Bilgisayar Organizasyonu

BİLGİSAYAR ORGANİZASYONU

Giriş

Bilgisayar mühendisliğinde bilgisayar organizasyonu, verilen bir komut kümesi mimarisinin bir işlemci üzerinde gerçekleşmesidir. Verilen bir komut kümesi mimarisi farklı bilgisayar organizasyonlarıyla birleştirilebilir. Bilgisayar mimarisi ise bilgisayar organizasyonu ve komut kümesi tasarımının birleştirilmesidir.

Kayan Noktalı Gösterim

Kayan noktalı sayılar gerçek sayıların bilgisayar ortamındaki gösterim şekillerinden biridir. Gerçek dünyada sayılar sonsuza kadar giderken, bilgisayar ortamında bilgisayar donanımının getirdiği sınırlamalardan dolayı bütün sayıların gösterilmesi mümkün değildir. Bununla birlikte gerçekte sonsuza kadar giden birtakım değerler bilgisayar ortamında ortamın kapasitesine bağlı olarak yaklaşık değerlerle temsil edilirler. Bu sınırlamaların etkisini en aza indiren, sayıların maksimum miktarda ve gerçeğe en yakın şekilde temsilini sağlayan sisteme “Kayan-Noktalı Sayılar” sistemi denir. Kayan-Noktalı sayılar sistemi, bir sayı ile 10’un herhangi bir kuvvetinin çarpımı şeklinde sıklıkla kullanılan bilimsel gösterime oldukça benzeyen bir notasyona sahiptir ve en sık kullanılan IEEE 754 standardına göre şekillendirilmiştir. Bilinen gösterim şekillerinde n bitlik kapasiteyle gösterilebilecek sayı aralığı bellidir.  İşaretsiz gösterimde; 0 ile 2ⁿ,bire tümleyen şeklindeki gösterimde; -2^n-1+1 ile 2^n-1, ikiye tümleyen gösteriminde ise; -2^n-1 ile 2^n-1 arasındaki sayıları göstermek mümkündür. Bu gösterim şekillerinde çok büyük ve çok küçük değerlerin ifade edilmesi için çok miktarda bilgisayar donanımına ihtiyaç duyulmaktadır. Örneğin sabit noktalı gösterimde n bitlik alanda noktanın yeri belirlenmiş ve x bit anlamlı kısım için, geri kalan (n-x)  bit ise virgülden sonraki kısım için ayrılmıştır. Bu durumda 8 bitin 5 biti sayının tam kısmını, kalan 3 biti virgülden sonraki kısmını ifade ederse 10110,011, 11101,001, 11111,111 şeklindeki sayılar gösterilebilir. Kayan noktalı gösterimde ise eşit miktarda bilgisayar donanımı ile daha geniş aralıktaki sayılar üretilebilir. Yani 8 bitlik alanda 1,1101101, 10,101011, 11111,111 şeklinde virgülün herhangi bir aralığa gelerek oluşturacağı bütün kombinasyonları ifade etmek mümkündür.

Gösterimi

Bilimsel gösterimde sayılar, virgülün solunda 0’dan farklı bir basamak kalacak şekilde 102un kuvvetiyle çarpım halinde gösterilir. Örneğin 5647 ve 0.0003456 sayıları sırasıyla  5.647x10³ ve 3.456x10^-4 şeklinde yazılır. Bu formatta 102un kuvveti değiştikçe çarpan sayının tam sayı kısmını belirleyen nokta, kuvvetin değişme yönüne uygun olarak kaydırılır. Bu kaydırma işlemine olağanlaştırma (normalizasyon) denir. Kayan noktalı sayılar sistemi de bu temel prensibe dayalı bir sisteme sahiptir.

Bilgisayar Sisteminin Temel Birimleri

Anakart

Mainbord olarak da adlandırılır. Bilgisayarın gövdesi, iskeleti sayılabilecek parçadır. Bütün diğer parçalar anakart üzerine monte edilir. İşlemci, Bellek gibi temel parçalar Anakart üzerinde bulunur.

