Mikroişlemciler-I80X86 İşlemci Ailesi. Alper Bayrak Abant İzzet Baysal Üniversitesi Bolu

(1)

Mikroi¸slemciler-I 80X86 ˙I¸slemci Ailesi

Alper Bayrak

Abant ˙Izzet Baysal ¨Universitesi Bolu

2014

(2)

Mikroi¸slemciler-I80X86 ˙I¸slemci Ailesi Sunuma Genel Bakı¸s

Sunuma Genel Bakı¸s I

1 Temel Kavramlar

Veri G¨osterim Birimleri

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨Ozellikleri Kaydediciler

Onbellek¨

Kontrol Birimi ve ALU

2 Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Intel Ailesinin Geli¸simi 8086/8088

80286 80386 i486 Pentium

(3)

Sunuma Genel Bakı¸s

Sunuma Genel Bakı¸s II

Pentium Pro MMX Teknolojisi Pentium II Celeron Pentium III Pentium IV

Hyperthreading teknolojisi

3 ˙I¸slemci ¨Uretimi

Fotorezist Uygulaması

˙Iyon ˙Implantasyonu High-K dielektrik birikimi Foto litografi

Etching - Oymabaskı Metal D¨okme

(4)

Mikroi¸slemciler-I80X86 ˙I¸slemci Ailesi Sunuma Genel Bakı¸s

Sunuma Genel Bakı¸s III

Metal Katmanlar

Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme Paketleme

Sınıf Testi, Tamamlanmı¸s ˙I¸slemci

(5)

Temel Kavramlar Veri G¨osterim Birimleri

Veri G¨ osterim Birimleri

nibble = 4 bit Bayt=8 bit=1 bayt Word = 16 bit = 2 bayt Doubleword =32 bit = 4 bayt Quadword 64 bit = 8 bayt Paragraph 128 bit = 16bayt Kilobayt(KB) = 2¹⁰ = 1024 bayt

Megabayt (MB) = 2²⁰ = 1048576 ≈ 1 MB Gigabayt (GB) = 2³⁰ = 1073741824 ≈ 1 GB

(6)

Mikroi¸slemciler-I80X86 ˙I¸slemci Ailesi Temel Kavramlar

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

˙Insanlarda beyin nasıl tüm vücudu yönetmek, kontrol etmek i¸cin sinir sisteminin bir par¸cası olan sinirleri kullanıyorsa;

i¸slemciler de bilgisayarı y¨onetmek, kontrol etmek i¸cin ileti¸sim yollarını kullanır.

Hem i¸slemci i¸cerisinde hem de i¸slemciyle di˘ger birimler arasında ileti¸sim hatları bulunmaktadır.

˙Ileti¸sim hatları ¨uzerinden elektrik sinyali ge¸cebilecek iletken hatlardır.

Bu hatların sayısı i¸slemci modeline g¨ore de˘gi¸sir.

(7)

Temel Kavramlar

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

˙Ileti¸sim hatları ¨u¸c grup halinde incelenebilir:

Adres Yolu (Address Buses):

˙I¸slemcinin bilgi yazaca˘gı veya okuyaca˘gı her hafıza h¨ucresinin ve ¸cevre birimlerinin bir adresi vardır.

˙I¸slemci, bu adresleri bu birimlere ula¸smak i¸cin kullanır.

Adresler, ikilik sayı gruplarından olu¸sur.

Bir i¸slemcinin ula¸sabilece˘gi maksimum adres sayısı, adres yolundaki hat sayısı ile ili¸skilidir.

Adres yolunu ¸co˘gunlukla i¸slemci kullanır.

Bu yüzden adres yolunun tek yönlü oldu˘gu söylenebilir.

Mikroi¸slemcinin kullanabilece˘gi bellek kapasitesi adres hattı sayısı ile yakından ilgilidir.

N=Adress hattı sayısı ise kullanılabilecek bellek kapasitesi Max. Bellek Büyüklü˘gü= 2 N

ile g¨osterilir.

(8)

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Veri Yolu (Data Buses):

˙I¸slemci, hafıza elemanları ve ¸cevresel birimleriyle ¸cift y¨onl¨u veri akı¸sını sa˘glar.

Birbirine paralel iletken hat sayısı veri yolunun ka¸c bitlik oldu˘gunu g¨osterir.

Orne˘¨ gin, iletken hat sayısı 64 olan veri yolu 64 bitliktir.

Y¨uksek bit sayısına sahip veri yolları olması sistemin daha hızlı

¸

calı¸sması anlamına gelir.

(9)

Temel Kavramlar

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Kontrol Yolu (Control Buses):

˙I¸slemcinin di˘ger birimleri y¨onetmek ve e¸s zamanlamayı (senkronizasyon) sa˘glamak amacı ile kullandı˘gı sinyallerin g¨onderildi˘gi yoldur.

Ornek olarak oku ve yaz sinyalleri.¨

(10)

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Figure: Bir bilgisayar sisteminin genel blok ¸seması

(11)

Temel Kavramlar

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Figure: Bilgisayar bile¸senlerinin anakart ¨uzerindeki yerle¸simi

(12)

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Figure: Anakart bile¸senleri

(13)

Temel Kavramlar

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Anakart ¨uzerindeki port yapıları

No Adı No Adı

1 Paralel port 8 Yan hoparl¨or (Limon)

2 IEEE 1394 portu 9 Mikrofon (Pempe)

3 RJ-45 portu 10 USB 2.0

4 Yan hoparl¨or (Gri) 11 USB 2.0

5 Arka hoparl¨or (Siyah) 12 Seri (COM) port 6 Merkezi/Bas (Portakal) 13 PC/2 klavye (Mor) 7 Ses giri¸si (A¸cık mavi) 14 PS/2 fare (Ye¸sil)

(14)

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨Ozellikleri

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨ Ozellikleri

Bilgisayarın en önemli par¸cası mikroi¸slemci, ¸cok karma¸sık bir yapıya sahiptir ve günümüzde Intel, Motorola, AMD, CYRIX, vb. firmalar tarafından geli¸stirilmekte ve piyasaya

s¨ur¨ulmektedir.

