Bilgisayarlarda ve diğer mikroişlemcili sistemlerde, aritmetik veya mantık işlemlerinin yapıldığı ve yapılan işlemlerin denetlendiği birim, ‘merkezi işlem birimi’ veya ‘mikroişlemci’ olarak adlandırılır.Diğer bir bakış açısıyla mikroişlemci; ikili sayılar şeklinde kodlanmış komutları ve verileri işlemek veya yorumlamak için gerekli mantıksal devreleri içeren, milyonlarca transistörden meydana gelen elektronik bir elemandır. Bu elektronik eleman ince bir silikon tabaka üzerinde çok ince yollarla birbirine bağlanmış milyonlarca transistörden oluşur. Birkaç milimetre karelik bir mikroişlemci entegresi içerisinde on milyonlarca transistör bulunur.

Mikroişlemcili sistemlerin kalbi olarak kabul edilen mikroişlemciler, genel amaçlı elemanlardır ve farklı uygulamalarda amaca uygun olarak kullanılırlar. Kullandığımız bilgisayarlar ister masaüstü , ister sunucu, isterse de dizüstü bilgisayar olsun tüm cihazlarda temel eleman mikroişlemcidir. Diğer taraftan, kullandığımız mikroişlemci bir Pentium, bir K6, bir Powerpc, bir Sparc, bir Alpha yada herhangi bir marka olabilir, ancak tüm işlemciler benzer işlemleri benzer yöntemlerle gerçekleştirirler. İşlemleri yerine getirmede mantıksal devreleri kullanan mikroişlemcilerde temel elektronik eleman olarak transistör kullanılır.

Mikroişlemcili sistemlerin ve mikroişlemcili sistemler ailesinin bir bireyi olan bilgisayarın en önemli parçası olan bu elektronik eleman, başlangıçtan günümüze kadar hızlı bir gelişim süreci geçirmiştir.

Mikroişlemcilerin Tarihsel Gelişimi

Bilgisayarın en önemli parçası mikroişlemci, çok karmaşık bir yapıya sahiptir ve günümüzde Intel, Motorola, AMD, Siemens, NEC, IBM, CYRIX, v.b. firmalar tarafından geliştirilmekte ve piyasaya sürülmektedir. Günümüz mikroişlemcili sistemlerinde yaygın olarak kullanılan mikroişlemciler; Intel tarafından üretilen ‘Pentium X’ ve AMD tarafından üretilen DURON ve ATHLON serileri ile Motorola tarafından üretilen ve yeni macintochlarda kullanılan ‘PowerPC’ ve eski macintoch kullanılan ‘M680XO’ kodlu mikroişlemciler olmakla birlikte, diğer firmaların ürettikleri mikroişlemcilerde piyasada kullanılmaktadır. Intel ve Motorola’ nın ürettikleri dışında önemli mikroişlemci mimarileri olarak; ‘Digital’ ve’Compag’ ın makinalarında kullanılan ‘Alpha’ ailesi, Sun firmasının ‘Sparc’ işlemcileri, Silicon Graphics ‘in MIPS Rx000 serisi, Hawlett Packart’ın ‘Parisc’ mikroişlemcileri sayılabilir.

64 bit mikroişlemcileri anlatmadan önce, mikroişlemcinin günümüze gelinceye kadar geçirdiği aşamalara özet olarak burada değineceğiz.

Mikroişlemcilerin tarihi gelişimini, bir kerede işleyebilecekleri bit sayısına göre sınıflandırılmalarını referans alarak anlatacağız. Çünkü , mikroişlemcinin bir kerede işleyebileceği bit sayısında olan gelişim, mikroişlemcinin tarihi gelişimi ile paralellik göstermektedir.

Mikroişlemciler, bir kerede işleyebildikleri bit sayısı referans alınarak 4 grup altında incelenebilir.

- 8 bit mikroişlemciler
- 16 bit mikroişlemciler
- 32 bit mikroişlemciler
- 64 bit mikroişlemciler

8 Bit Mikroişlemciler

Merkezi işlem biriminin tek bir entegre içerisine yerleştirilmesi ile ilk mikroişlemci üretimi başladı. İlk mikroişlemci hesap makinasında kullanılmak üzere 1971 yılında Intel tarafından üretilen 4004 mikroişlemcisi idi.2300 transistöre, 108 khz çalışma hızına, 0,06 MIPS gücüne 4 bit kelime işleme kapasitesine ve 640 Byte bellek bölgesi adreslemekapasitesıne sahip bir işlemci idi.

Daha sonra Intel 1972 yılında ilk 8 bit işlemci olan 8008 işlemcisini üretti.üretilen bu iki işlemcide özel uygulamalar için üretilmişti. İlk üretilen bu iki işlemciye olan talep 8 bitlik ve daha fazla bellek bölgesi adresleme kapasitesine sahip 8080 işlemcisinin genel amaçlı olarak 1974 yılında piyasaya süsülmesini sağladı. Kısa süre içerisinde 8 bitlik işlemciler için endüstri standardı olan 8080 mikroişlemcisini, 1976 yılında piyasaya sürülen ve 8080 nin gelişmiş versiyonu olan 8085 işlemcisi takip etti.

Bu arada Motorola firması da 6800 işlemcisini piyasaya sürdü.bu işlemci 8080 işlemcisine göre daha üstün özelliklere sahip idi. 1970 li yıllarda yaygın olarak kullanıldı.
Ayrıca Zilog firmasının Z80 ve Mostek firmasının 6502 işlemcileri (8 bit) de piyasaya sürüldü.

16 Bit Mikroişlemciler

İlk 16 bitlik işlemci, 1978 yılında Intel tarafından NMOS teknolojisi ile üretilen 8086 işlemcisidir. 8086 işlemcisi, hem dahili hem de harici veri iletiminde 16 bit kullanmaktaydı. 8086 işlemcisi, 1970 li yılların sonunda ‘Display writer’, ‘System 23 DataMaster’ , v.b. kelime işlemcilerde ve mini bilgisayarlarda kullanıldı. 8080/8085 ile 8086 işlemcileri uyumlu değildi.