CPU

Bilgisayarın beynidir. Bilgisayarın en önemli parçasıdır. Bilgisayarın çalışma hızını belirler. Görevi aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştirmektir. Bilgisayarda yapılan bütün işlemler CPU üzerinde gerçekleşir ve bilgiler gerekli yerlere dağılır.

Harddisk

Hdd bilgisayarda bulunan verilerin kalıcı olarak saklandığı yerdir. Bütün bilgilerimiz oyunlarımız programlarımız işletim sistemimiz harddisk’te saklanır. Hdd genellikle “C” karakteri ile ifade edilir.

Disket Sürücü - Floppy

Disket Sürücü ve Fdd olarak da adlandırılır. Manyetik disklere veri kaydedebilen ve bunların içerisindeki verileri okuyabilen aygıtlara verilen isimlerdir. Bir disketin alabileceği en fazla veri 1,44 MB dir. Disket Sürücü genelde “A” harfi ile temsil edilir.

Ekran Kartı VGA

Monitöre yansıyacak görüntüleri aktaran ve gerekli işlemleri yapan bir aygıttır.

Kasa

PC içerisinde bulunan parçaları dış etkenlere karşı muhafaza eder ve bu parçalara elektrik dağılımını gerçekleştirir.

Monitör Ekran

Bilgisayardan gelen sinyalleri görmemizi sağlayan bir aygıttır. Çalışma mantığı tıpkı televizyon gibidir.

Klavye + Mouse

Bilgisayara yapmak istediklerimizi bildirmek, komutlar vermek için kullandığımız aygıtlardır.

İşlemcinin Temel Yapısı

İşlemci kısaca takılı bulunduğu sistemde tüm işlemlerin 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 Nasıl Çalışır?

İşlemci kendi içinde bir mimariye sahip olup işlemlerin yapılabilmesi için birçok ünitesi bulunmaktadır. İşlemler yapılırken Logic mantığı ile yapılmaktadır. Yani iki sayıyı toplamak için ilk olarak sayıların ikilik değerleri alınır ve bunun üzerine işlemler yapılarak sonuç elde edilir. İşlemciler hafızalarında bulunan komutlarla dışarıdan gelen uyarılar eşliğinde işlemleri yapmaktadırlar. İşlemcini hafızasında bulunan komutlara o işlemcinin komut serisi denilebilir.

İşlemcinin İç Yapısı Nasıldır?

İşlemciler aslında transistör adını verdiğimiz yarı iletken elemanların birleştirilmesi ile oluşturulmaktadır. 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 bulunmaktadır. Bunlar küçültülerek monte edildikleri için çok fazla sayıda transistör silicon wafer 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.

Kontrol Birimi Nedir? Ne İşe Yarar?

·         Program komutlarını bellekten okumak ve yorumlamak.

·         İşlemcinin (CPU) içindeki elemanların işlemlerini yönetmek.

·         Ana belleğe (RAM) girecek ve çıkacak program ve verilerin akışını kontrol etmek

                  

Bir programın çalışması için önce ana belleğe (RAM) yüklenmesi gerekir. Çalışma esnasında sıradaki ilk komut kelimesi ana bellekten (RAM) kontrol birimine yüklenir, burada deşifre edilerek yorumlanır. Kontrol birimi diğer elemanlara işlemin yapılması için gerekli emirleri verir. Kontrol birimi çok yüksek işlem yapabilen Yazaç denilen birimler içerir. Bunlar bilgisayarın mimarisine göre bir veya birkaç bay uzunluğunda veri depolayabilirler. Yazaçlardaki veriler, bellekteki verilerden yaklaşık 100 kat daha hızlı işlenirler. İşlem kaydı adı verilen özel bir yazaç işlenen komutun bilgisini, program kaydı adı verilen bir başka özel yazaç ise, bir sonraki adresini tutar. Bunların dışında kontrol biriminde, ara işlemleri gerçekleştirmek üzere verilerin geçici olarak depolandığı genel amaçlı yazaçlar bulunur.