Mikroi¸slemcili sistemlerde yaygın olarak kullanılan

mikroi¸slemciler; Intel tarafından ¨uretilen Pentium ve Motorola tarafından ¨uretilen Power PC veya M680X0 kodlu

mikroi¸slemcileri (genellikle sanayide kontrol ama¸clı) olmakla birlikte, di˘ger firmaların ¨urettikleri mikroi¸slemcilerde piyasada kullanılmaktadır.

(15)

Temel Kavramlar

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨Ozellikleri

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨ Ozellikleri

Mikroi¸slemci i¸cinde farklı ama¸clarla kullanılan temel birimler vardır.

Bu birimler sırası ile ¸su ¸sekildedir.

Kaydediciler (Registers) Aritmetik Mantık Birimi (ALU) Kontrol Birimi

On Bellek¨

(16)

Kaydediciler

Kaydediciler mikroi¸slemci i¸cerisinde yer alan ge¸cici saklama birimleridir.

C¸ ok hızlı bir ¸sekilde veri yazma ve okuma yapılabilir.

Kaydedicilerin bir defada tutabilecegi veri büyüklü˘gü önem arz eder.

Kaydediciler 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit geni¸sli˘ginde olabilirler.

Kaydedicilerin geni¸sli˘gi i¸slem hızına ¸cok b¨uy¨uk oranda etki eder.

Bu y¨uzden kaydedici geni¸sli˘gine g¨ore i¸slemcileri 8 bit, 16 bit, 32bit, 64 bit i¸slemciler bi¸ciminde genel olarak sınıflandırılabilir.

(17)

Temel Kavramlar Onbellek¨

Onbellek ¨

Sistem belle˘ginden(RAM) gelen veriler, ¸co˘gunlukla CPU’nun hızına yeti¸semezler.

Bu problemi ¸c¨ozmek i¸cin CPU i¸cinde y¨uksek hızlı hafızalar bulunur.

On bellek ¸calı¸smakta olan programa ait komutların, verilerin¨ ge¸cici olarak saklandı˘gı y¨uksek hızlı hafızalardır.

On bellekler ¨¨ onceleri i¸slemci dı¸sında yer almı¸s daha sonra i¸slemci i¸cine yerle¸stirilmi¸stir.

(18)

Onbellek¨

Onbellek ¨

˙I¸slemcinin komutları daha hızlı y¨uklemesini sa˘glayan bu hafıza genellikle L1 (Level 1) ve L2 (Level 2) olmak ¨uzere iki

kısımdan olu¸sur.

˙I¸slemci, ihtiya¸c duydu˘gu komutu ilk ¨once L1 ¨on bellekte (L1

¨

on bellek L2 ¨on bellekten daha hızlıdır.) arar.

E˘ger i¸slemcinin aradı˘gı komut burada yoksa L2 ¨onbelle˘ge bakar. E˘ger burada da yoksa sırasıyla RAM ve sabit disk

¨

uzerindeki sanal hafıza ¨uzerinde arar.

(19)

Temel Kavramlar Kontrol Birimi ve ALU

Kontrol Birimi ve ALU

Kontrol Birimi:

˙I¸slemciye gönderilen komutların ¸cözülüp (komutun ne anlama geldi˘ginin tanımlanması) i¸sletilmesini sa˘glar.

˙I¸slemci i¸cindeki birimlerin ve dı¸sındaki birimlerin e¸s zamanlı olarak ¸calı¸smasını sa˘glayan kontrol sinyalleri bu birim tarafından ¨uretilir.

Aritmetik / Mantık Birimi (Arithmetic Logic Unit- ALU):

Mantıksal ve matematiksel i¸slemlerin yapıldı˘gı kısımdır.

Dört i¸slem, üs alma gibi temel aritmetik i¸slemler ile büyük, kü¸cük, ve, veya gibi mantıksal i¸slemleri yerine getirir.

(20)

Mikroi¸slemciler-I80X86 ˙I¸slemci Ailesi Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

1978/1979 yıllarında üretilen ilk 8086/8088’den ba¸slayıp 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III ve Pentium IV mikroi¸slemcilerine uzanan geni¸s bir ürün yelpazesine sahip olan Intel x86 mikroi¸slemci ailesi tarihteki en ba¸sarılı mikroi¸slemci ailesi olmu¸stur.

Bunda ¸ce¸sitli faktörler rol almı¸stır, fakat en büyük neden,

¸s¨uphesiz 1981 yılındaki ilk PC’de IBM firmasının 8088 mikroi¸slemcisini se¸cmesi olmu¸stur.

O tarihten itibaren, IBM ve bir ¸cok firma bu i¸slemcileri PC’lerde kullanmaktadır.

PC’lerin dünyada yaygın olarak kullanılması, bu i¸slemcilerin ba¸sarısında en büyük neden olmu¸stur.

(21)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Mikroi¸slemciler mimari yapılarına g¨ore farklılık g¨osterir.

Ortak bir mimariye sahip i¸slemciler, komutları tanıdıkları i¸cin, aynı programları ¸calı¸stırabilir.

Bir mikroi¸slemcinin tanıdı˘gı komutlar, yani komut k¨umesi o mikroi¸slemci mimarisinin en temel ¨ozelliklerinden biridir.

Di˘ger önemli bir mimari özellik mikroi¸slemcinin dahili kaydedici kümesidir.

Kaydediciler, mikroi¸slemcinin ¸calı¸sması sırasında, ge¸cici verilerin saklandı˘gı bellek h¨ucreleridir.

Bu bellek h¨ucreleri i¸slemcinin i¸cindedir.

