Mikroişlemci

Mikroişlemci, işlemci (bazen kısaltma olarak μP kullanılır) merkezi işlem biriminin (CPU) fonksiyonlarını tek bir yarı iletken tüm devrede (IC) birleştiren programlanabilir bir sayısal elektronik bileşendir.
Bir veya daha çok mikroişlemci, tipik olarak bir bilgisayar sisteminde, gömülü sistemde ya da bir mobil cihazda merkezi işlem birimi olarak görev yapmaktadır.
1970'lerin ortalarından itibaren mikroişlemciler, mikrobilgisayarların doğuşunu mümkün kılmıştır. Bundan önce, tipik olarak elektronik ana işlem birimleri, sadece birkaç transistöre eş değer büyük, ayrık anahtarlama (switching) aygıtları (daha sonra Small-Scale tüm devreler) kullanılarak yapılıyordu. İşlemciyi, bir ya da birkaç Large-Scale tüm devre (binlerce veya milyonlarca ayrık transistörün eş değeri) içine gömmekle işlemci gücü fiyatı büyük ölçüde düşürüldü. 1970'lerin ortalarında tüm devrelerin doğuşuyla mikroişlemci, diğer bütün türleri değiştirip, ana işlem biriminin yapımında en yaygın yol oldu.
Performansın yıllar boyu sürekli artışı söz konusu olunca, mikroişlemcilerin evrimi Moore Yasasına dayanır. Bu kanun tüm devrenin karmaşıklığının, en düşük bileşen maliyetine göre her 24 ayda iki katına çıktığını söyler. Bu görüşün doğruluğu 1970'lerin başından itibaren kanıtlanmıştır. Hesap makineleri için sürücü olarak başladıkları alçak gönüllü yolculukta, güçlerindeki sürekli artış, mikroişlemcilerin diğer bilgisayar biçimleri arasında dominant olmasını sağladı. Günümüzde, en büyük ana bilgisayarlardan, en küçük el bilgisayarlarına kadar her sistem çekirdeğinde mikroişlemci kullanılmaktadır.
Tarihçe
İlk Mikroişlemciler
Teknolojideki birçok gelişmeyle beraber, mikroişlemci fikri gerçekleşmeye hazırdı. Üç proje, aynı zamanda tartışmalı bir şekilde tam bir mikroişlemciyi doğurmuştu: Intelin 4004ü, Texas Instrumentsın TMS 1000i ve Garrett AiResearchün Central Air Data Computerı. 1968de Garrettın, Birleşik Devletler ordusunun yeni uçağı F-14 Tomcatin ana uçuş kontrol bilgisayarını yapması istendi. Tasarım 1970'te tamamlanmıştı ve çekirdek ana işlem biriminde olduğu gibi MOS tabanlı bir yonga seti (chipset) kullanıyordu. Tasarım, yarıştığı diğer mekanik sistemlere göre daha küçük ve çok daha güvenilirdi ve bütün öncü Tomcat modellerinde kullanılmıştı. Fakat sistem o kadar gelişmiş görüldü ki; ordu, tasarımın yayımlanmasını 1997ye kadar reddetti. Bu yüzden, kullandığı CADC ve MP944 yonga setleri günümüzde bile hala tam olarak bilinememektedir.
Texas Instruments (TI), 4-bit TMS 1000i üretti ve önceden programlanmış gömülü uygulamalara önem verdi. 17 Eylül 1971de TMS1802NC olarak adlandırılan bir versiyon, bir hesap makinesinin tüm işlevlerini bir çip üzerinde gerçekleştirebiliyordu. Intelin çipi 4-bit 4004, 15 Kasım 1971de piyasaya sürüldü ve Federico Faggin tarafından geliştirildi.
TI, mikroişlemci için patent başvurusunda bulundu. Gary Boone, 4 Eylül 1973'te tek-çip mikroişlemci mimarisiyle U. S. Patent 3,757,306 aldı. Hangi şirketin, laboratuvarlarında ilk çalışan mikroişlemciye sahip olduğunu bilmek hiçbir zaman mümkün olmayabilir. İlginç bir şekilde, bir üçüncü şahıs mikroişlemci yi de kapsayabilen bir patente sahip olduğunu iddia etti. Bu sitede, bir mucidin TI ve Intelden önce bulduğu, mikroişlemci sayılabilecek ya da sayılamayacak, mikrodenetleyici (microcontroller) anlatılmaktadır.