8086 işlemcisini, 1979 yılında Motorola’ nın ürettiği 6809 ve 68000 serisi mikroişlemciler takip etti. 68000 serisi mikroişlemciler, eski mikroişlemciler ile uyum problemini düşünmüyordu ve tamamıyla yeni bir yapıya sahipti. Diğer firmalarda 16 bitlik işlemci üretmesine rağmen, en yaygın kullanılan 16 bitlik işlemciler, Intel 8086 serisi ile Motorola’ nın ürettiği 68000 serisi mikroişlemcilerdi.

Daha sonra 1984 yılına ilk 32 bit işlemci üretilene kadar birçok modelde 16 bit işlemci birçok firma tarafından geliştirildi. Fakat en çok Motorola ve Intel yaygın olarak kullanıldı

32 Bit Mikroişlemciler

32 bit işlemciler çok farklı özelliklere-yapılara sahip olarak üretildi. Çok farklı ürüne sahip 32 bit işlemcilerin en önemlilerine burada değineceğiz.

Mikroişlemcilerde yaşanan gelişmeler, 32 bit veri ve adres kullanan ve gerçek 32 bit mikroişlemciler olarak isimlendirilen işlemcileri doğurdu. İlk 32 bit işlemci olarak Bell Lab ve Hewlett-Packard tarafından üretilen 32 bitlik işlemciyi takiben 1984 yılında Motorola tarafından 68020 ve 1985 yılında Intel tarafından 80386 mikroişlemcileri üretildi.

80386 işlemcisi veri ve adres için 32 hattan oluşan yol kullanıyordu ve haberleşme 32 bit olarak gerçekleştiriliyordu. Adresleme için 32 bit kullanılması, kullanılabilecek bellek alanlarını genişletti. Ve genişleyen bellek alanları geniş yazılımların geliştirilmesine imkan tanıdı. 32 bitlik işlemcilerde kullanılan yeni teknikler ile Terabayt bellek kapasitesine kadar bellek bölgesini adresleyebilirler.

32 bitlik işlemcilerden Intel tarafından üretilenler IBM uyumlu AT tipi şahsi bilgisayarlarda, Motorola tarafından geliştirilenler ise iş istasyonlarında (Workstation – Sun,HP,v.b.) kullanıldılar.Gelişen PC pazarının etkisi ile 32 bitlik birçok farklı özellikte işlemci üretildi. Bunların arasında 1990 lı yıllara doğru en çok tutulanı Intel’ in ürettiği 80486 işlemcisi oldu. 1990 yılların başında mikroişlemci pazarında büyük bir Intel ve Motorola çekişmesi vardı. Fakat Microsoft’ un da yazılım desteğini arkasına alan Intel bu yıllarda bu pazarın tartışmasız lideri oldu. Bu yüzden Intel’ in 1990 yıllarda ürettiği 32 bitlik işlemcilere ayrı bir bölüm ayırdık. Intel Tarafından Üretilen İşlemciler

Intel’ in ürettiği Kompleks Komut Setli Bilgisayarlar (CISC) mimarisine sahip işlemcilerin son halkasını oluşturan Pentium işlemciler, Intel X86 işlemci ailesinin devamı olmakla birlikte çok daha karmaşık bir yapıya sahiptiler. Pentium işlemcisinin 90’ lı yılların başından beri gösterdiği hızlı gelişim bilgisayar teknolojisinin hızlı gelişimine güzel bir örnektir. Pentium işlemciler ‘Superscalar’ teknoloji kullanır. Ve çoklu komutları paralel işleme özelliğine sahiptir.

İlk Pentium işlemcisi (P54) Mart 1993 yılında piyasaya sürüldü. İlk başta 60 ve 66 Mhz de üretilen bu işlemciler daha sonraları 90, 100, 120, 133, ve 200 Mhz hızlarda üretildi. 8 K lık komut kodu önbelleği ve 8 K lık veri belleği önbelleğine sahip Pentium işlemcilerde ana kaydediciler 32 bitlik olmasına karşın 32 bitlik dahili veri yolları ile 32 veya 64 bitlik harici veri yolu bulunmaktadır. Pentium işlemcilere eklenen en önemli özellik işlemcinin ve çevre birimlerinin güç tüketimini kontrol eden ‘Sistem yönetim birimi’ dir.

Pentium Pro işlemcisi

Kasım 1995 da piyasaya sürülen Pentium Pro işlemcisi Pentium MMX işlemcisini takiben farklı bir mimari yapıyla üretilmiştir. Pentium Pro(P6) işlemcisi, ‘dinamik dallanma teknolojisi’ olarak tanımlanan bir teknoloji kullanıyordu. Eklene 4 adres hattı ile doğrudan adreslenebilir bellek alanı 4 GB’ tan 64 GB’ ta çıkartıldı. Ve işlemci içerisine L2 önbellek yerleştirildi. Bu işlemci maalesef fiyatının yüksek olması ve 32 bit optimizasyonu nedeniyle piyasada tutunamadı.

Pentium 2 İşlemcisi

Pentium Pro ve MMx işlemcilerinde kullanılan teknolojinin birleştirilmesi ile 1997 yılı mayıs ayında üretilen işlemci Pentium 2 olarak adlandırılır. Intel Pentium 2 işlemcisini farklı ürün seçenekleri ile piyasaya sürdü. (L1 ve L2 önbellek kapasitesi, kullanılan çekirdek yapısı, desteklenecek FSB hızı, v.b.) Pentium 2 işlemcisinin çalışma gerilimi düşürülerek, daha az güç tüketimi ile daha hızlı çalışması ve daha az ısınması hedeflendi. Pentium 2, Pentium Pro, Celeron, Xeon, Pentium 3, K6, Athlon işlemciler hep 32 bit işlemci ailesinin üyeleridir.

Pentium 2 işlemcileri L1(32K-16K/16K) önbellek yanında L2(512K) ikinci önbelleğe sahiptir. İkinci önbellekte 256K, 512K, 1MB, ve 2MB seçenekleri bulunmaktadır.pentium 2 işlemcisi ile gelen diğer yenilik soket tipi yerine farklı seçeneklere sahip slot tipi (387 pinli) paketleme tekniğinin kullanılmasıdır.

Pentium 2 ile aynı zaman dilimi içinde üretilen ve Pentium2 ailesi içerisinde düşünülen Celeron işlemcisi, giderek güçlenen ve Pazar payı artan AMD ve CYRIX firmalarının ürettiği ucuz işlemcilerin Pazar payını daraltmak için Intel tarafından piyasaya sürüldü.