Farklı komut ve kaydedici k¨umesine sahip mikroi¸slemciler genelde birbirlerinin programlarını ¸calı¸stıramazlar.

(22)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Günümüzde en popüler mikroi¸slemci mimarisi Intel x86 ailesine ait mimaridir.

Bunda ¸cok yaygın olarak kullanılan IBM PC’ler büyük bir rol oynamı¸stır. Intel x86 i¸slemcilerin, PC’lerde ve ayrıca bir ¸cok elektronik üründe ¸cok yaygın olarak kullanılması, bu aileyi, endüstri ve e˘gitim i¸cin ¸cok önemli bir konuma getirmi¸stir.

Bu ailenin ilk i¸slemcisi 1978 yılında üretilen 8086’dır. O zamanlardan günümüze, x86 i¸slemcileri önemli bir de˘gi¸sim gösterdi.

Bu ailenin ¨onemli kilometre ta¸sları olan i¸slemciler sırasıyla

¸sunlardır: 8086/8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III ve Pentium IV i¸slemcileridir.

(23)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Bug¨un, mikroi¸slemci ¨ureten irili ufaklı pek ¸cok firma bulunmaktadır.

Bunların en önemlileri, Intel ve Motorola firmalarıdır. X86 ailesinin lokomotifini ¸ceken Intel firması olmasına ra˘gmen, günümüzde Intel dı¸sında x86 mikroi¸slemcisi üreten, AMD, Cyrix, Centour ve Rise Tecnology gibi firmalar bulunmaktadır.

Intel x86 ailesinin dı¸sında, di˘ger önemli mikroi¸slemci mimarilerinden bazıları ¸sunlardır: Modern Macintosh’larda bulunan Power PC, eski Mac’lerde bulunan 680x0 serisi, Digital ve Compact’ın gü¸clü makinelerinde kullanılan Alpha ailesi, Sun firmasının SPARC i¸slemcileri, Silicon Graphics’in MIPS RX000 serisi, HP’in PARISC’i önemli mimariler olarak sayılabilir.

Bu mimarilerin hi¸c biri kendi aralarında ve aynı zamanda X86 ile uyumlu de˘gildir.

(24)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Figure: Intel firmasının ¨uretmi¸s oldu˘gu i¸slemcilerin tarihsel geli¸simi

(25)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Tablodaki terimler:

Transistors sayısı, i¸slemci üzerindeki transistör adedini göstermektedir.

Tablodan da görülece˘gi gibi transistör sayısı yıllara ba˘glı olarak düzenli bir artı¸s göstermi¸stir.

Microns, i¸slemci ¨uzerindeki en ince telin mikron cinsinden kalınlı˘gını g¨ostermektedir. Kar¸sıla¸stırma i¸cin, insan sa¸cı 100 microns kalınlı˘gındadır.

˙I¸slemcilerdeki boyutlar dü¸serken transistör sayısı sürekli artmaktadır.

Hız, i¸slemci nin ¸calı¸sma frekansını g¨osterir. her clock (pulse) bir i¸slemin yapılması i¸cin ge¸cen zamanı g¨osterir.

Veri yolu, i¸slemdı¸s d¨unya ile haberle¸sirken kullandı˘gı yolun geni¸sli˘gidir.

MIPS (millions of instructions per second), bir mikroi¸slemcinin 1 saniyede i¸sleyebilece˘gi komut sayısıdır. ¨Ornek: 0.8 MIPS saniyede 0.8 milyon komut i¸sleyebiliyor demektir. ve CPU ların performansını ¨ol¸cmek i¸cin kullanılan bir birimdir.

(26)

Intel Ailesinin Geli¸simi

Intel firması 1968 yılında bellek t¨umle¸sik devreleri yapmak

¨

uzere kuruldu.

Uretecekleri bir hesap makinesi i¸¨ cin CPU t¨umle¸sik devresi isteyen, hesap makinesi ¨ureten bir firmanın talebi; ve yine

¨

uretecekleri bir terminal i¸cin özel bir tümle¸sik devre isteyen, di˘ger bir firmanın istediklerini kar¸sılamak i¸cin, Intel firması 4004 (1971) ve 8008 (1972) CPU’larını üretti.

Figure: Intel 4004 C¸ ipi

(27)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Intel Ailesinin Geli¸simi

Intel Ailesinin Geli¸simi

Mikroi¸slemciler ve mikrobilgisayarların sınıflandırılmasında en temel öl¸cü, mikroi¸slemcinin tümle¸sik devre üzerinde i¸slem yaptı˘gı en uzun verinin bit sayısı, yani kelime uzunlu˘gudur.

4-bit i¸slemci olan 4004 ve 8-bit i¸slemci olan 8008’den ba¸slayarak, mikroi¸slemciler ve mikrobilgisayarlar i¸cin, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit ve 64-bit gibi veri uzunluk standartları do˘gmu¸stur.

Intel, bu ilk mü¸sterilerinden ba¸skasının, 4004 ve 8008 tümle¸sik devrelerine ilgi göstereceklerini tahmin etmedi˘gi i¸cin, üretim hattını dü¸sük kapasiteli tutmu¸stur.

(28)

Intel Ailesinin Geli¸simi

Fakat tahminlerin aksine, bu tümle¸sik devrelere ¸cok büyük bir ilgi oldu.

Bunun sonucu ve aynı zamanda 8008’in 16 KB’lık bellek limitini a¸smak amacıyla, Intel firması 1974 yılında genel ama¸clı 8080 CPU’sunu ¨uretti.

Birden bu tümle¸sik devreye büyük bir talep oldu ve kısa bir süre i¸cinde 8080, 8-bit mikroi¸slemci endüstri standardı oldu.

Intel, iki yıl sonra 1976’da geli¸smi¸s bir 8080 i¸slemcisi olan 8085 piyasaya s¨urd¨u.

