine x ve y, toplama S ve elde ye de C adını verelim.
• 45. Dogruluk Çizelgesi Dogruluk Çizelgesi
• 46. Tam-Toplayıcı Devre x yz 0 1 00 01 11 10 x yz 0 1 00 01 11 10 S=x’y’z+x’yz’+xy’z’+xyz S=x y C=xy+(x’y+xy’)z C=x y+(x y) z Tam-Toplayıcı Devre Üç giriş bitinin aritmetik toplamını bulan bir birleşik devredir. Üç girişi iki çıkışı vardır.
• 47. Tam Toplayıcı Devre x yz 0 1 00 01 11 10 x yz 0 1 00 01 11 10 C=xy+(x’y+xy’)z C=x y+(x y) z S=x’y’z+x’yz’+xy’z’+xyz S=x y z Tam Toplayıcı Devre
• 48. Yaz-Bozlar(Flip-Flop) Yaz-Bozlar(Flip-Flop) Her ne kadar sayısal sistemde birleşik devre bulunursa da, gerçekte kullanılan çoğu sistem saklama öğeleri de içerir. Bu sistemlere sıralı devre denir. En yaygın sıralı devre eş zamanlı devrelerdir. Eş zamanlı devrelerde bir darbe üreteci (clock) kullanılır. Bu darbelerin gelişi ile devre işlemleri gerçekleşir. Bir FF hücresi 1 bit bilgi saklar. İki çıkışı vardır. Biri FF içerisindeki değeri diğeri bunun tümleyenini verir. Bir çok farklı yaz-boz(FF) tipi vardır.
• 49. SR Tipi FF Devingen gösterge (devrenin 0 dan 1 e geçişte çalışacağını gösterir Tipi FF •3 girişi ve 2 çıkış vardır. •Girişler S(Kurma), R(Silme) ve C(saat) olarak isimlendirilir. •Çıkış Q ve diğer çıkış bunun tümleyeni Q’
• 50. D Tipi FF D Tipi FF Giriş tektir ve D(veri) girişi olarak adlandırılır. D girişi 1 ise çıkış 1, D girişi 0 ise çıkış 0 olur. Gelecek durum Q(t+1), D girişi tarafından belirlenir. Yani Q(t+1)=D
• 51. JK Tipi FF JK Tipi FF JK türü FF, SR türünün belirsiz durumunun düzeltilmişdir.
• 52. T tipi FF T tipi FF JK girişlerinin tek giriş olacak şekilde birbirine bağlanarak elde edilmiş FF dir. Bu tek girişe T(tümleme) girişi denir. İki durumu vardır T=0(J=K=0) ve T=1 (J=K=1)
• 53. Kenar Tetiklemeli FF’ler Kenar Tetiklemeli FF’ler Durumunu saatin değişmesi sırasında değiştiren ve yaygın kullanılan FF çeşididir. Çıkış saatin belli bir düzeyinde olur. Saat vuruşu bu eşiği geçince çıkışlar kilitlenir. Pozitif kenar tetiklemeli ve Negatif kenar tetiklemeli olmak üzere iki çeşidi vardır. Pozitif kenar tetiklemelide FF ler değişme işlemini saatin yükselen kenarında yaparlar. Negatif kenar tetiklemelide FF’ler değişme işlemini saatin alçalan kenarında yaparlar.
• 54. Kenar Tetiklemeli Flip-Flop  Kenar Tetiklemeli Flip-Flop
• 55. Yükseltgeme Çizelgeleri Yükseltgeme Çizelgeleri FF doğruluk çizelgeleri şu andaki durumları belli olduğundan bir sonraki zaman için FF durumlarını verir Tasarım aşamasında genellikle şuanki durumla gelecek zamandaki durumlarının ne olması gerektiği bilinir. Bunun için bize gereken bu geçişler için FF’nin giriş koşullarını bilmemizdir. Bu geçişler için giriş koşullarını veren tablolara yükseltgeme çizelgeleri denir. Yükseltgeme çizelgelerinde Q(t) ve Q(t+1) zamanlarında alabilecekleri durumlarla bunlara karşılık gelen giriş koşulları bulunur.
