veri depolama sistemleri

Merkezi İşlem Birimi bir bilgisayar sisteminin beynidir.Merkezi işlem biriminin iki temel bileşeni vardır:

1.   Aritmetik-Mantık Birimi

2.   Kontrol Birimi

Ana bellekte saklı bilgiler kontrol birimi tarafından okunur ve merkezi işlemci saklayıcılarına (yazmaç, register) aktarılır. Ana bellekten okunan komutların anlamlarının çözülmesi de yine kontrol birimince yerine getirilir. Bir programın çalıştırılması sırasında programın ilk komutu çözümlendikten sonra kontrol, programın denetimi altında devam eder.

2.1.1.Saklayıcılar  (Registers)

Ana bellekteki veriler işlenmek üzere merkezi işlem birimine taşınırlar.Burada geçici olarak verilerin saklandığı hücrelere yazmaç ya da saklayıcı adı verilir. Merkezi işlem biriminde çeşitli amaçlar için kullanılan saklayıcılar mevcuttur. Örnek olarak,

· Ana bellekte erişilmek istenen verinin adresini tutan adres saklayıcıları 

· Programda çalıştırılmakta olan komut adresini tutan adres saklayıcıları

· Komutu tutan komut saklayıcısı (instruction pointer)

· Üzerinde işlem yapılan veriyi tutan akümulatör 

verilebilir.

Bir komutun çalıştırılması sırasında program satırı ve veriler bu saklayıcılar arasında hızla aktarılarak işlemlerin hızla yapılması sağlanır.

Günümüzde birçok bilgisayarın merkezi işlemcisinde yukarıdaki saklayıcılara ek olarak bir saklama birimi daha vardır.Ara Bellek (Cache Memory) adı verilen bu bellek , ana bellekten işlenecek bilgileri kopyalayarak işlenmeye hazır bir şekilde tutar. Ara bellek merkezi işlemci saklayıcıları gibi hızlıdır.Merkezi işlemci tarafından işlenmesi en muhtemel ve en yakın olan veriler ara belleğe alınırlar. Böyle olunca da merkezi işlemcideki işlemlerin hızlanması sağlanmış olur.

2.1.2. Komutlar (Instructions)

Merkezi işlem Biriminde program gereği yerine getirilmesi gereken işlemleri yapmak için makina komutları kullanılır.  Komutlar, bilgisayarların  özelliklerine ve  kullandıkları merkezi işlem birimine göre farklılık gösterir. Genellikle kullanılan komutlar farklı yapıda olmakla birlikte benzer işlevleri yerine getirirler. Bu komutların uzunlukları da değişiklik gösterir.

16 bitten oluşan bir bilgisayar komutu çeşitli alanları içerir. Bu alanlar şunlar olabilir :

·   İşlem Alanı (OP-CODE:Operation Code) :Her bir komut için ayrılan alanın  ilk dört biti  ya da ilk onaltılı sayı İşlem  alanıdır. Bu alanda komutların işlevlerini belirten alan. Bu alanda 1 ile C arasında yer alan 12 temel komuttan birisi bulunabilir.

·  Operand Alanı :Komutların daha detaylı işlevlerini belirten alandır. Bu alanda 12 bit ya da 3 onaltılı sayılık bir yer mevcuttur. Komutun tamamlayıcı bilgilerini karşılarlar, örneğin: işlemimiz toplama ise operand alanı kaynak operand ve hedef operandların bellekteki adres bilgilerini içerir.

Şekil 2.1: Bir makina kodunun yapısı. 

 

Şekil 2.1 de bir komutun formatı ve her alanın bit sayısı verilmiştir. Burada işlem kodu için 4 bit ayrılmış olduğundan 16 değişik komut olanaklıdır. Tüm komutlar operand alanını kullanmazlar. Böyle durumlarda bu alan komut ya da işlem kodunun bir parçası olarak gösterilir ve komut sayısı arttırılabilir.

Bir komut bellekte belli bir adreste saklanan veriler üzerinde işlem yapabileceği gibi , merkezi işlemcinin saklayıcılarındaki veriler üzerinde de işlem yapabilir. Bu durumda adres alanının kullanılışına göre çok değişik komutlar ortaya çıkar.  

Bilgisayar komutlarını çeşitli şekilde sınıflandırmak mümkündür. En genel haliyle bu komutları şöyle gruplayabiliriz. 

Aritmetik komutlarÂ

Mantıksal komutlar

Bilgi saklayıcılarÂ

Ara bellek arasında taşıyıcılarÂ

ÇeÅŸitli Durum Kontrolleri yapan komutlarÂ

giriÅŸ-çıkış komutlarıÂ

Genellikle veriler önce ana bellekten (RAM) ara belleğe , oradan da merkezi işlem birimi saklayıcılarına (Registers) aktarılır.  