(29)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi 8086/8088

8086/8088

Intel, 16 bitlik 8086 i¸slemcisini 1978 yılında piyasaya s¨urd¨u.

Y¨uksek seviyeli programlama dillerine ve daha etkin i¸sletim sistemlerine sahip ilk i¸slemci olan 8086, IBM uyumlu sistemlerin temelini olu¸sturdu.

8086 mikro i¸slemci 20 bit ile bellek adresleyerek 1 MB’lık bellek kullanabilir.

Arkasından ¸cıkan 8088 i¸slemci ile IBM ilk ki¸sisel bilgisayarı (PC) piyasaya s¨urd¨u.

Bu ilk PC’nin 16K hafızası, grafik özelli˘gi olmayan ekranı ve bir teyp bandı sürücüsü vardı.

8088 mikro i¸slemci, 16 bit ¨uzerinden i¸slem yapan veri yolu 8 bit olan bir mikro i¸slemcidir.

(30)

80286

Kısa bir s¨ure sonra Intel, 80286 i¸slemcisini ¸cıkartarak PC performansını yeni bir seviyeye y¨ukseltti.

80286 i¸slemci 16 bit veriyolunu hem i¸cte hem de dı¸sta kullanabiliyordu.

Bu da kendinden önceki i¸slemcilerden ¸cok daha fazla ilgi görmesine sebep oldu ve artık PC’ler i¸cin daha gü¸clü yazılımlar

¨

uretilmeye ba¸slandı.

80286 Mikro i¸slemci, adres yolu 20 bit i¸c ve dı¸s veri yolu 16 bit ve 16 MB’a kadar belle˘gi do˘grudan adresleyebilirler.

(31)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi 80386

80386

Intel’in bir ku¸sak sonraki i¸slemcisi olan 80386 i¸slemcisi PC dünyasına büyük de˘gi¸siklikler getirdi.

SX ve DX modelleri olan bu i¸slemcinin en büyük özelli˘gi 32 bit bir i¸slemci olmasıydı.

SX i¸slemcinin dı¸s veri yolu 16, i¸c veri yolu 32 bittir.

Saat hızı 16-33 Mhz’dir. DX i¸slemcisinin hem i¸c hem de dı¸s veri yolu 32 bit saat hızı 33-40 MHz’dir.

286’lardaki veri yolunun iki katına ¸cıkartılması PC’lerde grafik i¸slemlerini artırdı.

Ayrıca saat hızının 16 MHz’den 33 ve 40 MHz’e ¸cıkartılması i¸slemleri daha da hızlandırdı.

(32)

i486

Intel Nisan 1989 yılında i486 i¸slemciyi piyasaya s¨urd¨u.

i486 i¸slemcisi entegre bir chiptir.

Bu chip dört farklı i¸slev grubunu (asıl CPU’yu, bir matematik yardımcı i¸slemcisini, bir önbellek denetleyicisini ve DX/DX2 modellerinde bir adet genel önbellek, DX4 modellerinde ise iki adet ayrık 8K önbelle˘gi) bir bile¸sende birle¸stirmektedir.

80486 Mikro i¸slemci, i¸c ve dı¸s adres yolu 32 bit olup 4 GB adresleyebilen bir mikro i¸slemcidir.

Saat hızları 25 ile 100 Mhz arasında olan ¸ce¸sitleri vardır.

SX modelinde matematik i¸slemci yoktur.

DX ve DX2 modellerinde matematik i¸slemci olup i¸slemcinin i¸cinde 4 KB veri ve 4 KB komut ¨onbelle˘gi vardır.

(33)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi i486

i486

Matematik i¸slemciler, mikroi¸slemciler gibi her i¸si yapan devreler de˘gildir.

Yalnızca matematik i¸slemleri, ¸cok üstün bir duyarlık ve hızla yapan özel i¸slemcilerdir.

80486DX’e kadar ayrı bir devre olarak satılan bu matematik i¸slemciler 80486DX ile mikroi¸slemcinin yapısına dahil edilmi¸sti.

Ama ¨ozel olarak matematik i¸slem yo˘gunluklu i¸slerle u˘gra¸smayanların yine de 486’nın getirdi˘gi avantajlardan yararlanması i¸cin 80486SX i¸slemcisi ¨uretilmi¸sti.

(34)

Pentium

i486 i¸slemcilerin hızla yaygınla¸stı˘gı bir dönemde Intel P5 kod adıyla tasarladı˘gı yeni i¸slemci ailesini Pentium adıyla piyasaya sürdü.

Pentium Mikro i¸slemci, Intel firmasının 1994 yılında piyasaya sürdü˘gü 32 bitlik i¸c 64 bitlik dı¸s veri yolu kullanan, adres yolu 64 bit olan mikro i¸slemcidir.

Bu i¸slemci iki adet ayrık 8K’lık ¨onbelle˘ge sahiptir.

Pentium i¸slemci 486’lardan farklı olarak iki adet tamsayı i¸slemcisine sahiptir.

Kayan nokta i¸slemcisi de iyice geli¸stirilmi¸stir.

(35)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Pentium

Pentium

Pentium i¸slemcilerde, 486 i¸slemcilerde olmayan Branch Protection (dallanma tahmini) teknolojisi kullanılmı¸stır.

Bu teknoloji, program sırasında i¸sletilecek olan dallanma (jump) komutlarının dallanaca˘gı tahmin edilen kod k¨umelerinin daha hızlı eri¸silen bir ortama kopyalayarak i¸slenmeye ba¸slanmasına dayanır.

Bu ¸sekilde %25 oranında performans artı¸sı sa˘glanır. Pentium i¸slemciler 0.8 mikronluk teknolojisi ile ¨uretilmi¸slerdir. 60 MHz, 75 MHz, 90 MHz, 100 MHz, 120 MHz, 133 MHz, 166 MHz, 200 MHz ve 233 MHz saat hızında ¨uretilmi¸slerdir.