• 56. Yükseltgeme Çizelgeleri Yükseltgeme Çizelgeleri
• 57. Sıralı Devreler Sıralı Devreler •Sıralı devre FF’ler ve kapıların oluşturduğu devredir. Kapılar bir birleşik devre oluşturur. •Birleşik devre kısmı dışarıdan gelen ikili işaretleri ve FF’lerden çıkan ikili işaretleri alır ve benzer şekilde dış devrelere veya FF’lere gönderir. •Sıralı bir devrenin çıktısı, dış girdilerle FF’lerin o anki durumlarının sonucudur.
• 58. ŞEMA Örnekten görüldüğü gibi FF birleşik devre için bir giriş oluşturmaktadır.
• 59. Durum Çizelgesi Şimdiki durum ve girişin tüm ikili mümkün durumları yazılarak durum çizelgesi türetilir. Sonraki durum değerleri giriş fonksiyonlarına bağlı olarak mantıksal şemadan elde edilir. m tane FF’si olan ve n girişi bulunan bir sıralı devre varsa ve bunun p tane çıkışı varsa şimdiki durum için m tane sütun ve girişler için n sütun içeren bir çizelge olmalıdır. Durum Çizelgesi Durum çizelgesi sıralı bir devrenin davranışını belirler. Çizelgede, şimdiki durum, giriş, sonraki durum ve çıkış bulunur.
• 60. Durum Şeması 00 01 11 10 0/0 1/0 0/1 0/1 1/0 1/0 1/0 Giriş Çıkış 0/1 Sıralı devrenin durum şeması Durum Şeması Durum çizelgesindeki bilgiler durum şeması denen bir şekille gösterilebilir. Bu şemada her durum bir daire ile gösterilir. Durumlar arası geçişler daireleri birleştiren doğrularla belirlenir.
• 61. Örnek •Şimdi saatli bir sıralı devre tasarlamak istiyoruz. Bu durumlar 00,01,10 ve 11 dir. Harici giriş x=1 olunca durum değişsin x=0 ise durum değişmesin. Böyle bir devreye 2 bit ikili sayıcı denir. Devreyi JK FF kullanarak tasarlayalım. •Bu durumda iki FF olmalıdır çünkü her durum için 2 bit gerekmektedir. •Öncelikle durum şeması çizerek başlamalıyız.
• 62. ÖRNEK Yükseltgeme çizelgesinden Q(t) Ve Q(t+1) durumlarına göre J ve K Girişleri yerine yazılır. JK flip-flop’un yükseltgeme çizelgesi.
• 63. ÇÖZÜM
• 64. Tasarım İşlemi ØDevrenin önce durum şeması çizilir. ØGerekli FF sayısı belirlenir. (Daire içindeki bit sayısından) ØDevrenin girişlerinin sayısı daireler arasındaki bağlardan bulunur. ØFF’ler ve giriş değişkeni adlandırılır ve sonra durum çizelgesi elde edilir. ØFF tipi seçilir ve adlandırılır. ØFF tipinin yükseltgeme çizelgesinden FF’lerin şimdiki ve gelecek durumlarından FF giriş koşulları elde edilir. ØSadeleştirme kullanılarak FF’lerin giriş fonksiyonları kümesi elde edilir. ØÖnce FF’ler çizilerek tüm giriş ve çıkışları etiketlendirilir. ØFF giriş ve çıkış fonksiyonlarına göre birleşik devre çizilir. Tasarım İşlemi
• 65. Kaynaklar: Kaynaklar: Bilgisayar Sistemleri Mimarisi, M.Morris Mano Computer System Architecture, M.Morris Mano Digital Design, M.Morris Mano