32-BİTLİK MİKROİŞLEYİCİ SİSTEMLERİ

32 BİTLİK MİKROİŞLEY İCİ SSİ STEMLERİ

Aykut DALGIÇ

ÖZET

Büyük bilgisayarlarda bulunan birçok yapısal ve fonksi yonel özellikleri sağlayan 32 bitlik mikroişleyici sistem lerinin genel yapıları ele alınmaktadır. 8. ve 16 bitlik mikroişleyici sistemlerinden farklı özellikleri ortaya konulmakta ve daha önce büyük bilgisayarlara özgü olan yeni birtakım özelliklerin nasıl gerçekleştirildiği incelen mektedir. Dünya piyasasının şu an gündeminde olan 32 bitlik mikroişleyiciler uyuşumlu elemanlarıyla bir likte, birbirlerinden farklı olan özellikleri vurgulanarak, kısaca tanıtılmaktadır.

1. GİRİŞ

Katı hal ve yan iletkenler teknolojisindeki gelişmeler sonucu tümleşik devrelerde Çok Büyük Çaplı Tümleşim (Very Large Scale Integration, VLSI) aşamasına gelinme sinden sonra yapılarında çok hızlı gelişmeler gözlenen mikroişleyicilerde artık günümüzde, daha önce büyük bilgisayarlara özgü olarak bilinen birçok özellikleri de içeren 32 bitlik mikroişleyiciler aşamasına gelinmiştir.

8 ve 16 bitlik mikroişleyicilerle sistem kurup geliştiren tasarımcılar, amaca uygun bir mikroişleyici saptadıktan sonra uyuşumlu çevresel devre elemanlarını birçok fir manın ürünleri arasından, maliyet gibi etkenleri de göz önünde tutarak, seçebilmektedir. Ancak mikroişleyici ile uyuşumlu eleman seçimindeki bu esneklik, bellek düzen lemesi (memory organization) büyük bilgisayarlardaki kadar hızlı kayan noktalı (floating point) hesaplamalar gibi yeni özelliklerle adeta büyük bilgisayarların gücünü sisteme kazandıran, 32 bitlik mikroişleyici sistemlerinde hemen hemen tamamen ortadan kalkmıştır. Değişik mikroişleyici sistemlerindeki tümleşik devre elemanları arasındaki anlaşma işaretlerinin (handshaking signals) ve veri aktarım hızlarının çok değişiklikler göstermesi gibi nedenler, tasarımcıyı büyük ölçüde sadece o firmanın uyuşumlu çevresel tümleşik devrelerini kullanmaya itmektedir. Bu durumda, tasarımcı 8 ve 16 bitlik mikro işleyici sistem tasarımındaki çok değişik firma ürünü arasından uyuşumlu tümleşik devre elemanı seçim şan sını yitirmekte, o firmanın sunduğu uyuşumlu tümleşik devre elemanlarını kullanmak zorunda kalmaktadır.

2. 32 BİTLİK MİKROİŞLEYİCİ SİSTEMLERİ VE GENEL YAPILARI

8 ve 16 bitlik mikroişleyici sistemlerinden farklı birçok yapısal ve fonksiyonel özellikleri beraberinde getiren 32 bitlik mikroişleyici sistemleri genel olarak S temel birimden oluşmaktadır:

Merkezi işlem Birimi (Central Processing Unit, CPU) Bellek Y önetim Birimi (Memory Management Unit, MMU) Kayan Noktalı işlem Birimi (Floating Point Unit) DMA Denetleyicisi (Direct Memory Access Controller) Kesilme Denetleyicisi (Interrupt Controller)

Dünya piyasasının, şu an, gündeminde olan 32 bitlik mikroişleyiciler (CPU'lar) şunlardır:

National Semiconductor NS32032 Texas Instruments TI3 2 0 3 2 Motorola MC68020 A T & T VVE 321 00 Intel İAPX386 (80386) ZilogZ80000

Bunlardan NS32032 ile TI3 2 0 3 2 fonksiyonel olarak % 100 uyuşumludur (Mokhoff, 1965).

2.1. Beüek Düzenlemesi

National ve Tl'nın bellek düzenlemesi (memory organi zation), tek biçim doğrusal adres evreni (uniform linear address space) prensibine dayandırılmıştır.

Tek biçim doğrusal adres evreninde, adres 0'dan başla makta ve mantıksal adresteki (logical address) bit sayı sının belirlediği üst sınıra kadar doğrusal olarak devam etmektedir. 32 bitlik mantıksal adres 4 railyar'dan fazla byte'ı adreslemektedir.

Sayfaya dayalı eşleştirme (Page based mapping) düzenini kullanan Tl'da mantıksal adres evreni, her biri sabit ve 512 byte'lık olan 32768 sayfaya bölünmüştür. Fiziksel adres evreni (phsical address space) de aynı büyüklükte olan aynı sayıda sayfaya ayrılmıştır.

Motorola ve Intel mikroişleyici sistemleri, kesimlemeli adres evreni (segmented address space) prensibini kullan maktadırlar.

