Mikroişlemci

Mikroişlemci (genellikle kısaltma olarak µP kullanılır), bir merkezî işlem biriminin (CPU) tüm mantıksal ve aritmetik işlevlerini tek bir yarı iletken tümleşik devrede (entegre devre / IC) toplayan programlanabilir sayısal bir elektronik bileşendir. Mikroişlemciler; kişisel bilgisayarlarda, sunucularda, mobil cihazlarda ve endüstriyel gömülü sistemlerde ana hesaplama ve denetim birimi olarak görev yapar.

1970'lerin başında tümleşik devre teknolojisinin gelişmesiyle mikrobilgisayarların ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu dönemden önce işlemciler, çok sayıda ayrık transistörden ya da küçük ölçekli tümleşik devrelerden (SSI) oluşan büyük elektronik kartlar biçiminde üretilmekteydi. Milyonlarca transistörün tek bir silikon yonga üzerine sığdırılması (Büyük Ölçekli Tümleşim - LSI ve VLSI), üretim maliyetlerini düşürürken bilgi işlem hızını ve enerji verimliliğini kayda değer ölçüde artırmıştır.

Mikroişlemcilerin performansı ve bileşen yoğunluğu, uzun yıllar boyunca Moore Yasası ile paralellik göstermiştir. Bu yasa, bir yonga üzerindeki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir iki katına çıkacağını öngörmektedir. 1970'lerden günümüze mikroişlemciler, süper bilgisayarlardan küçük ev aletlerine kadar modern bilişim altyapısının temel yapı taşı haline gelmiştir.

Mikroişlemcinin icadı sürecinde üç bağımsız proje öne çıkmıştır: Intel 4004, Texas Instruments TMS 1000 ve Garrett AiResearch'ün Central Air Data Computer (CADC) sistemi.

1968'de Garrett AiResearch, ABD Donanması'nın F-14 Tomcat savaş uçağı için ana uçuş kontrol bilgisayarını geliştirmekle görevlendirildi. 1970 yılında tamamlanan tasarım, MOS tabanlı MP944 yonga setini kullanmaktaydı. Mekanik sistemlere göre daha küçük ve güvenilir olan bu yonga seti öncü F-14 modellerinde kullanılmış; ancak askeri gizlilik gerekçesiyle varlığı 1997 yılına kadar kamuoyuna açıklanmamıştır.

Texas Instruments (TI), gömülü uygulamalar için tasarladığı 4-bitlik TMS 1000 modelini geliştirdi. 17 Eylül 1971'de duyurulan TMS1802NC varyantı, tek bir yonga üzerinde hesap makinesi işlevlerinin tamamını yerine getirebilmekteydi.

Federico Faggin, Ted Hoff ve Stanley Mazor öncülüğünde geliştirilen 4-bitlik Intel 4004 ise 15 Kasım 1971'de ticari olarak piyasaya sürüldü ve genel amaçlı programlanabilir ilk tek çipli mikroişlemci olarak geniş kabul gördü.

Texas Instruments adına Gary Boone, tek çipli mikroişlemci mimarisi için 4 Eylül 1973'te U.S. Patent 3,757,306 numaralı patenti aldı. Mikroişlemci çekirdeği, bellek ve giriş/çıkış (G/Ç) hatlarını tek bir yongada toplayan tek yongalı mikrobilgisayar (günümüzdeki adıyla mikrodenetleyici) patenti ise Gary Boone ve Michael J. Cochran adına tescillendi (U.S. Patent 4,074,351).

Intel, Computer Terminals Corporation (sonradan Datapoint) için tasarladığı bir terminal işlemcisini Datapoint'in projeden vazgeçmesi üzerine Nisan 1972'de 8008 adıyla piyasaya sürdü. Bu ürün, dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisi oldu ve modern mikroişlemci pazarının temellerini atan 8080 modelinin öncülüğünü yaptı.

1972'de piyasaya çıkan Intel 8008'in ardından, daha gelişmiş komut setlerine ve saat hızlarına sahip Intel 8080 (1974) ve Federico Faggin tarafından kurulan Zilog firmasının ürettiği Zilog Z80 (1976) pazara girdi. Motorola ise Ağustos 1974'te 6800 modelini tanıttı. 1975'te Chuck Peddle liderliğinde geliştirilen ucuz ve verimli MOS Technology 6502, Z80 ile birlikte 1980'lerin başında yaşanan "ev bilgisayarı devrimi"nin (Commodore 64, Apple II, Atari 8-bit serisi) donanım temelini oluşturdu.