Pentium 3 İşlemcisi

Intel tarafından 1999 başında piyasaya sürülen ve Pentium 3 işlemcisine ileri görüntü işleme, 3D, ses/resim işleme ve ses tanıma gibi uygulamalar için 70 tane yeni komut eklendi. Pentium 3 işlemcisi 450 Mhz ile 1.4 Ghz arasında farklı saat frekanslarında, 100 Mhz ve 133 Mhz olmak üzere iki farklı ‘bus’ hızında, 4 farklı paket yapısında ve 3 farklı çekirdek mimarisinde üretildi.Pentium Pro ve MMX işlemcilerinde bulunan teknolojileri kullanan Pentium 3 işlemcisi, internet hizmetleri ve ağ erişim güvenliği için planlanan yapılardan ilki olan ‘işlemci seri numarası’ işlemini içerir. Bununla beraber, Pentium 3 lerde bulunan en büyük özellik; MMX komut setine eklenen ISSE( Intel Streaming SIMD Extension) setine sahip olması idi.

Bu arada Intel’in Pentium 4 işlemcilerini geliştirmeden önce yaşadığı olayları özetlememiz, Intel ile AMD arasında yarışın ne denli çetin geçtiğini ve bu rekabetin biz kullanıcılara ne kadar faydalı olduğunu anlamamız açısından önemlidir. 2000 yılı sonunda Intel firması planlarını değiştirmek zorunda kaldığı bir şaşkınlık dönemi yaşadı. Intel ‘Coppermine’ çekirdekli Pentium işlemcisini piyasaya süreceğini anons etmişti ama bunu belirli bir süre sonra yapacaktı. Mart 2001’de AMD’ nin 1Ghz’ lik Athlon işlemcisini piyasaya sürmesi, Intel’i planlarında değişiklik yapmaya zorladı. Ve AMD’ den işlemci çalışma hızı olarak geride kalmak istemeyen Intel’ in Pentium 3 1Ghz lik işlemcisini planlanandan çok daha erken olarak piyasaya sürmesini sağladı.

AMD firması kısa aralıklarla ile hızı arttırmaya devam ederken Intel uzun süre yeni işlemci piyasaya sürmedi. Daha sonra Intel 1.13 Ghz lik işlemcisini piyasaya sürdü. Ancak yapılan performans testlerinde bu işlemcide bulunan birimleri/parçaların işlevlerini istenilen güvenlikte/ hızda gerçekleştiremediği belirlendi.Intel bu işlemcilerin hatalı olanlarını geri çekmek zorunda kaldı.

PENTİUM 4 İŞLEMCİSİ

İntel ürettiği işlemcilerin AMD tarafından üretilen işlemciler ile hız farkına, iki farklı gelişme / yenileşme ile cevap vermeye çalıştı. Thunderbird-çekirdek ve polemine çekirdekli athlon lar ile aynı hıza ve özelliklere sahip 0,13 mikron teknolojisi kullanan tualitin çekirdekli pentium3 işlemcisini üretmesi yanında yedinci kuşak işlemci olarak pentium4 işlemcisini tanıttı.planlanandan çok kısa bir süre sonra piyasaya sürülen pentium4 işlemcisinde başlangıçta 0,18 mikron teknolojisi kullanıldı.

Pentium4 ün piyasaya sürümü ile acıklanan rambus RDRAM bellekler ile kullanbileceği özelliği, belirten belleklerin pahalı olması nedeniyle önemli bir sakınca idi. Kasım 2000 tarihinde 1,3GHz , 1,4GHz ve 1,5GHz hızlarına sahip işlemciler piyasaya sürülsede, belirtilen işlemcilerin soket 423 yapısını kullanmaları hataydı ve kısa süre içerisinde soket 478 yapısına geçiş yapıldı. İlk pentium4 işlemciler aynı çalışma frekansına ( hıza ) sahip athlon işlemcilerden ve pentium3 lerden daha düşük performans gösterse de, intel firması ilk Pentium4 işlemcileri ile hız konusundaki liderliğini tekrar ele geçirdi.

Pentium işlemcilerin karşılaştırılması

Pentium4 işlemcilerin yüksek çalışma hızlarını destekleyebilecek bir yapıya sahip olduğu iddia edilerek, Copermine çekirdek yapısında yapılan değişiklikler ile üretildi ( compermine mimarisi 2GHz e çalışma hızını destekliyebiliyordu ) Netburst olarak isimlendirilen yeni yapı, SSE2 olarak isimlendirilen komut setini destekliyor ve yeni yapının 10-15 GHzz e kadar kullanabileceği ifade ediliyor.
İntel, mikroişlemci pazarındaki rakibi AMD nin yakaladığı başarıyı Pentium4 mikroişlemcisinin sahip olduğu üstünlükler ile ele geçirmeye çalışıyor. Penium4 ü üstün yapan etkenlerden biri olan netburst çekirdek mimarisi, Pentium pro dan sonra gerçekleştirilen ilk model olma özelliği taşıyordu. İlk Pentium 4 lerde 0,18 mikron teknolojisi kullanılıyordu ve 42 milyon transistör içeriyordu.

Pentium4 işlemcilere kullanılan mimari yapılarını inceleyelim.

PENTİUM4 MİKROİŞLEMCİSİNDE KULLANILAN FARKLI VERSİYONLAR /ÇEKİRDEK YAPILARI

İlk üretilen netbust mimarisini takip eden pentium4 işlemcisi iki farklı çekirdek yapısı kullanılarak üretildi: 0,18 mikron williamette-çekirdek ve 0,13 mikron nortwood-çekirdek yapısına sahip işlemciler. Her iki çekirdek yapısına sahip işlemciler iki farklı soket yapısında; soket 423-pin PGA-423 ( soket 423 ) ve daha küçük 478-pin PGA-478 ( soket 478 ) üretilmelerinin yanında , üç frklı FSB hızında 400 MHz, 533 MHz ve 800MHz seçenekleri ile üretilmektedirler.

Williamette-Çekirdekli Mikroişlemciler

Wlliamette-çekirdekli pentium4 işlemciler 256KB L2 önbelleğe sahiptir ve 400 MHz FSB hızı kullanılmaktadır. williamette-çekirdekli işlemciler soket 423 vesoket 478 yapilarında 1,30-2GHz arasındaki çeşitli saat hızlarında üretildiler. williamette-çekirdekli işlemciler 42 milyon transistör içeriyordu ve 217 mm2 yüzey alanına sahipti.