Kesimlemeli bellek mimarisinde (segmented memory architecture), adres evreni genellikle 64 Kbyte'tan büyük olmayan kesimlere bölünmüştür. Bu durumda adresle nitede iki adres bileşeni kullanılmaktadır: Kesimin kendisi için olan adres bileşeni ve o kesimin içinde verinin yerini belirten adres bileşeni. Kesime dayalı eşleştirme (segment based mapping) düze nini kullanan Intel mikroişleyici sisteminde, merkezi işlem biriminin (CPU'nun) içine yerleştirilen bellek yönetim birimi (MMU) değişken boylu kesimleri (vari able size segments) mümkün kılmaktadır.

2.2. Cep Bellek (Cache Memory) Düzenlemesi Tl mikroişleyici sisteminde MMU (32062), mantıksal adres ile fiziksel adresin eşleştirilmesini üzerinde bulunan 'associative' cep (cache) yardımıyla süratli bir şekilde gerçekleştirilmektedir. Cep bellek, en son kullanılmış 32 mantıksal adresi ve onlara karşılık gelen fiziksel adresi içinde bulundurur. Mantıksal adres CPU'dan MMU'ya geçtiği anda MMU önce bunun cep bellekte olup olma dığını kontrol eder. Eğer varsa, fiziksel adres kısmını alıp hemen kullanır. Aksi takdirde MMU, bellekten sayfa tab losu (page table) ve gösterge tablosu (pointer table) elemanlarını getirip adres çevirmesini (translation) ger çekleştirir. Intel sisteminde cep bellek fonksiyonu CPU dışındaki 10 yonga (chip) tarafından gerçekleştirilmektedir. 'Fully associative' cep bellek düzenlemesini kullanan Zilog mikroişleyici sisteminde CPU içinde bulunan 256 byte'hk cep bellek, her biri 16 byte'lık 16 etiket doğru sundan (tag line) oluşmuştur. Motorola mikroişleyici sistemi, doğrudan eşleştirme cep

(direct mapped cache) düzenlemesini kullanır. 256 byte' lık cep belleği 64 etiket doğrusundan oluşmaktadır.

Adreslemede adresin cep bellekte bulunması ve yeni bir adres çevirme işleminin gerekmemesi olasılığı yani cep belleğin mantıksal ve fiziksel adresi içinde bulundurma oranı, isabet oranı (hit ratio), tipik uygulamalar kullanı larak deneysel olarak bulunmakta ve bu oran cep düzen lemelerine göre değişik sistemlerde genellikle farklı değerler vermektedir. İsabet oranının büyük olması, siste min işletme hızını artırmaktadır.

2.3. Eştşleyicler

Eş işleyiciler (coprocessor) CPU ile birlikte çalışan, yak laşık olarak onlar kadar karmaşık olan ve 32 bitlik mik roişleyici sistemlerini büyük bilgisayarlar seviyesine çıkarmada önemli rolü olan yardımcı işleyici birimlerdir. CPU ile ilgili eş işleyiciler arasında iletişim, çok hızlı, iyi tanımlanmış, içinde mevcut ve programcıya açık pro tokoller sayesinde olmaktadır. Diğer yardımcı yongalar için olduğu gibi, eş işleyicileri de kendisinin tasarımlan mış olduğu bir sistemin dışında verimli olarak kullanmak çok çok zordur.

Bütün bu eş işleyici işlemlerinde CPU, komutu (instruc tion) bellekten getirir, gerekli olan adres hesaplamalarını yapar ve komutu uygun veriyle birlikte eş işleyiciye işlenmek üzere gönderir. Veri üzerindeki asıl işlem eş işleyicinin kendisi tarafından gerçekleştirilir.

Eğer gereken eş işleyici sistemde mevcut değilse, CPU yazılım tuzağı (softvvare trap) yaratarak, komutun yazı lımsal yordamlarla (softvvare routines) taklidine olanak tanır.

Aynı çeşit eş işleyici olmadıkça, sistemde kullanılacak eş işleyici sayısında bir üst sınır yoktur.

örneğin; National ve Tl 32000 ailesinde 3 değişik eş işleyici söz konusudur: 32082 MMU, 32081 kayan nok talı işlem birimi, kullanıa tanımlı genelleştirilmiş uygu lamaya özgü eş işleyici (userdefined generalized applica tion specific coprocessor).

32032 CPU, bu eş işleyiciler tarafından işlenebilen üç değişik komut grubunu birbirinden ayırd edebilmekte ve komutu ilgili eş işleyiciye göndermektedir.

Eş işleyiciler 2 büyük üstünlüğü beraberlerinde getirmiş lerdir :

— Eş işleyiciler öyle tasarımlanmışlardır ki, ileride tek nolojinin eş işleyicileri CPU'lann içine yerleştirme ola nağı tanıdığı durumda, hiçbir yazılımsal değişikliğe neden olmayacaklardır. Bu, mevcut programların daha hızlı işletilmesine olanak sağlayacaktır.