Pentium i¸slemcide 3.1 milyon tane transist¨or vardır.

(36)

Pentium Pro

Pentium i¸slemcilerin yakla¸sık iki katı i¸slemci gücüne sahip olan bu i¸slemcilerde 5.5 - 6.1 milyon arasında transistör

kullanılmı¸stır.

+2.9V besleme gerilimi ile ¸calı¸san bu i¸slemci 166 MHz, 200 MHz, 233 MHz ve 266 MHz saat hızlarında ¨uretilmi¸slerdir. Bu i¸slemlerinde ona hız kazandırmı¸stır.

Pentium Pro mikroi¸slemcide Pentium i¸slemciye ek olarak 256 KB’lık bir L2 ¨on bellek vardır. Bu i¸slemci daha ¸cok server bilgisayarlar i¸cin tasarlanmı¸stır ve x86 tabanındaki i¸slemciler i¸cin yazılmı¸s t¨um yazılımları desteklemektedir.

Pentium Pro ¨oncelikle 32 bitlik programlara ihtiya¸c duyar. Bu sebeple i¸slemcinin tam performansla ¸calı¸sabilmesi i¸cin

Windows NT gibi ger¸cek 32 bitlik i¸sletim sistemi kullanılmalıdır.

(37)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi MMX Teknolojisi

MMX Teknolojisi

Intel, 1997’nin ba¸slarında Pentium MMX(MultiMedia

eXtension) i¸slemciyi piyasaya s¨urerek Pentium tasarımına yeni bir boyut kazandırdı.

Eski pentium i¸slemcilere g¨ore 1.5 kat daha fazla transfer i¸ceren ve pentium i¸slemcilerle tamamen uyumlu uyum olan i¸slemcilerdir.

Pentium MMX i¸slemcilerin 166, 200 ve 233 MHZ hızında

¸

calı¸san modelleri vardır.

(38)

MMX Teknolojisi

Bu i¸slemci multimedya (¸coklu ortam yazılımları, oyunlar, MPEG gibi grafik tabanlı yazılımlar) uygulamaları i¸cin ¨ozel komutlar i¸cerir. Multi Media Extension’ın kısaltılmı¸sı olan MMX , Pentium i¸slemcisine 57 adet yeni komutun eklenmesiyle olu¸smu¸s bir i¸slemcidir. Yani birka¸c komutun yaptı˘gı bazı i¸slemler tek komutta toplanmı¸stır.

Single Instruction - Multiple Data -SIMD (Tek Komut - C¸ oklu Veri) teknolojisinin kullanıldı˘gı bu i¸slemcilerde tek bir komutun getirdi˘gi bir ¸cok i¸slem paralel olarak bir arada

yapılabilmektedir.

(39)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi MMX Teknolojisi

MMX Teknolojisi

Bu i¸slemcilerde multimedya i¸cin komut setinin geni¸sletilmesiyle birlikte L1 ¨onbellek kapasitesi de 32 KB’a yani iki katına

¸cıkartılmı¸stır.

˙I¸slem performansı söz konusu oldu˘gunda MMX i¸slemcilerin verimlili˘gi tartı¸sılmaz MMX i¸slemcilerin hızlı olmasındaki en büyük faktör önbelle˘gin büyüklü˘güdür.

Ayrıca MMX i¸slemcilerde besleme gerilimi 5V veya 3.2V’tan 2.8V’a dü¸sürülerek i¸slemci ¸cekirde˘gindeki kayıp performans dü¸sürüldü.

Bu sayede y¨uksek saat hızına ra˘gmen i¸slemci daha az ısınmaktadır.

(40)

Pentium II

Pentium II Pentium pro i¸slemcisi ile MMX i¸slemcisinin birle¸simi ile 1997 de orta ¸cıkarıldı.

MMX teknoloji ile yakaladı˘gı performansı Pentium Pro ile birle¸stiren Intel Pentium II i¸slemcileri piyasaya s¨urd¨u.

Pentium II i¸slemciler hem yapı olarak hem de fiziki olarak

¨

onceki i¸slemcilerden farklılıklar ta¸sımaktadır.

Bu i¸slemcilerin di˘gerlerinden farkı SEC (single Edge Contact) adı verilen geni¸sleme yuvalarına (slot) takılan bir i¸slemci olmalarıdır.

(41)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Pentium II

Pentium II

˙I¸slemci anakart ¨uzerindeki Slot-1 adı verilen ¨ozel yuvaya takılır.

Pentium II i¸slemcilerde 32 KB’lık bir L1 ¨onbellek ve 512 KB’lık L2 ¨onbellek i¸cerir.

Onceki i¸slemcilerde Soket 7 yi kullanan Intel Pentium II ile¨ birlikte SEC (Single Edge Contact) adını verdi˘gi ve Slot 1’e girecek yapıda bir dizayn kullandı.

Pentium II ailesinin ilk modeli 233 MHz hızında ¨uretildi.

Arkasından 266 MHz, 300 MHz ve 333 MHz modelleri geldi.

Intel bu a¸samadan sonra 66 MHz’lik veri yolunun yanında 100 MHz’lik veri yolunu da kullanmaya ba¸sladı ve daha sonra ¸cıkan i¸slemciler 350 MHz, 400 MHz ve 450 MHz olarak ¸cıktı.

(42)

Celeron

Pentium II i¸slemcinin ucuz sürümüdür.

Aralarındaki temel fark 512 L2 ¨onbelle˘ginin Pentium Celeron i¸slemcilerde olmamasıydı.

Fakat L2 önbelle˘ginin olmaması büyük performans

dü¸süklüklerine yol a¸ctı˘gından sonraki sürümlerinde 128 KB’lık bir önbellek konuldu.

Bu serinin ilk ferdi 266 MHz olarak tasarlanmı¸stır.

L2 ¨on belle˘gi olmayan Celeronlar Pentium Pro ile aynı performansı g¨ostermektedir.