Burada aritmetik ve mantık birimine aktarılan veriler üzerinde program kodunun öngördüğü işlemler yapılır ve sonuçlar yeniden kontrol birimi saklayıcıları aracılığıyla ana belleğe (RAM)  taşınır. Üzerinde işlem yapılan verilerin tutulduğu saklayıcı aritmetik ve mantık biriminin en önemli parçalarındandır ve akümülatör (accumulator: ax register) olarak adlandırılır. 

·   Soru: Bir merkezi birimde hangi tip saklayıcılar bulunur, işlevleri nelerdir?

   2.2. Ana Bellek : Random Access Memory (RAM) 

Bilgisayarlarda veri saklamak için herbiri bir bit saklayabilen çok fazla sayıda devre mevcuttur.Ä°ÅŸte bilgisayarlardaki bu “bit depolarına” ana bellek adı verilir. Ana bellekteki devreler gruplanarak hücre yada sözcük adı verilen birimleri oluÅŸtururlar. Her hücre genellikle 8 bit yani 1 byte’tan oluÅŸur. Bu hücrelerin her birinin bir adresi vardır.Hücreler adreslerine göre ardışık olarak sıraya dizilidirler. Hücre adresi hücrenin ana bellek içindeki yerini belirler.

Bilgisayarın ana belleÄŸindeki hücrelerin toplam sayısı bilgisayarın bellek kapasitesini gösterir. Bellek kapasitesinin birimi , günümüzde, mega byte’ tır. 1 MB , 1.048.576 hücre biriminden oluÅŸur. Bilgisayar sistemlerinde bilgi saklama ikili sistemi kullandığı için 2²º bite karşı gelen ve 10⁶ ‘ya en yakın olan sayı kullanılmıştır.

Ana Bellekte bilgi depolamak üzere hücreleri oluÅŸturan devrelere ek olarak bilgileri arayan , bulan, yerleÅŸtiren devreler de mevcuttur. Okuma ve yazma iÅŸlemi yapan bu devreler sayesinde ana bellekteki hücrelerin depoladığı bilgiler deÄŸiÅŸir , güncellenir. Bellekteki hücrelerin dizilim sırasının eriÅŸim bakımından hiçbir etkisi yoktur. Yani en baÅŸtaki bir hücreye eriÅŸmek ile en sondaki hücreye eriÅŸmek ve iÅŸlemek arasında hiç bir fark yoktur. Bu yüzden ana belleÄŸe rastgele eriÅŸimli bellek anlamına gelen “Random Access Memory(RAM)” adı verilir.

Hücre İçi Düzeni

Åžimdi, biraz da ana bellekteki hücre ve düzenden bahsedelim : Her bir hücrenin 8 bitlik bilgiyi saklayabileceÄŸinden bahsetmiÅŸtik. Bu bitlerin oluÅŸturduÄŸu sırada ilk bit “en önemli bit” olarak , son bit ise “en önemsiz bit” olarak adlandırılır. Yani bitler en önemli bitten , en önemsize bite doÄŸru sıra ile dizilirler.

örnek:

Hücreler de kendi aralarında uygun bir sırada ilk hücreden son hücreye kadar ip gibi sıraya dizilirler.Böylece 16 bit uzunluğunda bir veriyi yan yana 8 bitlik iki adet hücrede saklamak mümkün olur.

1 byteÂ	8 bitÂ	1 hücre birimiÂ
1 kilo byte (KB)	210	1024 byte
1 mega byte (MB)	220	210 kilo byte
1 giga byte (GB)	230	210 mega byte
1 tera byte (TB)	240	210 giga byte

Merkezi işlem birimi ile arasında sürekli bilgi alışverişi olan Ana Bellek yukarıda da söz edildiği gibi program ve verilerin geçici olarak saklanmasında kullanılırlar. Eskiden bilgisayarın belleğini oluşturmak üzere Rasgele Erişimli Belleklerden oluşturulan matrisler yaygın olarak kullanılırken artık SIMM (Single Inline Memory Module) adı verilen ve bellek tümleşik devrelerinin üzerine yerleştirildiği hazır bellek devre modülleri kullanılmaktadır.  

Ana Bellek Teknolojileri

Ana Bellek statik ya da dinamik olabilir. Dinamik RAM’lere DRAM denir. Bu tür RAM’lerin içeriÄŸinin korunması için her birkaç milisaniyede bir elektronik akımla beslenmesi gerekir. Bu iÅŸlem bilgisayar kontrol devreleri tarafından periyodik olarak yapılır.  Statik RAM’lerin içeriÄŸinin korunması için periyodik olarak yenilenmeleri gerekmez. Bu yüzden Statik RAM’ler Dinamik RAM’lerden çok daha hızlıdır. Bilgisayar ana belleklerinde DRAM’ler kullanılır. Son zamanlarda geliÅŸtirilen EDO RAM (Enhanced Data Output Random Access Memory), BEDO DRAM (Burst Extended Data Output DRAM) ve SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) birer Dinamik RAM’dir. Statik RAM’ler ise pahalı olmalarından dolayı bilgisayarlarda ÅŸimdilik ara bellek (CACHE RAM) olarak kullanılıyorlar. ara belleklerin kapasiteleri sınırlıdır ve yalnızca en son kullanılan ya da kullanılma olasılığı bulunan verileri tutmakta kullanılırlar.