Programcı yazılımsal taklitçi (softvvare emulator) kul lanarak sistemini geliştirmek ve ileride çıkacak eş işleyi cilerle bu yazılımsal taklitçileri değiştirip yüksek başa

ELEKTRÎK MÜHENDİSLİĞİ — 343

rım (performas) elde etme olanağına sahip olmaktadır.

National ve Tl ailesinde 32081 kayan noktalı işlem biri mi, 3 2 0 0 0 komut kümesine tek, çift duyarlıklı (single, double precision) işlemler yanı sıra, 8,1 6,32 bitfik sabit nokta (fixed point) hesaplamaları yapan komutların eklenmesini de mümkün kılar.

Motoroia'mn kayan noktalı işlem birimi 68881 ve AT & T*nin WE 32106 matematiksel işlemleri hızlan dırıcı birimi (math acceleration unit), genişletilmiş duyarlılık (extended predsion) istemleri şu an sağlaya bilen iki eş işleykidir.

Eş işleyidler değişik birçok işlemi gerçekleştirmektedir, örneğin, Motorola'nın 68881 kayan noktalı işlem eş işleyidsi, kök alabilmekte, trigonometrik fonksiyonları yapabilmekte, üstel (exponential) ve logaritmik hesaplan gerçekleştirebilmektedir.

2.4. Komut Tipdine1

'Pipelining', işleyicinin birçok komutu paralel olarak işlemesine olanak sağlayarak sistem basanınım artırır. Bu durumlarda, işleyici her komutu temel işlemlerden oluşan kısımlara böler. Bunların hepsi içki bir işleme birimi vardır. Komutların, temel işlemlerden oluşan kısımlara bötunmt şekli, işleyldnin mimarisi ile yakın dan ilgilidir.

Örneğin, Z80000*de her komut bu nedenle 6 kışıma bölünmüştür: Koımrt getir, komut çözme, işlenen (operand) adres hesaplaması, işlenen getir, işletme ve işlenenin depolanması.

Herhangi bir komutun, bu kısımlardan birinde ilerleye bilmesi için bir önceki komutun o kısmı bitirip geçmiş olması gerekmektedir.

Bazı komutlar, bu bütün kısımları kullanmazlar. Böyle komutlarda ve sırasız (non sequential) komutlarda "pipdining"den tam yatar sağlanamaz.

3. 32 BrnİKMÖMOBİLGÖAVAJHURTLARI

Şu an piyasaya çıkmış veya çıkma durumunda olan 32 bitlik mikrobilgisayar kartlarından banları şunlardır:

Motorola Semiconductor MVME 1 3 0 , Ironics I V 3 2 0 1 , Goodspeed GS 32.

örneğin, Motorola MVME 130 mikrobilgisayar kartı 68020 üzerine tasarımlanmıştır ve üstünde 68881 kayan noktalı işlem eş işleyidsi ile 68851 MMU için soketler mevcuttur. Kart, 1 Mbyte ROM kapasitesi (64 K x 8 bit' lik yongalardan) veya 128 Kbyte (8 K x 8 bit'lik yonga lardan) kadar statik RAM kapasitesi sağlayabilmektedir. MVME 130 mikrobilgisayar kartı, MVMX32 taşıtını kullanır.

National 32016'ya göre tasarımlanan fakat aynı zamanda 32032 ile çalışabilecek GS 32, National'ın 32082 MMU' unu, 32061 kayan noktalı işlem birimini, 32201 zaman lama (timing) ve kontrol birimini içermekte, ayrıca giriş/ çıkış yönetimi (l/O management) için ayn bir Z80 eş işleyicisi kullanmaktadır. Giriş/çıkış alt sistemi, eş işle yici, 4 kanal DMA aygıtı, "floppy" disk arabirimi, 24 bit'lik paralel port, 6 seri kanal, 1 kesilme denetleyicisi, yerel RAM ve yerel PROM'dan oluşmaktadır. Z80 ve DMA aygıtının her ikisi de ana belleğin her yerine erişe bilmektedir.

4. SONUÇ

Daha önce büyük bilgisayarlara özgü olarak bilinen birçok yapısal ve fonksiyonel özellikleri içeren ve genel olarak merkezi işlem birimi, bellek yönetim birimi, kayan noktalı işlem birimi, DMA denetleyidsi ve kesilme denetleyidsi birimlerinden oluşan 32 bitlik mikroişle yici sistemleri değişik firmalarca piyasaya çıkarılmış ve piyasada 32 bitlik mikrobilgisayar kartları,«tık, satı lır ve kullanılır duruma gelmiştir.

KAYNAKLAR

Mokhoff, N, 1945, Complete Systems Now Fostibk With 32 bit Chip Seti, Couputcr Design, July 1, 77 89.

TUllip», D., 1Ş«Ş, MamfmmeTrickı fUbe Pcrfonnabce of 32 bit Micios, Cwyuter Derign, July 1,95 10».

WelU, P, I98M0386 Raiıes The Flag ForCompröbaity, Digital Design, October, 32 39.