Mikroişlemcinin değişik bir biçimi olan bir-çipte-bilgisayar, (computer-on-a-chip) mikroişlemci çekirdeği (CPU), bellek ve G/Ç (giriş/çıkış) hatlarının hepsini tek bir çip üzerinde toplar. Bir-çipte-bilgisayar patenti (o sıralarda mikrobilgisayar patenti olarak adlandırılıyordu) U. S. Patent 4,074,351, TIdan Gary Boone ve Michael J. Cochrana verilmişti. Bu patent bir yana, mikrobilgisayarın standart anlamı ana işlem birim(ler)i olarak bir veya daha fazla mikroişlemci kullanan bilgisayar iken, patentte tanımlanan kavram muhtemelen bir mikrodenetleyiciye daha yakındır.
A History of Modern Computing, (MIT Press), pp. 22021e göre, Intel tasarlamakta olduğu bir terminalde kullanılacak bir çip için, daha sonra ismi Datapoint olacak olan San Antonio TX orijinli Computer Terminals Corporation ile bir anlaşma yaptı. Daha sonra Datapoint çipi kullanmaktan vazgeçti ve Intel bunu Nisan 1972de 8008 olarak piyasaya sürdü. Bu, dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisiydi. 8008 ve halefleri, dünyaca ünlü 8080, mikroişlemci bileşen pazar yerini oluşturdu.
Önemli 8-bit tasarımlar
4004ü, daha sonra, 1972de, Dünya'nın ilk 8-bit mikroişlemcisi olan 8008 takip etti. Bu işlemciler, çok başarılı olan Intel 8080 (1974), Zilog Z80 (1976) ve Intel 8-bit işlemcilerin türevlerini müjdeliyordu. Rekabet eden Motorola 6800, Ağustos 1974'te piyasaya sürüldü. Mimarisi 1975'te, 1980lerde Z80in popülerliğiyle yarışacak olan MOS Technology 6502de kopyalandı ve geliştirildi.
Z80 de 6502 de, daha küçük paketleme (packaging), basit bilgisayar bus ihtiyaçları ve ayrı bir çip üzerinde bulunması gereken devrelerin eklenmesiyle (örneğin, Z80 bellek denetleyici içermekteydi) genel maliyeti düşürmek üzerine yoğunlaşmıştı. Bu özellikler, 1980lerin başındaki ev bilgisayarı devrim ini mümkün kıldı.
Western Design Center, Inc. (WDC) 1982de CMOS 65C02yi tanıttı. Bu tasarım Apple IIc ve IIe kişisel bilgisayarların, otomotiv, endüstriyel ve tüketim aygıtlarının çekirdeğini oluşturdu.
Motorola 1978de MC6809ü üreterek bütün 8-bit Dünyası'nda büyük yankı uyandırdı. MC6809 tartışmaya açık bir şekilde, gelmiş geçmiş en güçlü, ortogonal ve en temiz 8-bit mikroişlemciydi aynı zamanda üretime geçen mikroişlemciler arasında en karmaşık sert telli mantıksal tasarıma sahipti. Yaklaşık bu zamanlarda, MC6809dan daha güçlü tasarımlar için mikro kodlama(microcoding) sert telli mantığın yerine geçti bunun nedeni özellikle sert telli mantık için tasarım gereksinimlerinin çok fazla karmaşık olmaya başlamasıydı.
Başka bir 8-bit mikroişlemci ise Signetics 2650ydi. Bu mikroişlemci, yenilikçi ve güçlü komut kümesi mimarisiyle (instruction set architecture) kısa bir ilgi gördü.