266 MHz i¸slemcinin arkasından yine L2 ¨onbelle˘gi olmayan Celeron 300 ¨uretildi.

(43)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Celeron

Celeron

˙Ilk nesil Celeron i¸slemcilerin fiyatı ¸cok cazip olmasına ra˘gmen

¨

onbellek gerektiren uygulamalarda yetersiz kalması bu i¸slemcilere ilgiyi azalttı.

Bu sırada Intel yine bir atak yaparak 128KB L2 ¨onbelle˘ge sahip Celeron 300A i¸slemcisini ¨uretti.

Arkasından gelen 333 MHz, 366 MHz, 400 MHz, 433 MHz ve 466 MHz i¸slemciler 128 KB ¨onbellek gelene˘gini devam

ettirdiler.

(44)

Pentium III

Pentium III mikroi¸slemcisi 1999 yılının ba¸sında Intel tarafından piyasaya sunulmu¸stur.

Pentium III ile gelen ¨onemli bir yenilik, ”Streaming SIMD Extensions” kısaca SSE olarak adlandırılan bir yapıdır.

Bu mimari yapı ile, ileri görüntü i¸sleme, 3D, ses ve video ses tanıma gibi uygulamalarda kullanılabilecek 70 tane yeni komut eklenmi¸stir.

Pentium III ayrıca P6 mikromimarisini dinamik yürütme, ¸coklu dallanma tahmini, veri akı¸sı analizi ve tahmini yürütme ¸cok i¸slemli sistem yolu ve Intel MMX teknolojisini i¸cerir.

Pentium III, PC ve Internet hizmetleri ve a˘g eri¸sim g¨uvenli˘gi i¸cin planlanan yapı bloklarından ilki olan i¸slemci seri numarası sunar.

(45)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Pentium III

Pentium III

Bu komutlarla birlikte i¸slemciye eklenmi¸s di˘ger yapısal bir de˘gi¸siklik de 8 adet yeni registerdir.

Bu yeni register’lar i¸slemcide yeni SIMD FPU komutları tarafından kullanılmak ¨uzere yer alıyorlar.

Register’lar 128-bit’lik bir geni¸sli˘ge sahiptir.

Bu sayede birden ¸cok (d¨orde kadar) FP ucu bir register’a y¨uklenebiliyor ya da SIMD komutları bu register’larda saklanabiliyor.

Bu ¸sekilde Intel, RISC i¸slemcilere göre en büyük eksiklik olan register sayısının azlı˘gını yava¸s yava¸s kapamaya ba¸sladı.

(46)

Pentium IV

Bu i¸slemci pek ¸cok yenilik i¸cermektedir.

Orne˘¨ gin hyperthreading ¨ozelli˘gi ile iki i¸slemci gibi

¸calı¸sabilmektedir.

Ayrıca yüksek frekansta ¸calı¸sması, transistör teknolojisinin geli¸smi¸s olması dolayısı ile dü¸sük gü¸c tüketimi gibi özelliklerle

¨

onceki i¸slemcilere oranla gücüne gü¸c katmı¸stır.

Figure: Intel Pentium 4 i¸slemcisi

(47)

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi Hyperthreading teknolojisi

Hyperthreading teknolojisi

Y¨uksek kalitede video ile ses, a˘gır veritabanı uygulamaları bir¸cok veriyi i¸sleme zorunlulu˘gu getirmektedir.

Bu kadar ¸cok veriyi i¸slemek i¸cin birden fazla i¸slemci kullanılabilir. Ancak bu pahalıya mal olur.

Bu tip bir ¸c¨oz¨um yerine, kullanılabilecek daha ucuz

¸c¨oz¨umlerden biri olan Hyper-Threading (HT) teknolojisi sayesinde bir i¸slemci birbirinden ba˘gımsız iki programa ait veriyi aynı anda i¸sleyebilmektedir.

Hyper Threading teknolojisi i¸cin aynı anda birka¸c yazılımı

¸

calı¸stırırken, randımanı artırmaya yarayan bir teknolojidir denilebilir.

(48)

Hyperthreading teknolojisi

HT teknolojisi, bu teknolojiyi destekleyen i¸slemciye, ¸cipsete, sistem BIOS’a ve i¸sletim sistemine sahip bilgisayar sistemleri gerektirir.

Orne˘¨ gin, Windows 2000 Professional HT’yi desteklemedi˘gi i¸cin, bu i¸sletim sistemi y¨ukl¨u olan bir bilgisayarda HT’nin getirdi˘gi performanstan yararlanılamaz.

Performans kullandı˘gınız donanım ve yazılıma ba˘glı olarak de˘gi¸sir.

(49)

˙I¸slemci ¨Uretimi

˙I¸slemci ¨ Uretimi

Kum

Silikon, yer kabu˘gundaki ikinci (%25) en yaygın kimyasal elementtir.

Kum özellikle de kuvars yüksek miktarda silikon (SiO2, silisyum dioksit) i¸cerdi˘gi ve silikon’da yarıiletken üretiminde ana bile¸sen oldu˘gu i¸cin ¸cip üreticilerinin temel maddesidir.

(50)

Mikroi¸slemciler-I80X86 ˙I¸slemci Ailesi

˙I¸slemci ¨ Uretimi

Eritilmi¸s Silikon

Silikon, farklı a¸samalardan ge¸cerek arındırılır ve sonunda yarıiletken ¨uretiminde kullanılacak kalite seviyesine ula¸sır ki buna Elektronik Grad Silikon adı verilir.

Elektronik Grad Silikon, milyarlarca silikon ve alyan atomu i¸cerir.

Resimde arındırılmı¸s silikon eriyi˘ginden elde edilen k¨ul¸ceyi (mono kristal) g¨orebilirsiniz.