Nortwood-Çekirdekli Mikroişlemciler

Nrtwood-çekirdekli Pentium4 işlemciler 512 KB L2 önbeleğe sahiptir. Ve 400/533/800 MHz FSB hızını kullanmaktadırlar. Yalnızca soket 478 yapısına sahip olan nortwood-çekirdekli mikroişlemciler 1,6-3,2 GHz arasında çok farklı hızlarda üretildiler ve yeni üretilecek işlemcilerinde buçekirdek yapısında üretilmesi planlanıyor. nortwood-çekirdekli mikroişlemciler ilk işlemciler 55 milyon transistör içeriyordu ve 146 mm2 yüzey lanına sahipti.

Prescott-Çekirdekli Mikroişlemciler ve Yeni Çekirdek yapıları

Pentium 4C ailesinin yeni yeni geliştirilen üyelerinden birisi i0,09 mikron teknolojisi ile üretilen ve 800 MHz FSB hızına sahip olan Prescott işlemcisi 16 KB L ve 1MB L2 önbelleğe sahip olan prescott’ta Hyber treading II’ desteğinin yanı sıra Prescott Iew Istructoon-PNI adında 13 komutluk yeni bir komut seti bulunuyor.

Prescott çekirdeği kullanan 533 MHz FSB hızında ve 256 K L2 önbelleğe sahip olacak celeronişlemciler celeronun ihityacını karşılayacağını düşünen kullanıcılar için piyasada uygun yapıda olacak.Prescott yapısından sonra Intel’in üreteceği yeni yapının adı Tejos olacak 775 pine, 24 KB L1 ve 1MB L2 önbelleğe 7.2 GHz çalışma hızını destekleyecek yapıyai8 yeni komutai 800 MHz/1200MHz FSB hızına sahip olacak Tejos işlemcilerde FSB hızının 1200MHz’e ve L2 önbelleğin 2 MB’a çıkarılması, yanında Dolby Dijital ve DVD Auidio özelliklerini desteklemesi bekleniyor.


YENİ MİKROİŞLEMCİLERDE KULLANILAN TEKNOLOJİLER

Hyper-Pipelined teknolojisi

Mikroişlemcili sistemlerde komutun işlenmesi sırasında gerçekleştirilen işlemler;

-Komutu al-getir,
-Komutun kodunu çöz
-İşlem yapacak adresi belirle
-Yapılması gerekli işlemleri gerçekleştir
-Sonuçları belleğe aktar

Hyper-pipelined teknolojisi iel Pentium III’lerde kullanılan 10 basamaklı pipeşine(kanal) komut işleme tekniği ikiye katlanıyor ve 20 vsamaklı pipeline tekniği kullanılıyor, daha çok basamaklı kanal işlemesi kullanılması; daha yükdsek çalışma hızlarının(saat frekansının) kullanımını sağlamasına karşılık, her bir saat frekansında daha az sayıda komut tamamlanmasına neden olmaktadır.

Geliştirilmiş Dallanma tahmini (Improved Branch Predicition)

Pentium 4 işlemcisi çok etkin dallanma-tahmim algoritması kullanması yanında dallanma işlemini ve bu işlemlerden elde edilen sonuçları saklamak amacıyla kullanılan ve dalama hedef tamponu olarak isimlendirilen 4KB belgeye/tampona sahiptirGeliştirilmiş BPU olarak isimlendirilen tekniğin bir unsuru olarak değerlendirilmektedir

400, 533 ve 800 MHz Sistem Yolu

P.III veya Althlon işlemcilerde eleştirlen hususlarda birisi ,işlemci ile bellek arasında iletişimde kullanılan hatları düşük hıza hıza sahip olmasıdır (133 MHz).Pentium 4 işlemciler kullanılan yolların hızı 10,133 ve 200 MHz olmasına karşılık; kullanılana özel teknikler (quad-pumped) ile yol hızı 400,533 veya 800 MHz ‘e çıkarılmaktadır.Özellikle intel tarafından kullanılan detaylı tamponlama(elaborate buffering) işlemi yardımı ile 400/533/800 MHz yol hızı uygulanabilmektedir

Hyper-Threading Teknolojisi(Çoklu Program İşleme teknolojisi)

Pentium ile birliktehyper-terading teknolojisi bir işlemcinin iki işlemci gibi kullanılmasını ve yapılacak işlemlerin iki ayrı noktaya yağılmasını sağlamaktadır.Bu yönetm ile kısa sürecek ve az bir işlem gücü ile halledilebilecek işlerin, işlemcinin bir anlık olsa tüm performansını kullanmasının önüne geçilmektedir.Bu teknolojiyi kullanan işlemciler tek bir işlemci çekirdeğinde iki ayrı mantıksal işlem birimine sahiptirler.İki mantıksal işlem birimi işlemcini kaynaklarını paylaşarak yapılması gerekli olan işlemleri gerçekleştirirler

Hyper-threading teknolojisine uygun işletim sistemi, hyper-treading teknolojisine sahip işlemciyi, birisi gerçek diğeri sanal olmak üzere iki ayrı işlemci olarak görmektedir.Bu işlemciler, sistemin iki katı hızla çalışmasını sağlamasada yapılacak işlemleri iki işlemcinin önüne sıralıyor.Bu yöntemle önbelleki veri yolu, vb. birimler iki sanal işlemci tarafından ortak kullanılmaktadır.Yapılan işlemleri gerçekleştirmek için iki işlem dizisi farklı işleme birimi kaynaklarını kullanır ve iki işlemci çekişme içerisinde olmadıklarından işlemci kaynaklarının kullanım yüzdesi yükselir.Performans olarak bazı uygulamalarda % 20-30 artıi sağlayan bu tekmnolojinin işlem gücüne katkı sağlayamadğı durumlarda oluşabilmektedir

Ön-Bellek Sistemi

Mikroişlemci içersinde gerçekleştirilen, işlemlerde sisteme yardımcı olan en önemli birim, komut ve verileri geçici veya kalıcı olarak saklamak amacıyla kullanılan bellek birimidir.Ön-bellek ile ilgili kontroller ve ön-bellekte bulunması gereken veriler ön-bellek denetleyicisi tarafından belirlenir.Mikro işlemcili sistemlerde ön-bellek birimi ilk başlangıçta küçük kapasitede(8K) ve işlemcinin dışında iken, yeni mikroişlemcilerde ön-bellek işlemcinin içersine yerleştirilmektedir.Ön-bellekler L1,L2,L3 olarak üç farklı gruba ayrılmaktadır.