Başka bir mikroişlemci ise uzay uçuşu Dünyası'nda kullanılan RCAnın RCA 1802siydi (CDP1802, RCA COSMAC (1976)). NASAnın 1970'lerdeki Voyager ve Viking uzay sondalarında kullanıldı. CDP1802nin kullanılmasının sebebi düşük güç tüketimi ve üretim süreci nedeniyle (safirde silikon) kozmik radyasyona ve elektrostatik yayılımlara karşı o zamanın diğer işlemcilerinden daha iyi dayanmasıydı. Bu nedenle, 1802, radyasyona karşı güçlendirilmiş ilk mikroişlemci olarak kabul edilir.
16-bit tasarımlar
İlk çoklu-çip (multi-chip) mikroişlemci 1973'te üretilen National Semiconductor IMP-16ydı. Bu yonga setinin 8-bit versiyonu 1974'te IMP-8 olarak piyasaya sürülmüştü. 1975'te National ilk tek-çip 16-bit mikroişlemciyi, PACEi, üretti. PACEi daha sonra NMOS versiyonu olan INS8900 takip etti.
TIın 16-bit mikroişlemcisi TMS 9900, TI-990 tipi mikrobilgisayarlarla uyumluydu. 9900, ayrıca TI 990/4 mikrobilgisayar, TI-99/4A ev bilgisayarı ve TM990 tipi OEM mikrobilgisayarlarda kullanılıyordu. Intel 8080 gibi çoğu 8-bit mikroişlemci, daha yaygın, küçük ve ucuz plastik 40-pin DIPle paketlenirken, 9900, büyük bir seramik 64-pinli DIPle paketleniyordu. TMS 9900ün ardından TMS 9980, Intel 8080 ile rekabet etmek için tasarlanmıştı. 9980, bütün TI 990'lar 16-bit komut setine sahipti; plastik 40-pin paket kullanıyordu; tek seferde 8 bit taşıyabiliyordu fakat sadece 16KB adresleyebiliyordu. Üçüncü bir çip, TMS 9995 yeni bir tasarımdı. Aile daha sonra 99105 ve 99110u da kapsayacak şekilde genişledi.
1984'te The Western Design Center, Inc. (WDC) WDC CMOS 65C02nin 16-bit yükseltmesi olan CMOS 65816yı üretti. 65816 16-bit mikroişlemcisi, Apple IIgsnin ve daha sonra da Super Nintendo Eğlence Sisteminin çekirdeğini oluşturdu. Bu, 65816yı tüm zamanların en popüler 16-bit tasarımlarından biri yaptı.
Intel değişik bir yol izledi. Emüle edecek bir minibilgisayar olmadan 8080 tasarımlarını geliştirerek 16-bit Intel 8086yı, modern PC tip bilgisayarların çoğunda bulunan x86 ailesinin ilk üyesini, üretti. İlk IBM kişisel bilgisayarı, model 5150de kullanılan 8088 mikroişlemcisi, 8086nın harici bir 8-bit data bus a sahip versiyonuydu. 8086 ve 8088 sonrasında Intel 80186, 80286 ve 1985'te 32-bit 80386yı üretti ve işlemci ailelerinin geriye uyumluluğuyla; PC piyasasındaki egemenliğini sağlamlaştırdı.
Gömülü mikroişlemci bellek yönetim birimi (the integrated microprocessor memory management unit) (MMU), Intelde Childs et al. tarafından ortaya atıldı ve 4,442,484 numaralı Birleşik Devletler patenti alındı.
32-bit tasarımlar
32-bit tasarımları ortaya çıkmaya başladıktan sonra 16-bit tasarımları piyasada çok fazla kalamadı.
32-bit tasarımların en ünlülerinden biri, 1979de üretilen MC68000 idi. Sık bilinen adıyla 68K, 32-bit yazmaçlara (register), fakat 16-bit dahili veri yollarına (data paths) ve pin sayısını azaltmak üzere 16-bit harici data bus a sahipti ve yalnızca 24-bit adreslemeyi destekliyordu. Motorolanın onu genel olarak 16-bit bir işlemci olarak tanıtmasına rağmen, açık bir şekilde 32-bit mimarisine sahipti. Yüksek hız, büyük (16 megabayt) bellek alanı ve nispeten ucuz fiyatı onu sınıfının en popüler ana işlem birimi tasarımı haline getirdi. Atari ST ve Commodore Amiga gibi 1980lerin ortalarındaki sistemlerde kullanılmasının yanı sıra aynı zamanda Apple Lisa ve Macintosh sistemlerinde de 68000 kullanılmıştır.