(51)

˙I¸slemci ¨ Uretimi

Mono Kristal Silikon K¨ul¸ce

Kül¸ce, Elektronik Grad Silikondan üretilir. Bir Kül¸ce 100 kilogram a˘gırlı˘gında olup, %99.9999999 silikon saflı˘gına sahiptir.

Kül¸celer, Wafer olarak adlandırılan ayrı disklere kesilirler. Her bir Wafer’ın kalınlı˘gı 1mm’dir. Waferlar, ayna parlaklı˘gında, kusursuz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılırlar. Intel, tüm bu süre¸clerden ge¸cmi¸s üretime hazır waferları ü¸cüncü parti firmalardan temin eder.

(52)

˙I¸slemci ¨Uretimi Fotorezist Uygulaması

Fotorezist Uygulaması

Wafer üzerinden ¸cip elde etme i¸slemi, yüksek hassasiyet seviyesiyle kontrol edilen yüzlerce adımı i¸cermektedir.

˙I¸ste bu s¨urecin en ¨onemli a¸samalarından biri de farklı materyaller i¸ceren kalıpların birbiri ardına dizilmesidir.

˙I¸slemci üretimindeki uzun ve karma¸sık süre¸cte en önemli a¸samalardan biri de fotorezist uygulamasıdır.

Yukarıdaki resimde Mavi renkle g¨or¨ulen fotorezist, ortaya

¸

cıktıktan sonra bir sonraki a¸sama i¸cin temizlenir.

Kalan fotorezist, materyalleri iyon implantasyonuna maruz kalmamaları i¸cin korur.

(53)

˙Iyon ˙Implantasyonu

˙I¸slemci zarı elde edilecek wafer, fotolitografi kullanılarak kalıplara ayrılır.

Wafer, artı veya eksi y¨ukl¨u iyonlar i¸ceren ı¸sın bombardımana tutulur.

˙Iyonlar, kendilerini wafer yüzeyinin altına, se¸cili lokasyonlardaki silikonun iletken özelliklerinde de˘gi¸siklik yapmak üzere

g¨omerler.

Resimde görülen ye¸sil bölgeler, do˘gru ¸sekilde uygulanmı¸s aylan atomlarını göstermekte.

(54)

High-K dielektrik birikimi

Intel, wafer yüzeyinde, transistör kapısı ve onun kanalı arasındaki geleneksel yalıtkanlar yerine ¸cok katmanlı dielektrik materyal kullanır. Bu materyal, bir seferde bir atomik katman uygular. Bu uygulama, elektrik sızıntılarını azalttı˘gı gibi enerji verimli i¸slemci üretimini de mümkün kılmaktadır.

Wafer yüzeyine uygulanan ayrı molekül katmanlarının her biri, ¸coklu katman i¸cerir. Orta resimdeki sarı iki katman, bu katmanları temsil etmektedir. Ü¸cüncü resim ise High-K yalıtkan materyalin tüm wafer yüzeyine uygulanı¸sını göstermektedir.

High-K yalıtkan materyal, geleneksel silikondioksit katmana g¨ore dahakalın olmakla birlikte, performansı maksimize edecek aynı sı˘gal

¨

ozelliklere sahiptir. Uygulanan yenilik¸ci yalıtkan sayesinde, yapısal de˘gi¸sikliklere ra˘gmen, akım ka¸ca˘gı azaltılabilimi¸stir.

(55)

˙I¸slemci ¨Uretimi Foto litografi

Foto litografi

Wafer, üzerine dökülen siyah sıvı ile birlikte döndürülür ve bu adım, ince fotorezist katmanının uygulanmasına olanak tanır. Fotorezist, ultra viyole ı¸sı˘ga ¸cıkartılır. Bu a¸samada meydana gelen kimyasal reaksiyon, obtüratör butonuna basıldı˘gı anda film kamerasında meydana gelen ile olduk¸ca benzerdir.

Ultra Viyole ı¸sı˘ga ¸cıkartılan fotorezist anından ¸c¨oz¨ulebilir olacaktır. Stensil benzeri maskeler kullanılarak tamamlanan a¸cı˘ga ¸cıkartma i¸sleminde, UV ı¸sık

kullanılmaktadır ¸c¨unk¨u bu sayede maskeler, i¸slemcinin her katmanında yer alan

¸

ce¸sitli baskılı devrelerini yaratır.

Orta resimde görülen lens, maskenin imajını azaltır ve sonu¸c olarak wafer üzerinde olu¸san baskı, tipik olarak maskenin kendi kalıbından dört kat daha kü¸cük olur.

Intel ara¸stırmacıları, geli¸stirdikleri ¸cok daha kü¸cük transistörler sayesinde tek bir pinin ba¸sına 30 milyon transistor yerle¸stirebilmektedirler.

(56)

˙I¸slemci ¨Uretimi Etching - Oymabaskı

Etching - Oymabaskı

Yapı¸skan fotorezist, kullanılan ¸cözücü ile yok edilir.

Bu adımla birlikte maske tarafından yapılan fotorezist kalıbı (siyah kısım) ortaya ¸cıkar.

Fotorezist, kimyasallara a¸sınmaması adına High-K dielektri˘gi koruma g¨orevini ¨ustlenir.

A¸sındırılmı¸s fotorezistin kaldırılmasından sonra istenen ¸sekil görünür olur.

(57)

˙I¸slemci ¨Uretimi Metal D¨okme

Metal D¨ okme

Hazır transistörler artık tamamlanmaya yakındır. Ü¸c delik, Kırmızı renkle görülen yalıtkan katman ile yakılırlar.

Bu ü¸c delik, di˘ger transitörlerle ileti¸simi sa˘glamak üzere bakır ya da di˘ger metaller ile doldurulurlar.

Elektro-Kaplama a¸samasında waferlar, bakır sülfat solüsyon i¸cerisine sokulurlar. Bakır iyonları, elektro-kaplama adı verilen i¸slem ile transistörlere dökülürler.