AMD Tarafından Üretilen İşlemciler

2000’ li yıllara kadar mikroişlemci piyasasında Intel’ in çok büyük bir Pazar payına sahip olmasına karşılık Intel’ e rakip olan Motorola, IBM, v.b. firmalar ürettikleri mikroişlemciler ile çok küçük bir pazar payına sahiptiler. Cyrix, IDT, Haris, AMD v.b. firmalar ise intel uyumlu işlemciler üretmekteydiler.

Yukarıda anlatılanlar 1999 yılı sonunda AMD firmasının Athlon işlemcisini üretmesine kadar devam etti. AMD nin Intel’ in ürettiği işlemciler ile yarış yapacak işlemciler üretmesi (Athlon) bugün de devam eden bir rekabetin doğmasına neden oldu. Bu sayede biz de daha düşük fiyatlara daha hızlı işlemcilerle donatılmış PC leri kullanma şansı elde ettik. Bu rekabet olmasaydı belki de şu an hale 750 Mhz hıza sahip işlemcilerkullanıyor olurduk.

AMD Athlon ailesi

AMD Athlon ailesinin ilk üyesi 1999 yılında piyasaya sürülen ‘K7’ kod isimli işlemcidir. Bu ailenin ilk üyeleri katmai-çekirdek yapısına sahip Pentium 3 işlemcileri ile benzer veya özelliklere sahiptiler. ‘Athlon işlemcisi’ bugüne kadar kullanılan en geniş birincil ön belleğe(128 KB) sahipti. Ve enbanced-3D MMX komut setlerine destek veriyordu. Kullanılan yeni komut seti, 22 adet yeni komut içeriyor, işlemcinin oyunlarda ki performansını iki kata çıkarıyordu. Ve matematiksel işlemleri aynı hızda çalışan Pentium işlemcilere göre 1,5 kat daha hızlı yapabiliyordu. Athlon’ da 128KB birinci önbellek(L1), yanı sıra 512KB ikincil önbellek(L2) bulunuyordu. 128 KB L1 belleğe sahip Athlon’ lar 750 Mhz’ e kadar 0,25 ve 0,18 mikron teknolojisi ile üretildiler.

AMD firmasının ‘K7-Athlon’ işlemcisi, Pentium 3 ile karşılaştırıldı zaman bir çok üstün özelliğe sahiptir.

- Her bir saat saykılında Pentium 3 de 5 işleme karşılık 9 işlem gerçekleştirme kabiliyeti,
- İkiye karşılık 3 ‘integer pipeline’ ve 1 e karşılık 3 ‘floating point pipeline’ kapasitesi
- 32 KB a karşılık 128 KB L1 önbellek ve daha fazla sayıda kod çözücü,
- Saat sinyalinin yükselen ve düşen kenarlarında veri transferi sağlayarak daha hızlı FSB özelliği,

Yukarıda sayılan özellikler farklılıklar gösterse de Pentium 3 ve Athlon işlemcilerinin her birisi kendine özgü özelliklere sahiptir. Yüksek hızlarda L2 önbelleği nedeni ile ‘Coppermine-çekirdekli’ Pentium 3 işlemcisi öne çıkıyor.

K7 çekirdeği 0,18 mikron teknolojisi ile K75 çekirdek yapısı şekline dönüştürüldü. Bu işlemci de ‘Slot A’ paket yapısına sahip olarak üretildi.

AMD-750 işlemcileri ‘Slot-A’ yapısında üretilmeleri nedeni ile VIA KX133 chipsetleri ile 2000 yılının sonunda piyasaya sürülebildiler. Anakart üreticileri Pentium 3 lere uygun anakartlar üretirken, farklı nedenlerle Athlon işlemcilere uygun anakartları piyasaya sürmede çekingen davrandılar. Athlon işlemcilerin ‘Soket A’ yapısında üretilmelerinden sonra, anakart üreticileri piyasaya Athlon işlemcileri kullanan anakartlar sürmeye başladı.

İlk Athlon işlemciler çok yüksek güç tüketimine(60 W) sahiptiler.Bu nedenle anakart üreticileri oluşan yüksek ısı nedeniyle soğutmaya önem verdiler. Daha iyi ihtiyaca uygun güç kaynakları kullanmak ve soğutma ihtiyacını karşılamak zorundaydılar.

Intel işlemci yapısını ‘Slot 1’ yapısından ‘Soket 370’ yapısına değiştirirken, AMD’ de sattığı işlemcilerde ‘Slot A’ yapısından ‘Soket A’ yapısına değişim yaptı. 2000 yılı sonuna kadar ‘Soket A’ yapısına değişim tamamlanırken, AMD firması ‘Soket A’ yapısında 4 farklı Athlon işlemcisi üretti.( thunderbird, polomino,througbred ve barton)

AMD Athlon ailesi Duron mikroişlemciler

AMD firması, Celeron’ a karşılık olarak ‘Duron’ işlemcisini piyasaya sürdü. Duron işlemciler, AMD’ nin düşük fiyatla piyasaya girerek Intel’ in pazar payını artırmasına yardımcı olan Intel-Celeron işlemcilere AMD firmasının cevabı olarak düşünülebilir. Celeron dan daha iyi performansa sahip Duron işlemcilerde yapılan değişiklikler ile üretilen yeni Duron’ lara ‘Morgon’ ismi verildi. Bu işlemcinin en büyük özelliği, çekirdeğinin değiştirilerek ‘palomina’ çekirdek yapısının üretilmesi ve bu yeni yapının önemli bir performans artışı sağlıyor olmasıydı.