Dünyanın ilk tek-çip tam 32-bit mikroişlemcisi (32-bit data yolları, 32-bit bus lar ve 32-bit adresleme), ilk örnekleri 1980de gelen ve üretime 1982de geçen AT&T Bell Labs BELLMAC-32A idi (Bu kaynakçasal referans a ve bu genel referans a bakabilirsiniz). 1984'te AT&Tnin dağılmasından sonra bu mikroişlemciye WE 32200 adı verildi (WE Western Electricin kısaltmasıydı) ve iki takipçi nesile sahip oldu: WE 32100 ve WE 32200. Bu mikroişlemciler, AT&T 3B5 ve 3B15 mikrobilgisayarlarda, Dünya'nın ilk masaüstü süpermikrobilgisayarı 3B2de, Dünya'nın ilk 32-bit dizüstü bilgisayarı Companionda ve günümüzdeki oyun konsollarındakine benzer ROM-pack bellek kartuşu kullanan Dünya'nın ilk kitap-boyutunda (book-sized) süpermikrobilgisayarı Alexander da kullanıldı. Bu sistemlerin tümü UNIX System V işletim sistemini çalıştırıyordu.
Intelin ilk 32-bit mikroişlemcisi iAPX 432 idi. 1981de üretilen bu mikroişlemci, ticari bir başarıya ulaşamadı. Gelişmiş bir yetenek tabanlı nesne yönelimli mimariye (capability-based object-oriented architecture) sahipti. Fakat Motorola 68000 gibi rakip mimarilere göre düşük performans elde ediliyordu.
Motorolanın 68000 ile yakaladığı başarı, sanal bellek (virtual memory) desteği sunan MC68010u doğurdu. 1985'te tanıtılan MC68020 tam 32-bit data ve adres bus larına sahipti. 68020, Unix süpermikrobilgisayar piyasası ve masaüstü sistemler üreten birçok küçük şirket (örneğin; Altos, Charles River Data Systems) için çok popüler oldu. Bunu takiben, MMUyu çipe ekleyen MC68030 ile beraber 68K ailesi, DOS çalıştırmayan her sistem için uygun işlemci oldu. Devam eden başarı, daha iyi aritmetik performans için FPUya sahip olan MC68040ı doğurdu. 68050, hedeflediği performansa ulaşamadı ve piyasaya sürülmedi. Takipçisi MC68060, piyasaya çok daha hızlı bir RISC tasarımla sürüldü. 1990ların başlarında 68K ailesi masaüstü piyasasından çekildi.
Diğer büyük şirketler, 68020yi tasarladı ve takipçilerini gömülü ekipmanlarda (Embedded Equipment) kullandılar. Bir noktada, gömülü ekipmanlardaki 68020lerin sayısı, PClerdeki Intel Pentiumlardan daha fazlaydı (Gömülü kullanım bilgisi için bu siteye bakınız). ColdFire işlemci çekirdekleri, saygıdeğer 68020nin türevleriydi.
Bu zaman süresince (1980lerin başlarından ortalarına kadar), National Semiconductor, NS 16032 adında (daha sonra 32016 ismi verildi) 68020ye çok benzer bir 16-bit pinout lu, 32-bit dahili mikroişlemciyi, tam 32-bit versiyonu olan NS 32032yi ve bir sınıf 32-bit endüstriyel OEM mikrobilgisayarları üretti. 1980lerin ortalarında, Sequent, NS 32032 kullanarak; ilk simetrik çoklu-işlemcili (Symmetric Multiprocessor (SMP)) server sınıfı bilgisayarı üretti. Bu, 32032nin birkaç başarısından biriydi ve 1980lerin sonunda piyasadan çekildi.
MIPS R2000 (1984) ve R3000 (1989) çok başarılı 32-bit RISC mikroişlemcilerdi. Uç sınıf (High-End) iş platformlarında ve serverlarda kullanıldı.
Diğer tasarımlardan biri, piyasaya çok geç giren ve çabuk çekilen ilginç Zilog Z8000di.