Western Design Center (WDC), 1982'de düşük güç tüketen CMOS tabanlı 65C02'yi tanıttı. Motorola ise 1978'de doğrudan silikon üzerine işlenmiş mantık devreleriyle üretilen MC6809'u sundu.

RCA firmasının ürettiği RCA 1802 (COSMAC, 1976), uzay araştırmalarında tercih edildi. Düşük güç tüketimi ve safir tabakalı silikon (SOS) üretim tekniği sayesinde kozmik radyasyona karşı dirençli olan bu yonga, NASA'nın Voyager ve Galileo uzay araçlarında görev yapan ilk radyasyon dayanımlı mikroişlemcilerden biri oldu.

National Semiconductor, 1973 yılında çok yongalı IMP-16'yı, 1975 yılında ise ilk tek yongalı 16-bit mikroişlemci olan PACE'i geliştirdi. Texas Instruments ise TI-99/4A ev bilgisayarlarında ve endüstriyel sistemlerde kullanılan 16-bit TMS 9900 modelini üretti.

WDC, 1984 yılında 6502'nin 16-bit sürümü olan 65816'yı geliştirdi; bu işlemci Apple IIGS ve Super Nintendo Entertainment System (SNES) konsollarında ana işlemci olarak yer buldu.

Intel, 1978 yılında x86 mimarisinin temelini atan 16-bit Intel 8086 modelini tasarladı. 1981 yılında piyasaya sürülen ilk IBM PC (Model 5150) modelinde maliyet tasarrufu amacıyla 8086'nın harici 8-bit veri yoluna sahip varyantı olan Intel 8088 tercih edildi. 8086 ve 8088'in yakaladığı pazar payı; Intel'in sırasıyla 80186, 80286 ve ardından 32-bit mimariye geçişi sağlayan 80386 modelleriyle kişisel bilgisayar endüstrisindeki konumunu pekiştirmesini sağladı.

Motorola'nın 1979'da geliştirdiği MC68000 (68k), 32-bit iç mimariye, yazmaçlara ve 16-bit harici veri yoluna sahipti. Uygun maliyeti, geniş adresleme kapasitesi (16 MB) ve hızı sayesinde Apple Macintosh, Commodore Amiga, Atari ST ve Sega Genesis gibi birçok platformda ana işlemci olarak kullanıldı.

Dünyanın ilk tam 32-bitlik tek yonga mikroişlemcisi (32-bit veri yolu, veriyolu mimarisi ve adresleme), AT&T Bell Laboratuvarları tarafından geliştirilen ve 1982'de tam üretime geçen BELLMAC-32A (sonraki adıyla WE 32100 / 32200) oldu. Bu işlemciler Unix tabanlı mini sistemlerde kullanıldı.

Intel'in 1981'deki ilk 32-bit denemesi olan iAPX 432 ticari açıdan beklenen başarıyı gösteremedi. Şirket, 1985 yılında çıkardığı Intel 80386 ile x86 komut kümesini tam 32 bite (IA-32) genişletti ve geriye dönük uyumluluk sayesinde PC pazarındaki hâkimiyetini sürdürdü.

Motorola, 68000 ailesini tam 32-bit veri ve adres hatlarına sahip MC68020, dâhili bellek yönetim birimi (MMU) içeren MC68030 ve matematik işlemcisi (FPU) entegre edilmiş MC68040 modelleriyle güncelledi. Bu aile, 1990'ların ortalarından itibaren kişisel bilgisayar pazarında yerini PowerPC ve x86 sistemlerine bıraktı.

64-bit mikroişlemciler 1990'ların başından itibaren MIPS, SPARC, Alpha ve Power mimarileriyle süper bilgisayarlarda ve yüksek başarımlı iş istasyonlarında kullanılmaktaydı.

Tüketici odaklı kişisel bilgisayar pazarına 64-bit geçiş, AMD'nin Eylül 2003'te tanıttığı ve x86 mimarisini geriye dönük uyumlulukla genişleten AMD64 (x86-64) mimarisiyle hız kazandı. Intel, bu mimariyi EM64T (Intel 64) adıyla kendi işlemcilerine uyarladı. 64-bit mimari; yazmaç boyutlarını genişleterek ve 4 GB olan 32-bit fiziksel adresleme sınırını kaldırarak kurumsal ve son kullanıcı işletim sistemlerinde (Windows XP x64, 64-bit Linux türevleri) standart hâline geldi.