·    Soru: SDRAM’in getirdiÄŸi yenilikler nelerdir? Geleneksel DRAM’lerden farkı nedir?

Bugünün RAM’leri çoÄŸunlukla  CMOS teknolojisini kullanır. CMOS  Ä°ngilizce Complementary Metal Oxide Semiconductor sözcüklerinin kısaltılmışıdır ve düşük güç tüketimi saÄŸlar. Daha önce de belirttiÄŸimiz gibi  CMOS bellekler uçucudur. Elektrik kesildiÄŸinde tüm veriler kaybolur.

Ana belleÄŸi oluÅŸturan öğeler arasında Salt Okunur Bellekler de (ROM: Read Only Memory) vardır. Bu belleklerdeki bilgiler elektrik kesilse dahi kaybolmaz. ROM’lara genellikle kontrol programları yüklenir ve bilgisayarlar ilk açıldığı anda yürütülen iÅŸlemler bu programların denetiminde yapılır. ÖrneÄŸin kiÅŸisel bilgisayarlardaki (PC) BIOS böyle bir bellekte saklanır.

2.3.  Veriyolu

Merkezi işlem birimi ve ana bellek arasında bitlerin geliş gidişi, adına veri yolu dediğimiz bir yığın bağlantı ile sağlanır. Ana bellekteki veriler, veri yolu ile merkezi işlemciye alınır.Burada işlemler tamamlanınca da ana bellekte istenen adrese yerleştirilir.Bütün bu işlemler elektrik sinyalleri ile gerçekleştirilir.

Yukarıdaki açıklamadan da gibi ana bellekteki iki sayıyı toplamak için toplama işlemi dışında birçok işlem yapmak gerekir. Bu işlemler kontrol birimi ile aritmetik-mantık biriminin birlikte emek harcamasını gerektirir. Kontrol birimi veriyolu üzerinden istenen verileri getirip götürürken , aritmetik-mantık birimi veriler üzerinde program tarafından belirlenen işlemleri yapar.

Ana bellek entegre devrelerinin , merkezi işlemci ile iletişimini kontrol etmek üzere , bu entegrelere komut girişi konulmuştur. Bu komut girişi entegreyi seçmek için kullanılır. Böylece , yalnız seçilen entegredeki veriler veriyoluna , oradan da merkezi işlem birimine ulaşır.

Veriyolu bilgisayarın tipine göre belli sayıda fiziksel hattan oluşmuştur. Bu hat bellekler, kontrol devreleri ve merkezi işlem birimince ortaklaşa kullanılır. Bir anda hangisinin buna erişeceğine merkezi işlemci biriminin program komutuna bakarak ürettiği kontrol sinyalleri karar verir. Eğer aynı anda birden fazla birim veriyoluna erişirse veriler bozulacağı için bu erişimdeki zamanlama çok önemli ve kritiktir. Bu yüzden veriyolu çoklayıcılar kullanılarak kontrol edilir.

Bir çoklayıcının blok şemasını aşağıda gösterdik. Burada amacımız yine size bir fikir verebilmektir.

Şekil 2.4  Bir çoklayıcı (multiplexer) entegresinin şematik gösterimi.

İki seçme girişi kullanılarak dört girişten biri seçilir ve seçilen giriş Y çıkışına aktarılır. Bu sayede örneğin RAM , ROM ya da başka bir elemanın verilerinden yalnızca birinin veriyoluna aktarılması sağlanır.

RAMler hem okunabildiÄŸi hem de yazılabildiÄŸi için , kontrol giriÅŸine ek olarak okuma ve yazma giriÅŸleri de bulunur. Tipik bir RAM entegresinin yapısı ÅŸekil 2.2′de gösterilmiÅŸtir. 

Şekil 2.2 

RAM’in kapasitesine göre veriyolu ve adresyolunu oluÅŸturan bacak sayıları belirlenir. Veriyolundaki iki yönlü ok RAM’a verilerin aktarılabileceÄŸini, aynı zamanda da RAM’den verilerin okunabileceÄŸini göstermektedir. Buna karşılık adres yolu tek yönlüdür ve istenen adres RAM’a iletilir.  

Veriyolu 8 bit, 16 bit yada daha geniÅŸ olabilir. Adres yolu ise RAM’in kapasitesine göre deÄŸiÅŸir. ÖrneÄŸin; 128 baytlık bir RAM’de adres yolu 7 bitten oluÅŸur. Bu RAM’de veri saklamak için 128×8 bit yani 1 Kbit alan vardır. Bu tür yapılanmaya bayt adreslenebilir RAM denir.