1980lerin sonlarındaki mikroişlemci savaşları bazı mikroişlemcileri öldürdü. Örneğin, sadece bir ana tasarım kazancıyla, Sequentin NS 32032si yok oldu ve Sequent, Intel mikroişlemcileri kullanmaya başladı.
1985'ten 2003'e kadar 32-bit x86 mimarisi, masaüstünde, dizüstünde ve server piyasasında giderek yaygınlaştı ve bu mikroişlemciler gittikçe daha hızlı ve daha yetenekli hale geldiler. Intel, mimarisinin öncü versiyonlarını diğer şirketlere lisansladı fakat Pentium'u lisanslamayı reddetti. Bu yüzden AMD ve Cyrix, kendi tasarımlarını yaparak bu mimarinin daha sonraki versiyonlarını gerçekleştirdiler. Bu kısa süre içinde, işlemcilerin karmaşıklığı (transistör sayısı) ve yetenekleri (komut/saniye) en az 1000 katına çıktı.
64-bit masaüstü mikroçipler
1990ların başlarından beri bazı piyasalarda 64-bit mikroişlemciler kullanılırken, 2000lerin başları PC piyasası için hedeflenmiş 64-bit mikroçiplerin doğuşu olarak kabul edilir.
AMDnin Eylül 2003'te ilk 64-bit IA-32 ile geriye uyumlu mimarisi olan AMD64ü tanıtmasından sonra, Intel de kendi x86-64 çiplerini üretti ve 64-bit masaüstü çağı başlamış oldu. İki işlemci de eski 32-bit uygulamaları çalıştırabilirken, yeni 64-bit yazılımları da destekliyordu. 64-bit Windows XP ve 64-bit çalışabilen Linux ile yazılımlar da bu işlemcilerin bütün gücünü ortaya çıkarma fırsatı buldu. 64-bit'e geçiş sadece yazmaç boyutlarının IA-32ye göre artması değil ayrıca yaşlanmış CISC tasarımı için genel amaçlı yazmaçların sayısının da iki katına çıkması demekti.
64 bit'e geçiş, 90ların başlarında PowerPC işlemcilerinin tasarımından beri amaçlanmıştı ve uyumsuzluk için büyük bir neden değildi. Mevcut tam sayı yazmaçları, ilgili data yolları gibi genişletilmişti fakat birkaç yıl boyunca IA-32de olduğu gibi Floating Point ve vektör birimleri 64 bit veya daha fazlasında çalışıyordu. x86-64e genişleyen IA-32de olanın aksine, 64-bit PowerPCye yeni bir genel amaçlı yazmaç eklenmedi. Böylece, geniş adres alanını kullanmayan 64-bit modu uygulamaları çalıştırılırken elde edilen performans kazancı az oluyordu.
Çok-çekirdekli işlemciler
1990ların başlarından beri server'larda ve iş platformlarında kullanılan ve popüler olan simetrik çoklu işlem (multiprocessing) tasarımlarında olduğu gibi, bilgisayarın performansını arttırmak için değişik bir yaklaşım da bilgisayara daha fazla işlemci eklemekti. Moore Kanununa uygun kalmak; çip yapma teknolojileri, teknolojinin fiziksel sınırlarına yaklaştıkça daha da zorlaşmaktadır. Bu yüzden, piyasadaki sabit gelişimlerin hızını yakalamak için mikroişlemci üreticileri performansı arttırmak adına başka yollar aramaktadır.
Birçok-çekirdekli işlemci, kabaca birden fazla mikroişlemci çekirdeğini kapsayan tek bir çiptir. Etkin olarak, potansiyel performansı çekirdek sayısıyla çarpmak (işletim sistemi ve yazılım birden çok işlemcinin avantajını kullanacak şekilde tasarlamışsa) genel performansı verir. Bus arayüzü ve ikinci seviye önbellek (Second Level Cache) gibi bazı bileşenler çekirdekler arasında paylaşılabilir. Çekirdekler fiziksel olarak birbirlerine çok yakın olduğu için, ayrık çok işlemcili sistemlere göre, birbirleriyle iletişimleri çok daha yüksek saat hızlarında gerçekleşir ve böylece genel sistem performansı artmış olur.