Genel hatları ile Duron’ u özellikleri kırpılmış Thunderbird’ e benzetebiliriz.Daha düşük veri transfer hızına ve daha küçük veri ön belleğine sahipti. İki modeli bulunmaktaydı. ‘Spitfire-çekirdekli’ ve ‘Morgon-çekirdekli’ Duron olmak üzere,

AMD Athlon MP mikroişlemciler

İlk Athlon işlemcileri çift-işlemcili işlemleri destekleyecek devrelere sahip olmasına karşılık bu özelliğin ‘AMD-760MP’ chipset leri tanıtılıncaya kadar kullanılması mümkün olmadı. 2001 yılında 760MP-temelli anakartların piyasaya sürülmesine karşılık pahalı olması ve çift güç kaynağı gerektirmesi ürünün yayılmasını engelledi. Ucuz ve standart güç kaynağı seçeneği ile piyasaya sürülmesi sonucu çift-işlemcili Athlon kartları yaygınlaşmaya başladı. Çift işlemci yapısını yaygınlaştıran yeni ürün ‘Athlon MP’ olarak isimlendirildi.

64 Bit’le Neler Değişecek?

Veriyolları, register’lar ve işlemci çekirdeği. Her şey değişecek. Ama tüm bunlarda çok daha önemlisi, 64 bit’le birlikte komut setlerinde de değişiklikler olacak. Bugün kullandığımız işlemciler, aslında programların içinde yer alan komutları çalıştırmıyorlar. Bu durumu açıklamak için biraz geriye gidelim ve neden böyle olduğunu anlatalım. Bundan 25 yıl önce Intel ilk işlemcisini tanıttığında, işlemci günümüzdeki bir hesap makinesinin gücüne bile sahip değildi. Ama bugün yapılan pek çok işlemin çok basit bir halini yapabiliyordu. Bu tür işlemlerin yapılabilmesi için Intel, yeni komutlar icat etmişti. 1986 yılına gelindiğinde, Intel’in 80286 işlemcisi (O zamanlar işlemciler sayılarla kodlanıyordu; Pentium, Athlon gibi isimlerle değil) 140 adet uzunlukları 8 ile 112 bit arasında değişen komut anlıyordu. Bu komutların uzunluğunun sabit olmaması ve tek seferde çok fazla görevi işlemciye yaptırmak istemesi nedeniyle CISC (Complex Instruction Set Computing–Karışık Komut Seti İle Hesaplama) adını aldılar. CISC tipi işlemciler, komutların ne kadar uzunlukta olduğunu bilemiyorlardı. Bir 16 bit uzunluğundaki komutu 100 bit uzunluğundaki bir komut takip edebiliyordu. Bu durumda, bir 100 bit’lik komut geldiğinde işlemci 32 bit’lik bir işlemci ise bu komutu kendi içine kabul ederken 32+32+32+4 bit şeklinde hafızadan alıyordu. Daha sonra tekrar bir 20 bit’lik komut geldiğinde bu komutu hafızadan alırken kullanabileceği 32 bit’lik veriyolunun kalan 12 bit’i kullanılmamış oluyordu. Aynı yıllarda, RISC tipi komutları kullanan işlemciler (RISC–Reduced Instruction Set Computing–Basitleştirilmiş Komut Seti İle Hesaplama), hep aynı uzunlukta komutlarla çalışıyorlardı. Hep 32 bit’lik komutlar geliyor ve bu komutlar çok basit işlemleri işlemciye yüklüyorlardı. Bir CISC tipi işlemcide, bir komut 4 ile 8’i çarp derken bir RISC tipi işlemcide 8+8+8+8 işlemi yaptırılıyordu. Yani 4 kez ard arda, 8 toplatılıyordu. Bu basitlik sayesinde RISC işlemcilerin ne olduğunu anlaması gereken komut sayısı daha azdı ve basit işlemleri çok daha çabuk tamamlayabildikleri için çok daha yüksek saat hızlarına çıkabiliyorlardı. Bazen de CISC komutları tamamen birbirine bağlı oluyorlardı. Örneğin, bir komut bir diğeri bitmeden kesinlikle çalıştırılamıyordu. Örneğin bir komut, benden önceki komutun cevabıyla şu sayıyı topla derse, ondan önceki komutun kesinlikle tamamlanması gerekiyordu. Bu nedenle de komutları aynı anda paralel kollardan işleyebilen bir işlemci çekirdeği yapmak çok zor hale gelmişti. En sonunda 1998 yılında Intel Pentium PRO işlemcisinin içinde eski CISC komutlarını RISC tipi komutlara çeviren ve içeride RISC tipi bir işlemci çekirdeğini kullanan bir çekirdek dizayn etti. İşlemci dışarıdan 8-112 bit arasında değişen komutları aldığında bunlar her biri 108 bit uzunluğunda olan özel komutlara çeviriyordu. Bu komutlara Intel micro-op ismini taktı. Üstelik micro-op’lar komutların birbirinden bağımlı olma durumunu da ortadan kaldırıyordu. Her komut bir başkasından bağımsızdı. Ve bir diğerinin sonucunu beklemiyordu. Tıpkı RISC komutları gibi. İşlemci çekirdeği, aynı anda 6 adet micro-op’u çalıştırabilir hale geldi. Micro-op komutları, istenildiği gibi, hep aynı uzunluktaydılar. Ve RISC komutları gibi onlar da birbirilerinden bağımsız çalışabiliyorlardı. Ama ortada halen bir problem vardı. CISC komutlarından bazıları o kadar karışıktı ki, yerlerine, ancak onlarca micro-op kullanıldığında, işlem tamamlanıyordu. Örneğin tek bir CISC komutu, 7 ve 8’i çarp daha sonra bunu X adresindeki şu rakamla karşılaştır dediğinde. Önce çarpa işlemini yapan bir micro-op daha sonra, hafızadan gerekli rakam’ı bulan bir başka micro-op ve daha sonra da karşılaştırma işlemi için başka bir micro-op kullanılıyor. Bazen de bu tür bir CISC komutunun istediği bir işlem için onlarca micro-op gerekebiliyordu. En iyi durumda bile bir CISC komutu iki micro-op komutu ile yer değiştirirdi. Örneğin Pentium4 ortalama olarak her CISC komutu için dört adet mikro-op üretiyor. Bu rakam Athlon çekirdeğinde 3 micro-op’a iniyor. Biz belki elimizde 1,5 GHz’de çalışan bir işlemcimiz olduğunu sanabiliriz. Ama her bir komut için birden çok micro-op kullanılması nedeniyle –örneğin- Athlon’un pipeline’ı %33 verimli, P4’ün pipeline’ı ise %25 verimli sayılıyor. Yani 1.5 GHz’de çalışan bir işlemciniz varsa. Potansiyel olarak, tek pipeline üzerinde, saniye de 1.5 milyar adet komutu işleyebilir. Ama asıl komutların micro-op’lara çevrilmesi yüzünden, gerçekte programların içinde var olan 500 milyon ya da daha az komutu işlemiş oluyor. Elbette bu rakamlar sadece teorik ve bugünün işlemleri içinde birden çok komut aynı anda işleyebiliyorlar. 64 bit’lik işlemcilerde bu tür problemler ortadan büyük ölçüde kalkıyor. Eğer siz işlemcide yeni nesil 64 bit’lik komutlar kullanırsanız, o zaman, işlemci ne komutları daha basit komutlara çevirmek için uğraşıyor ne de komutlar boşu boşuna kayba neden oluyor. İşlemci her saat frekansında (cycle’da), bir komut işleme şansına sahip oluyorlar.