Bakır iyonları, pozitif terminalden (anot) negatif terminale (katot) do˘gru seyahat ederler.

Elektro-Kaplama a¸samasından sonra Bakır iyonları aynı ince bir Bakır katmanı gibi yerle¸sirler wafer ¨uzerine.

(58)

˙I¸slemci ¨Uretimi Metal Katmanlar

Metal Katmanlar

Bu a¸samada önce artan materyal silinir. Ç oklu metal katmanlar, farklı transistörler arasında ba˘glantı (kablolar gibi) olu¸stururlar.

Ba˘glantıların nasıl ger¸cekle¸sece˘gi ise mimari ve tasarım ekipleri tarafından tanımlanır.

Bilgisayar ¸cipleri a¸sırı düz görünürler, aslında 30’dan fazla katmana sahip olan i¸slemcilerin büyütülmü¸s görüntülerine bakılırsa, devre hatları arasındaki karı¸sık a˘g yapısı ve transistörler, futuristik bir¸cok katmanlı otoban sistemi gibi görülebilirler.

Wafer, gerekli s¨ure¸cler tamamlandıktan sonra t¨umle¸ske ve test tesislerine transfer edilirler.

(59)

Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme

Hazır waferlar ilk olarak fonksiyonalite testine tabi tutulurlar. Bu a¸samada, test kalıbı her ¸cip i¸cin tekrarlanır ve ¸cipin tepki s¨uresi takip edilerek ”do˘gru cevap” ile kar¸sıla¸stırılır.

Wafer, dilimleme a¸samasında, ”zar” olarak tanımlanan par¸calara ayrılır.

Intel’in 32nm Core i3 ve Core i5 i¸slemcilerinde, biri CPU di˘geri de grafik i¸cin olmak ¨uzere iki zar hazırlanır ve aynı pakette bir araya getirilirler.

Az ¨once detaylandırdı˘gımız ¨uzere test a¸samasında do˘gru cevabı veren zarlar bir sonraki a¸samaya ge¸cer, hatalı zarlar ise ayıklanır. Wafer dilimleme a¸samasından sonra i¸slemcilerde kullanılacak zarlar ortaya ¸cıkmı¸s olur.

(60)

˙I¸slemci ¨Uretimi Paketleme

Paketleme

Wafer dilimlemesinin ardından paketlemeye ge¸cilir ve zar ya da zarlar (Core i3 ve Core i5 i¸cin) ısı da˘gıtıcı ile birlikte tamamlanmı¸s i¸slemci formunu olu¸sturmak i¸cin bir araya getirilirler.

Resimde görülen ye¸sil alt tabaka, PC sisteminin kalanıyla kurulacak ileti¸sim i¸cin gerekli olan elektriksel ve mekanik arabirimi kurar. Resimde görülen gümü¸s ısı da˘gıtıcı ise, kullanılacak i¸slemci so˘gutucusu ile teması sa˘glar ve ¸calı¸sma esnasında i¸slemciyi serin tutar.

Son resimde ise tamamlanmı¸s bir i¸slemci görülmektedir. Mikroi¸slemciler, dünya üzerinde üretim süreci en karma¸sık ürünlerdir ve yüzlerce süre¸cten ge¸cerler. Tabi tüm bunlardan bahsederken, i¸slemcilerin, dünyanın en temiz ortamında yani mikroi¸slemci tesislerinde üretildi˘gini de belirtelim.

(61)

Sınıf Testi, Tamamlanmı¸s ˙I¸slemci

Son test a¸samasında, hazırlanan i¸slemciler, anahtar karakterlerini ortaya

¸

cıkartacak (ısıl gü¸c tasarımı ve en yüksek frekans de˘gerleri) teste alınırlar ve elde edilen test sonu¸clarına göre modellendirme yapılarak aynı kapasitedeki i¸slemciler aynı ta¸sıma rafına dizilirler.

Uretimi bitmi¸s ve test s¨¨ ureci tamamlanmı¸s i¸slemciler, sistem üreticilerine raflar i¸cerisinde, teknoloji ma˘gazalarına ise orijinal kutuları i¸cerisinde gönderilir ve tüketicilerle ilk bulu¸sma ger¸cekle¸smi¸s olur.

(62)

Mikroişlemciler-I80X86 İşlemci Ailesi. Alper Bayrak Abant İzzet Baysal Üniversitesi Bolu

Mikroi¸slemciler-I 80X86 ˙I¸slemci Ailesi

Sunuma Genel Bakı¸s I

Sunuma Genel Bakı¸s II

Sunuma Genel Bakı¸s III

Veri G¨ osterim Birimleri

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemcili sistemin ileti¸sim Yolları

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨ Ozellikleri

Mikroi¸slemci Yapısı ve ¨ Ozellikleri

Kaydediciler

Onbellek ¨

Onbellek ¨

Kontrol Birimi ve ALU

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel X86 Mimarisi ve geli¸simi

Intel Ailesinin Geli¸simi

Intel Ailesinin Geli¸simi

Intel Ailesinin Geli¸simi

8086/8088

80286

80386

i486

i486

Pentium

Pentium

Pentium Pro

MMX Teknolojisi

MMX Teknolojisi

MMX Teknolojisi

Pentium II

Pentium II

Celeron

Celeron

Pentium III

Pentium III

Pentium IV

Hyperthreading teknolojisi

Hyperthreading teknolojisi

˙I¸slemci ¨ Uretimi

˙I¸slemci ¨ Uretimi

˙I¸slemci ¨ Uretimi

Fotorezist Uygulaması

˙Iyon ˙Implantasyonu

High-K dielektrik birikimi

Foto litografi

Etching - Oymabaskı

Metal D¨ okme

Metal Katmanlar

Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme

Paketleme

Sınıf Testi, Tamamlanmı¸s ˙I¸slemci

TES ¸EKK ¨ URLER