2005'te, ilk büyük piyasa çift-çekirdek (Dual-Core) işlemcileri duyuruldu ve 2006 itibarıyla, server'lar için dört-çekirdek (Quad-core) işlemciler kullanılabilir olmaya başlarken, çift-çekirdek işlemciler uç-sınıf server'larda ve iş platformlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
RISC
1980lerin ortalarından 1990ların başlarına kadar, birçok yeni, yüksek performanslı RISC (azaltılmış komut kümesi bilgisayarı (reduced instruction set computer)) mikroişlemciler üretildi. Bu mikroişlemciler, özel amaçlı makinelerde ve Unix iş platformlarında kullanıldı ve Intel-standart masaüstü hariç bütün rollerde evrensel bir hale geldi.
İlk ticari tasarım, MIPS Technologies tarafından yapıldı, 32-bit R2000 (R1000 piyasaya sürülmemişti). R3000 tasarımı gerçekten pratik bir hale getirmişti ve R4000 dünyanın ilk 64-bit tasarımı olarak tanıtıldı. Rakip projeler, IBMin POWER ve Sunın SPARC sistemlerini doğurdu. Kısa bir süre içinde, tüm büyük üreticiler bir RISC tasarımı üretmeye başladılar. Bunlardan bazıları ise: AT&T CRISP, AMD 29000, Intel i860 ve Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha ve HP-PAydı.
Piyasa güçleri, ana masaüstü RISC işlemci olarak PowerPCyi ve sadece Sun tasarımlarında kullanılan SPARCı bırakarak; bu tasarımlardan çoğunun eriyip gitmesine neden oldu. MIPS, en önemlisi Cisco router'larında olduğu gibi çoğu gömülü tasarım olarak kullanılan bazı SGI sistemleri sağlamaya devam etmektedir. Orijinal tasarımların geri kalanı ise günümüzde ya yok olmuştur ya da yok olma eşiğindedir. Diğer şirketler, özellikle ARMa yöneldi. ARM orijinal olarak ev bilgisayarlarını amaçlamış fakat daha sonra gömülü işlemci piyasasına yoğunlaşmıştır. Bugün, MIPS, ARM veya PowerPC çekirdeği tabanlı RISC tasarımları işlemsel aygıtların (computing devices) çok geniş çoğunluğuna güç vermektedir. 64-bit hesaplamalarında, DEC Alpha, AMD64, MIPS, SPARC, Power Mimarisi ve HP-Intel Itanium popüler tasarımlardır.
Özel amaçlı mikroişlemciler
Mikroişlemci terimi, geleneksel olarak bir tek-çip veya çoklu-çip ana işlem birimini veya bir-çipte-sistemi (System-on-a-chip (SoC)) işaret ederken; aynı teknolojiyle birkaç tip özelleşmiş işlem aygıtı üretildi. En yaygın örnekler mikro denetleyicilerdir: Sayısal Sinyal İşleyiciler (Digital Signal Processors (DSP)) ve Grafik işleme birimleri (Graphics Processing Units (GPU)). Bunların çoğu örneği, ya programlanabilir değil ya da kısıtlı programlama yeteneklerine sahiptir. Örneğin, genelde 1990lardaki GPUlar büyük ölçüde programlanabilir değildi ve ancak yakın zamanda programlanabilir Vertex Shader gibi sınırlı yeteneklere kavuştular. Mikroişlemci ile ne tanımlandığı konusunda evrensel bir konsensüs yoktur fakat aksi özellikle belirtilmemişse terimin bir özel amaçlı işlemciyi değil genelde bir genel amaçlı ana işlem birimini işaret ettiğini varsaymak yanlış olmaz.
RCA 1802, statik tasarıma sahipti. Statik tasarımın anlamı, saat frekansının keyfi olarak 0 Hz'e, tam bir durma haline, kadar düşürülebilmesiydi. Bu, Voyager/Viking/Galileo uzay araçlarının yolculuklarının olaysız anlarında minimum elektrik enerjisi tüketmesini sağlıyordu. Yön bulma güncellemeleri, Dünya'ya göre meyil kontrolü, data alımı ve radyo iletişimi gibi önemli görevlerde zamanlayıcılar ve/veya sensörler işlemciyi zamanında hızlandırabiliyordu.