İlk 64 bitlik mikroişlemciler,’IA-64’ veya ‘Itanium’adı ile 1999 yılında gündeme geldi.32 bitlik işlemcilerin ev kullanıcıları için yeterli görülmesi nedeni ile; HP ve Intel’in ortak çalışması olarak sunulan ‘Itanium’ , sunucu sistemler için geliştirildiği hedef ile sunucu pazarındaki Alpha, Sun Sparc, Motorola Power PC, ve bunun gibi işlemcilere rakip olarak piyasaya sürüldü. Sunucu sistemler için tasarlanması nedeni ile Intaniuım işlemcilerde X806 mimarisi ile uyumluluk ideali yerine, tamamen farklı bir işlemci tasarımını geliştirmek ve bunu standart olarak kabul ettirmek i deali taşınıyordu
‘İtanium’ ile tanıtılan yeni mimari de, İntel’in geliştirdiği ‘Explicity Paralel Instruction Computing Epic’ olarak isimlendirilen ve işlemcinin aynı anda birden çok isteğe cevap vermesine olanak tanıyan farklı bir mimari kullanılır. Bu işlemcide komutlar ek bitlerle birlikte işleniyor ve işlenen ek bitler yardımı ile işlemcinin dahafazla komut adreslemesi sağlanırken, bu adreslerden hangilerinin paralel bir çalışmaya tabi tutulacağı belirleniyor. Bu özellik yardımı ile, paralel işlemlere cevap verebilmesi özelliği ile birlikte birden çok ‘Itanium’ işlemcisi ile bağlantı kurabilmesi kabiliyeti sağlanıyor.

Itanium işlemcisini takiben, Itanıiun serisini ikinci nesil üyesi olan ‘McKinley’ daha yüksek bant genişliği, fonksyonellik ve daha hızlı L3 ön bellek vb. yeni özelliklerle piyasaya sürüldü. McKinley’ yapısına sahip işlemciler, RISC mimarisi kullanan IBM Power 4 ve Sun Ultrasparc 3 işlemcilerine rakip olarak kabul edilen ‘Modison’ işlemcisinin tanıtılması ileçok yaygın kullanılamadı. ‘McKinley’ işlemcisinden dahayüksek performansa sahip ‘Madison’ işlemcisi 0,13mm ve bakır teknolojileri kullanılarak üretiliyor ve 6 MB’lık L3 ön bellek içeriyor. ‘Intanium’ serisinin ilk iki neslinin çok fazla Pazar payı bulamamasının sebebi olarak tanıtımın yeni olması ve İntel’in amacının piyasanın 3. nesil ‘Itanium’ işlemcilere hazırlık yaparak en yüksek performansı 3. nesil ile piyasaya hazırlaması söyleniyor.
Intel’in yeterli yazılım desteği bulunduğu vakit 32 bit çip üretimini bırakıp 64 bit 'e geçebileceklerini 2004 duyurmuştu.

AMD firması 64 bit işlemci olarak ‘X86-64’ veya ‘Hammer’ olarak isimlendirilen 32 bit ve 64 bit işlem yapabilme kapasitesine sahip mikroişlemciyi piyasaya sürdü. Athlon işlemcilere göre daha fazla komuta sahip ‘Hammer’ işlemcisinde 12 basamaklı pipeline tekniği kullanılıyordu. AMD’nin 64 bit teknolojisine sahip işlemcilere kod adı olarak verilen ‘Hammer’ genel bir tanımlama yapıyor ve bir çok alt elemanı içeriyordu. ‘Opteron’ işlemcisi 0,13 mikron teknolojisi ile üretilirken , 2004 yılı içerisinde 0,09 mikron teknolojisi kullanılan Athlon ve Athens işlemcilerinin piyasaya sürülmesi bekleniyor. AMD tarafından üretilen 64 bit Athlon işlemcileri 3 modele sahip: Athlon 64 , Athlon 64 mobile ve Athlon 64-FX

Ofis uygulamalarını çalıştırmak, DVD seyretmek, CD yazmak, vb. işlemler için 32 bitlik işlemcilerin mimariyi desteklemelerine karşılık; yüksek performanslı sunucu sistemleri, veri tabanı sistemleri ve CAD uygulamaları için 64 bit seçeneği uygun bir seçim olarak görülmektedir.

Intel tarafından üretilen ve ‘Prescott’ çekirdeğine sahip olan Pentium 4 işlemcilerin sadece 32 bit mimariyi desteklemesine karşılık, AMD tarafından geliştirilen Athlon 64 bit işlemcisi 32 bit yazılımları yanı sıra 64 biite göre hazırlanmış yazılımları çalıştırma özelliğine sahiptir. Ayrıca chipset’lerde kuzey köprüsü olarak isimlendirilen ve bellek denetimlerinde kullanılan birim işlemcinin içerisine yerleştirilmiştir. Bu özellikle 12 basamaklı pipeline destekleyebiliyor ve DDR 266 veya DDR 333 belleklere doğrudan erişim sağlanabiliyor.

