Betül Türkmen

Puan:2.5K

Bilgisayarda Aritmetiksel İşlemleri Yapan ve Sonuçlandıran Kısım Nedir?

Bir bilgisayarda toplama, çıkarma, çarpma, bölme gibi aritmetiksel işlemleri yapan ve bu işlemleri sonuçlandıran temel donanım bileşeni Merkezi İşlem Birimi (CPU – Central Processing Unit) içinde yer alan Aritmetik ve Mantık Birimi (ALU – Arithmetic Logic Unit)‘dir. CPU’nun “hesap yapma beyni” olarak da tanımlayabileceğimiz ALU, bilgisayarın yaptığı tüm matematiksel hesaplamalardan ve karşılaştırma işlemlerinden sorumludur.Bu yazıda, ALU’nun ne olduğunu, nasıl çalıştığını, CPU içindeki diğer birimlerle (kontrol birimi, register’lar) ilişkisini ve bilgisayarın genel işleyişindeki kritik rolünü tüm detaylarıyla ele alacağım.Merkezi İşlem Birimi (CPU) Nedir? Bilgisayarın “Beyni”CPU, bilgisayarın tüm hesaplama, mantıksal karar verme ve veri işleme görevlerini yerine getiren merkezi donanım bileşenidir. Genellikle bilgisayarın “beyni” olarak anılır . CPU, bellekten (RAM) aldığı komutları (talimatları) yorumlar, bu komutlar doğrultusunda gerekli işlemleri yapar ve sonuçları tekrar belleğe veya ilgili çıkış birimlerine gönderir.CPU kendi içinde üç ana birimden oluşur :Aritmetik ve Mantık Birimi (ALU – Arithmetic Logic Unit): Aritmetik (toplama, çıkarma, çarpma, bölme) ve mantıksal (AND, OR, NOT, karşılaştırma) işlemleri yapan kısımdır.Kontrol Birimi (CU – Control Unit): Bellekten komutları (talimatları) getiren, bu komutları çözümleyen (decode eden) ve ALU ile diğer birimlere hangi işlemi yapacaklarını söyleyen sinyalleri üreten kısımdır.Register’lar (Kaydediciler): CPU içinde çok hızlı erişilebilen, geçici olarak veri, adres veya komut saklamaya yarayan küçük bellek hücreleridir .Aritmetik ve Mantık Birimi (ALU): İşlemi Fiziksel Olarak Yapan DevreALU, CPU’nun içinde toplama, çıkarma, çarpma, bölme gibi aritmetik işlemler ile AND, OR, XOR, NOT, karşılaştırma (büyüktür, küçüktür, eşittir) gibi mantıksal işlemleri gerçekleştiren dijital elektronik devredir . Bilgisayarın yaptığı “hesaplama” denilen eylemin fiziksel karşılığı, ALU içindeki transistörlerin açılıp kapanmasıyla oluşan elektriksel sinyallerdir.ALU Nasıl Çalışır?ALU’nun çalışması, Kontrol Birimi (CU) tarafından gönderilen sinyallerle başlar. Süreç kabaca şu şekilde işler :Komut Getirme (Fetch): Kontrol Birimi, bellekte (RAM) sıradaki komutun adresini alır ve bu komutu bellekten alıp CPU’nun içindeki bir komut register’ına (Instruction Register) yükler.Komut Çözme (Decode): Kontrol Birimi, komut register’ındaki bu komutu çözer (decode eder). Bu komut, “Şu adresteki iki sayıyı topla” gibi bir talimat içerir.Verileri Getirme (Read): Kontrol Biriminin talimatıyla, işleme girecek veriler (operandlar) bellekten veya register’lardan ALU’ya gönderilir. Bu veriler genellikle geçici olarak “Accumulator (ACC)” gibi özel bir register’da tutulur .Yürütme (Execute): ALU, kendisine gelen bu iki veri üzerinde, Kontrol Birimi tarafından belirtilen işlemi (toplama, çıkarma, AND vb.) gerçekleştirir. Bu işlem, tamamen transistörlerden oluşan lojik kapılar (AND, OR, NOT, XOR kapıları) ve yarım/tam toplayıcı devreleri sayesinde yapılır .Sonucu Yazma (Write Back): ALU tarafından üretilen sonuç, tekrar bir register’a (genellikle ACC) veya doğrudan belleğe (RAM) yazılır . Sonuç, bir sonraki komutta kullanılmak üzere register’da bekleyebilir veya ekrana gönderilmek üzere bellekte saklanır.ALU’nun Sınırları: Bit GenişliğiBir ALU’nun aynı anda işleyebileceği veri miktarı, onun bit genişliği ile belirlenir. Örneğin, 8 bitlik bir ALU, bir seferde 0 ile 255 arasındaki sayıları işleyebilir . 