Sınıflandırma
Günümüzde tasarlanan ve üretilen işlemciler PClerde, cep telefonlarında, gömülü sistem uygulamaları gibi hayatımızın pek çok alanında kullandığımız elektronik aletlerde kullanılmaktadır. Tarihsel işlemci tasarım sürecinde teknolojinin hızla gelişmesiyle bazı tasarımlar güncelliğini kaybetmiştir, bununla birlikte bazı tasarımların kullanımına ise günümüzde de devam edilmektedir. Bu kadar çeşitli alan için tasarlanan işlemciler elbette tek bir kriter göz önüne alınarak sınıflandırılamaz. İşlemci sınıflandırması birçok farklı duruma göre yapılabilir. Bunlar: paralelliğe, mimariye, belleklere, adresleme kiplerine göre yapılabilmekte.
Paralelliğe göre sınıflandırma
Bu sınıflandırma paralel ve paralel olmayan şeklindedir.
Paralel olmayan
Single-Cycle işlemciler
Adından da anlaşılabileceği gibi bu gruba dahil olan işlemcilerde komutlar eşit cycle sayısında işlenir. Örneğin tüm komutların 1 ya da 2 saat çevriminde bitirilmesi gibi. İşlemcide kullanılacak saat hızı seçiminde en yavaş komut (critical path) dikkate alınarak seçim yapılmalıdır.
Multi-Cycle işlemciler
Tasarımı single cycle tasarımına göre daha zordur. Tasarım yapılırken komutlar daha küçük kısımlara ayrılırlar. Bu küçük kısımlar daha hızlı bir saat çevrimi ile işlenir. Örneğin bir komut 5 küçük kısma ayrılıp 5 cycle'da işlenirken başka bir komut 2 cycle'da tamamlanabilir. Performans olarak kısa komutların çokça kullanıldığı bir programda single-cycle işlemcilerden hızlıdır. Tasarım yapılırken daha fazla komponente ihtiyaç duyulur.
Paralel
Pipeline (iş hattı) işlemciler
Çok tekrarlanan ve alt parçalara bölünen işlemlerde kullanılır. Genel yapısı yandaki resimde gösterildiği gibidir.
Pipeline aritmetik iş hattı ve komut iş hattı (Instruction Pipeline) olmak üzere iki kısımdan oluşur. Merkezi işlem birimleri komutları işlenirken belli alt işlemleri tekrar ederler. En basit iş hattı iki segmanlı olarak kurulabilir. Verimi artırmak için komut işlemi daha küçük parçalara ayrılabilir.
Komut al
Komut çöz
Efektif adres hesapla
Operand al
Komut yürüt
Sonucu yaz
Superscalar işlemciler
Superscalar işlemciler, her saat sinyalinde birçok komutu okuyarak kendi komut sıralamasına koyar. Aynı anda aynı fonksiyonel üniteler birden fazla komut tarafından kullanılamayacağından superscalar işlemcilerde fonksiyonel üniteler birden fazladır. Bunun dışında komutların program sırası dışında (out of order execution) işlenmesine olanak sağlayan yapılar ile paralellik arttırılabilir. Bu işlem reorder buffer ya da genişletilmiş register file ile sağlanabilir.
Adresleme kiplerine göre sınıflandırma
CISC mimarisi
CISC mimarisinin karakteristik iki özelliğinden birisi, değişken uzunluktaki komutlar, diğeri ise karmaşık komutlardır. Değişken ve karmaşık uzunluktaki komutlar bellek tasarrufu sağlar. Karmaşık komutlar iki ya da daha fazla komutu tek bir komut haline getirdikleri için hem bellekleri hem de programda yer alması gereken komut sayısından tasarruf sağlar. CISC yapısının en çok kullanıldığı alan sinyal işlemede kullanılan DSP işlemcileridir.