İşlemcilerde saat frekansını artırma yöntemi, yüksek güç tüketimi ve termal sınırların (ısınma problemleri) zorlanması nedeniyle 2000'lerin ortalarında tıkanma noktasına geldi. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla üreticiler, tek bir silikon yonga içerisine birden fazla bağımsız işlem çekirdeği yerleştirme yoluna gitti.

Çok çekirdekli işlemcilerde her çekirdek ayrı bir işlem birimi gibi çalışır. Seviye 2 (L2) veya Seviye 3 (L3) önbellek ve bellek denetleyicisi gibi birimler çekirdekler arasında paylaştırılabilir. 2005 yılından itibaren çift çekirdekli (Dual-Core), ardından dört (Quad-Core) ve daha fazla çekirdekli modeller hem sunucu hem de son kullanıcı pazarlarında yaygınlaşmıştır.

İşlemcilerin mantıksal tasarımında komut kümesi mimarileri iki temel yaklaşıma ayrılır:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Tek bir komutla bellek erişimi ve aritmetik işlemleri bir arada yürütebilen, değişken uzunluklu komut yapısına sahip mimaridir. Donanım düzeyinde karmaşıklık içerir; ancak program yazımında az satır ve düşük bellek tüketimi hedefler. x86 mimarisi CISC kökenlidir.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): 1980'lerin başında geliştirilen bu yaklaşım, komutları sabit uzunlukta ve basit tutarak her çevrimde bir komut yürütmeyi hedefler. MIPS, SPARC, DEC Alpha, PowerPC ve özellikle modern akıllı telefonlar ile taşınabilir cihazların omurgasını oluşturan ARM, RISC mimarisinin yaygın örnekleridir.

Mikroişlemciler donanımsal yapılarına, işleme yöntemlerine ve hedeflenen kullanım alanlarına göre çeşitli ölçütlere dayanarak sınıflandırılır.

• Tek çevrimli (Single-cycle) işlemciler: Her makine komutunun tek bir saat çevriminde tamamlandığı en yalın işlemci tipidir. Sistemin saat frekansı, yürütülmesi en uzun süren komutun gecikmesine göre belirlenir.
• Çok çevrimli (Multi-cycle) işlemciler: Komutların iş mantığı alt adımlara bölünür. Her adım bir saat çevriminde yürütülür; böylece kısa süren komutlar daha az çevrimde tamamlanabilir.
• İş hattı kullanan (Pipeline) işlemciler: Bir komutun yürütülme aşamaları (komut getirme, kod çözme, yürütme, bellek erişimi ve geri yazma) bir montaj hattı gibi parçalanır. Her saat çevriminde hatta yeni bir komut girer; bu sayede birim zamanda yürütülen komut sayısı artar.
• Superscalar işlemciler: Tek bir saat çevriminde birden fazla bağımsız komutu eşzamanlı olarak işleyebilmek için paralel yürütme birimleri (ALU, FPU vb.) barındıran mimaridir. Komutların bağımsızlık durumuna göre sırayla değil, dinamik olarak (sırasız yürütme - out-of-order execution) işlenmesine imkân tanır.

• Genel Amaçlı İşlemciler (CPU): Kişisel bilgisayarlar, sunucular ve dizüstü bilgisayarlarda geniş bir yazılım yelpazesini yürütmek üzere tasarlanmış karmaşık yongalardır.
• Mikrodenetleyiciler (MCU): İşlemci çekirdeği, RAM, ROM/Flash bellek ve giriş-çıkış portlarını tek bir kılıfta barındıran, otomotivden beyaz eşyaya kadar gömülü kontrol sistemlerine yönelik entegre devrelerdir.
• Özel Amaçlı İşlemciler:
  • Sayısal işaret işleyiciler (DSP): Ses, görüntü ve telekomünikasyon gibi analog/sayısal sinyalleri gerçek zamanlı işlemek üzere optimize edilmiş matematiksel hızlandırıcılardır.
  • Grafik işlem birimi (GPU): Yüksek düzeyde paralel matris ve vektör hesaplamaları yapabilen, grafik oluşturma ve yapay zekâ model eğitiminde kullanılan özel işlemcilerdir.

• Merkezî işlem birimi (CPU)
• Mikrodenetleyici
• Grafik işlem birimi (GPU)
• Moore yasası
• Karmaşık komut setli bilgisayar (CISC)
• Azaltılmış komut kümesi bilgisayarı (RISC)

Wikimedia Commons'ta Mikroişlemci ile ilgili ortam dosyaları mevcuttur.

• CPU-World – Mikroişlemci teknik veritabanı ve fotoğrafları
• Great Microprocessors of the Past and Present – Tarihsel CPU mimarileri analizi