Adresleme Yöntemleri

Bir buyruk kümesinde tanımlı adresleme yöntemi ya da adresleme kipi, makine dili buyruklarının bir işleneni nasıl işleyeceğini tanımlar. Bilgisayar programlamada adresleme yöntemleri doğrudan simgesel dilde kod yazan derleyici yazanların ilgi alanına girer. Pek çok RISC makinede sadece 5 tane adresleme yöntemi vardır ancak DEC Vax gibi CISC makinelerde onlarca bulunur.

Bellek Hiyerarşisi

Çeşitli veri depolama birimlerinin veri iletim hızı işlem gücüne göre hiyerarşik olarak sıralanmasına bellek hiyerarşisi denir. İşlemlerin hızı ve işlem gücü arttıkça bilgisayar mimarisini oluşturan veri saklama birimlerinin işlemciyle arasındaki senkron farkı git gide artmaktadır. Veri depolama birimleri arasındaki bu tür farklılıkların önüne geçmek, işlemcinin döngülerce diğer birimlerin veri işlemesi iletmesi sırasında beklemesini engellemek için önbellek adı verilen geçiş birimleri oluşturulmuştur. Bu hiyerarşide bir bellek türü bir üst düzeydeki bellek türünü önbellek olarak kullanır. Örneğin yerel diskte kayıtlı bir dosyada işlem yaparken ana bellek işletim sistemi tarafından geçici depolama birimi olarak kullanılabilir.

Bellek Yönetimi

Ana belleğin işlemler arasında paylaştırılmasına ana bellek yönetimi ya da bellek yönetimi (Memory Management) adı verilir. İşletim sisteminin bu amaçla oluşturulan kesimine de bellek yöneticisi adı verilir. Bellek yöneticisinin görevi, belleğin hangi parçalarının kullanımda olduğunu, hangi parçalarının kullanılmadığını izlemek, süreçlere bellek tahsis etme, tahsis edilen belleği geri almak ve bellek ile disk arasındaki takas işlemlerini gerçekleştirmektir.

Önbellek

Sistem belleğinden gelen veriler çoğunlukla CPU’nun hızına yetişemezler. Bu problem çözmek için CPU içinde yüksek hızlı hafızalar bulunur. Ön bellek çalışmakta olan programa ait komutların ve verilerin geçici olarak saklandığı yüksek hızlı hafızalardır.

Sanal Bellek

Sanal bellek, fiziksel belleğin görünürdeki miktarını arttırarak uygulama programına (izlence) fiziksel belleğin boyutundan bağımsız ve sürekli bellek alanı sağlayan bilgisayar tekniğidir. Ana belleğin, tekerin (ikincil saklama)önbelleği (cache) gibi davranmasıyla; yani teker yüzeyini belleğin bir uzantısıymış gibi kullanmasıyla gerçekleştirilir. Ancak gerçekte, yalnızca o anda ihtiyaç duyulan veri tekerden ana belleğe aktarılıyor olabilir. Günümüzde genel amaçlı bilgisayarların işletim sistemleri çoklu ortam uygulamaları, sözcük işlemcileri, tablolama izlenceleri gibi sıradan uygulamalar için sanal bellek yöntemi kullanılmaktadır.

Giriş/Çıkış Cihazları

Giriş ve çıkış birimleri dediğimizde aklımıza gelecek olan öncelikle bu birimlerin donanımsal bir birim olduğudur. Giriş birimi; dış ortamdan yapılan bir giriş veya veri girişi yapmak amacını kapsıyorsa giriş birimi veya giriş donanımı denir. Çıkış birimi; bilgisayardan dış ortama veri aktarımı sağlamak için kullandığımızda bunun ismi çıkış birimi oluyor.

Giriş Birimleri

·         Klavye

·         Mouse

·         Tarayıcı

·         Optik okuyucu

·         Mikrofon

·         Barkod okuyucu

Çıkış Birimleri

·         Ekran

·         Yazıcı

·         Hoparlör