32 bitlik bir ALU, 0 ile yaklaşık 4,3 milyar arasındaki sayıları işleyebilir . Günümüz bilgisayarları genellikle 64 bitlik işlemcilere (ve dolayısıyla 64 bitlik ALU’lara) sahiptir. Bu, işlemcinin bir seferde 64 bitlik (yani 8 byte) veriyi işleyebileceği anlamına gelir . Büyük sayılarla veya yüksek hassasiyetle çalışmak (örneğin ondalıklı işlemler) genellikle birden fazla ALU döngüsü gerektirir ve “Kayan Nokta Birimi (FPU)” adı verilen özel bir ALU yardımcısı tarafından yapılır .Kontrol Birimi (CU): ALU’nun “Orkestra Şefi”ALU işlemi fiziksel olarak yapan birim olsa da, ne yapacağını bilmez. Ona ne yapacağını söyleyen birime Kontrol Birimi (Control Unit – CU) denir . Kontrol Birimi, “orkestra şefi” gibi düşünülebilir: Orkestra üyelerine (ALU, register’lar, bellek) hangi nota (komut) ne zaman çalınacağını söyler . Ayrıca, programın talimatlarını sırayla almak için bir Program Sayaç (PC – Program Counter) adlı özel bir register kullanır . CU, ALU’ya hangi işlemi yapacağını söyleyen sinyalleri (topla sinyali, çıkar sinyali, AND sinyali gibi) üretir.Register’lar: CPU’nun Sıfır Gecikmeli HafızasıALU ve CU’nun çalışması için çok hızlı bir ara depolama alanına ihtiyacı vardır. Bu amaçla kullanılan, CPU’nun içinde bulunan küçük ve son derece hızlı bellek birimlerine register (kaydedici) denir . RAM’den bir veriyi okumak için gereken süreler içinde ALU boş beklemek zorunda kalırdı. Register’lar bu bekleme süresini ortadan kaldırarak ALU’nun tam hızda çalışmasını sağlarlar.En önemli register’lardan bazıları şunlardır:Accumulator (ACC): ALU işlemi sonucunun geçici olarak saklandığı ana register’dır.Program Counter (PC): Bir sonraki getirilecek komutun bellekteki adresini saklar. Bu register’ın değeri genellikle her komut getirmeden sonra artar.Instruction Register (IR): Bellekten son getirilen komutun kendisini (opcode + operand adresi) saklar. Kontrol Birimi bu register’daki komutu çözer (decode eder).Adres Register’ı ve Veri Register’ı (MAR/MDR): Bellek ile CPU arasındaki iletişimi sağlarlar. MAR (Memory Address Register) okunacak adresi tutar, MDR (Memory Data Register) ise adresten okunan veriyi veya yazılacak veriyi tutar .Gerçek Dünyada ALU: Biraz Tarihçeİlk tek çipli işlemci (CPU) olarak kabul edilen Intel 4004, 1971 yılında piyasaya sürülmüştü . Bu işlemci sadece 4 bitlik bir ALU’ya sahipti ve saat hızı 740 kHz civarındaydı . Günümüzde bir masaüstü bilgisayardaki bir CPU, 64 bitlik ALU’lara sahiptir ve saat hızı 3-5 GHz (gigahertz) civarındadır. Bu, saniyede 3-5 milyar işlem yapabileceği anlamına gelir.Ayrıca, modern CPU’lar performansı artırmak için sadece bir tane değil, birden fazla ALU çekirdeği içerir . Örneğin, 8 çekirdekli bir CPU, teorik olarak aynı anda 8 ayrı aritmetik işlem yapabilir (paralel hesaplama).Bilgisayarda aritmetiksel işlemleri yapan ve sonuçlandıran kısım, Merkezi İşlem Birimi (CPU) içinde yer alan Aritmetik ve Mantık Birimi (ALU)‘dir. ALU, toplama, çıkarma, çarpma, bölme gibi işlemleri gerçekleştiren transistör tabanlı dijital bir devredir.Ancak ALU tek başına çalışamaz; bir ekibe ihtiyaç duyar:Kontrol Birimi (CU), ALU’ya hangi işlemi yapacağını söyler.Register’lar, işlem için gerekli verileri ve ara sonuçları geçici olarak depolar.Bellek (RAM), işlenecek ham verileri ve programın komutlarını saklar.Bu üç bileşen – ALU, CU, Register’lar – birlikte “Merkezi İşlem Birimi”ni (CPU) oluşturur ve bir bilgisayarın program çalıştırabilmesi, hesap yapabilmesi ve mantıksal kararlar alabilmesi için gereken temel donanımı sağlar . Kısacası, bir bilgisayarda “hesaplama yapmak” denilen eylem, özetle Kontrol Birimi’nin talimatları doğrultusunda, Register’lardan aldığı verileri ALU’nun işlemesi ve sonucu yine register’lara veya belleğe yazması sürecidir .

Önceki Haber

Şeker Hastaları Nasıl Beslenmeli?

Sonraki Haber

F Klavyeden Q Klavyeye Geçiş