RISC mimarisi
RISC mimarisi, CISC mimarili işlemcilerin kötü yanlarını piyasanın tepkisi ve ona bir alternatif olarak, işlemci mimari tasarımlarında söz sahibi olan IBM, Apple ve Motorola gibi firmalarca sistematik bir şekilde geliştirilmiştir. RISC yapısının güzelliği, basit yapılar içermesinden dolayı bu yapıların kullanılarak çok farklı şekilde kompleks yapıların çözülmesindedir.
Sonuç: işlemci sınıflamalarından iki mimari hakkında ön bilgi verildi. Fakat işlemci yapılandırılması bu iki mimari ile sınırlı değildir. Bu konu paralelliğe ve adresleme kiplerine göre ele alındı.
Piyasa istatistikleri
2003'te yaklaşık 44 milyar dolar değerinde mikroişlemci üretildi ve satıldı. Bu paranın yaklaşık yarısının masaüstü ve dizüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılan ana işlem birimlerinde harcanmasına rağmen bunlar satılan bütün ana işlem birimlerinin sadece yaklaşık %0.2siydi.
Dünyada satılan bütün CPUların yaklaşık %55i 8-bit mikrodenetleyicilerdir. 1997de 2 milyardan fazla 8-bit mikrodenetleyici satıldı.
Dünyada satılan bütün CPUların %10undan daha azı, 32-bit veya daha fazladır. Satılan bütün 32-bit CPUlardan %2 si masaüstü veya dizüstü kişisel bilgisayarlarda, geri kalanı ise tost makinesi, mikrodalga, elektrik süpürgesi ve televizyon gibi ev eşyalarında kullanılmıştır. Genel olarak bakıldığında, bir mikroişlemci, mikrodenetleyici veya DSPnin ortalama fiyatı 6$ın biraz üstündedir.
Yaygın mikroişlemciler ve mimariler (İngilizce)
AMD K5, K6, K6-2, K6-III, Vikipedi:Duron, Athlon, Athlon XP, Athlon MP, Athlon XP-M (IA-32 32-bit Intel x86 mimarisi)
AMD Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Opteron, Sempron, Turion 64 (AMD64 mimarisi)
ARM ailesi, StrongARM, Intel PXA2xx
Altera Nios, Nios II
Atmel AVR mimarisi (saf mikrodenetleyiciler)
EISC
RCA 1802 (RCA COSMAC, CDP1802)
Cyrix M1, M2 (IA-32 32-bit Intel x86 mimarisi)
DEC Alpha
Intel 4004, 4040
Intel 8080, 8085, Zilog Z80
Intel 8086, 8088, 80186, 80188 (16-bit yalnızca -gerçek mod Intel x86 mimarisi)
Intel 80286 (16-bit gerçek mod ve korunmuş mod Intel x86 mimarisi)
Intel 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Celeron, Intel Core Duo, Pentium II, Pentium III, Xeon, Pentium 4, Pentium M, Celeron M (IA-32 32-bit Intel x86 mimarisi; IA-64 ataları, HP PA-RISC)
Sonraki Xeon, sonraki Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Intel Core 2 (EM64T mimarisi)
Intel Itanium (IA-64 mimarisi)
Intel i860
Intel i960
M32R mimarisi
MIPS mimarisi
Motorola 6800, MOS Technology 6502, Motorola 6809
Motorola 68000 ailesi, ColdFire
Motorola 88000 (PowerPC ailesinin ataları, POWER)
NexGen Nx586 (IA-32 32-bit Intel x86 mimarisi)
IBM POWER (PowerPC ailesinin ataları, 88000)
NSC 320xx
OpenCores OpenRISC mimarisi
PA-RISC ailesi (HP, IA-64 ataları mimarisi, IA-32)
PowerPC ailesi, G3, G4, G5
National Semiconductor SC/MP ("scamp")
Signetics 2650
SPARC, UltraSPARC, UltraSPARC IIIV
SuperH ailesi
Transmeta Crusoe, Efficeon (VLIW mimarisi, IA-32 32-bit Intel x86 emulator)
INMOS Transputer
VIA'nın C3, C7, Eden Serisi (IA-32 32-bit Intel x86 mimarisi)
Western Design Center 65xx
XAP processor Cambridge Consultants'dan