Intel’in yeterli yazılım desteği bulunduğu vakit 32 bit çip üretimini bırakıp 64 bit 'e geçebileceklerini 2004 duyurmuştu

Eski ve Yeniyi Birleştirmek

Intel’in amacı basitçe, eski eski 32 bit’lik ve 16 bit’lik komutlardan kurtulmak da olsa, AMD, 64 bit’e geçişi daha farklı ele alıyor. Intel’in Itanium’u da eski yazılımları üzerinde çalıştırabiliyor ama son derece düşük hızlarda... Itanium sadece büyük işlerde kullanılmak üzere yapılmış bir işlemci. Bu işlemciyi kullanacak bir sistemde sadece işlemcinin fiyatı binlerce doları buluyor. Bir Itanium server’ının fiyatı en az 8 bin dolar civarında. Ve masaüstüne koyabileceğiniz tek bir model bile yok. Intel Itanum ve yeni 64 bit’lik işlemcilerinin, masasüstüne inmesini şimdilik istemiyor.

AMD ise, Athlon’dan sonra süreceği SledgeHammer kod isimli işlemci ile hem masaüstlerine hem de server’lara yönelebilecek. Sledgehammer piyasaya sürüldüğünde sadece 64 bit’te değil; 32 bit’lik işlemciler arasında da en hızlısı olacak. Üstelik Sledgehammer, yeni veriyolu mimarisi sayesinde, inanılmaz bir ölçeklenebilirliğe (scalability) sahip. Bu da AMD’nin çok daha agresif bir plana sahip olduğunu gösterir. Asıl problem 5 yıllık bir gelecek içerisinde hangi 64 bit’lik mimarinin kabul göreceği. Eğer Intel ya da AMD, 64 bit konusunda liderliği hangi firma ele alırsa, o takdirde geleceğin sahibi de o olacak.

Hammer Ailesinin Ayrıntılı İncelenmesi


“Hammer” mimarisi, kolayca büyütülebilen sistemlerin kurulabildiği bir mimari. Aslında Kasım 1999 tarihine kadar Hammer ailesi için iki tasarım ekibi bulunuyordu. Bu ana kadar yapılan çalışmaların farklı iki ekip tarafından yapıldığını Amerikan Patent Dairesi (United States Patent and Trademark Office: http://www.uspto.gov) sayesinde takip edebiliyorduk. Tasarım ekiplerinden birinin tasarım şefi Jim Keller’ın AMD’den ayrılmasıyla, bu ekiplerden birinin yürüttüğü çalışma durduruldu. Hayatta kalan ekip, işlemcinin geometrik büyüme yapabilmesini ve işlemcinin içinde iki çekirdeği yer almasını prensip olarak kabul etmişti. Hammer platformu bundan böyle sadece işlemcilerin içindeki çekirdeklere dayalı, ve inanılmaz. bir genişleme kabiliyetine sahip bir tasarıma sahip olacaktı

Bu ekip, K8’in içerisinde iki adet işlemci çekirdeği bulunmasına ve bu çekirdeklerin istenildiğinde tek bir çekirdek gibi çalışıp, 64 bit’lik komutları işletmesine karar verdi. Bu felsefe daha önce de Intel tarafından denenmiştir. Intel ilk Pentium ailesinde iki adet ALU (Arithmetic Logic Unit) kullanmıştır. Bu ALU’lar aynı anda iki komutu yürütmeye (process) etmeye yarıyordu. Fakat kimi durumlarda Pentium ile birlikte gelen bazı özel komutlar için bu iki pipeline birleşip birlikte tek bir pipelinemış gibi çalışıyordu. Aynı felsefe daha Hammer ile birlikte de olacak. Hammer 32 bit’lik komutları çalıştırırken aynı ALU’ların birleşmesiyle, 64 bit’lik bir işlemci haline dönüşecek. Aynı işlemci içerisinde birbirinden bağımsız olarak çalışan iki çekirdek olması elde edilebilecek en yüksek paralelliği sağlıyor. Bir işlemcide komutlar, pipeline adı verilen ve komutların isteklerinin safha safha yapıldığı işletme ünitelerinde çalıştırılır. Bu pipeline’larda komutlar ard arda yürüyen askerler gibi, birbiri ardına işlemcinin çekirdeğine girer. Bu komut çalıştırma işinin hızlandırılması için iki şey yapılabilir. Ya daha hızlı çalışan bir pipeline’lar ya da birden fazla pipeline’ı yan yana koyarak, paralel çalıştırma sağlanabilir. Hammer ailesinin ile üyesinde yan yana 9 adet pipeline bulunmaktadır. Bunlardan üçü matematiksel hesaplamalara ve multimedia komutlarının işletilmesine ayrılmıştır. Bu sayı Athlon’da yedi ile sınırlıdır. AMD’nin eski ve yeni nesil işlemcilerinin pipeline’ları farklı olacak. Hammer değişken uzunlukta bir pipeline’a sahip. Eğer bir komutun işlenme süreci erken biterse, komut pipeline’dan erken çıkabilir. Oysa eski Athlon mimarisinde komutlar tüm safhalardan geçmek zorundalar. Hammer ailesinde pipeline’lar Athlon’lara göre daha derindir. Bunun iki nedeni var. Öncelikle, komutların dizimi ve farkı çekirdeklerde işlenmiş ama aynı işlemin sonuçlarıyla ilgilenen komutların düzenlenmesinin yapılması ve de hızı daha rahat arttırabilmektir. Eğer bir pipeline’daki safhaların sayısını arttırırsanız o pipeline’ın daha hızlı çalışmasını sağlayabilirsiniz. Zira bazen bir komutun değerlendirilmesi ve işleminin bitmesi gerektiğinde, sıradaki diğer komutlar onu bekler. Bu durumu engellemek için sıkça sorun olan safhayı iki ya da daha fazla safhaya bölersiniz. Bu sayede komutların işlemleri, pipeline’ların bir safhasında takılıp kalmayacağından problem olmadan ilerlemeye devam eder. Sonuçta ilk çıkacak olan Clawhammer kod isimli işlemci paralelliği çok sayıda pipeline’ı yan yana kullanarak sağlamaktadır.

İşlemcinin ana hatları belirlenmiş durumda. AMD uzun zamandan beri işlemci üzerinde nasıl programlama yapacağınızı anlatan teknik dokümanlar sunuyor. Bir de yeni işlemcinin bir simülasyonunu yapan program mevcut. İşlemci yan tarafta gözüken ilemci modelindeki gibi aslında iki bağımsız çekirdek mantığıyla çalışıyor.