Bilgisayar sistemi, soyutlama ve dönüşüm seviyeleri

Bu ders, “bir bilgisayar gerçekte nasıl çalışır?” sorusunu aşağıdan yukarıya cevaplar. Transistörden başlar, kapılara, devrelere, belleğe, işlemciye, makine koduna, assembly’ye ve en sonunda C’ye çıkar. İlk hafta bu yolculuğun haritası. Vizede bu kısımdan genelde kısa cevap soruları gelir: seviyeleri sırala, ISA nedir, soyutlama neden var. Az emekle alınan puan.

Bu haftadan akılda kalması gereken beş şey:

1. Bilgisayar akıllı değil, hızlıdır. Her şeyi çok basit adımlarla yapar.
2. Soyutlama (abstraction) ayrıntıyı gizlemektir. Bütün bilgisayar mühendisliği bunun üzerine kurulu.
3. Yedi dönüşüm seviyesi var: Problem’den Devices’a. Sırasını ezberle.
4. ISA, yazılımla donanımın buluştuğu sözleşmedir.
5. Bütün bilgisayarlar, yeterli zaman ve bellekle, aynı şeyleri hesaplayabilir.

Soyutlama (abstraction)

Araba sürerken motorun içindeki pistonları düşünmezsin. Gaz pedalına basarsın, araba hızlanır. Pedal, motorun karmaşıklığını senden saklayan bir arayüzdür. Buna soyutlama denir: o an işine yaramayan ayrıntıyı gizleyip sadece kullanacağın kısmı görmek.

Bilgisayarda her seviye bir alttakini soyutlar:

• C yazarken hangi register’ın kullanıldığını bilmezsin.
• Assembly yazarken toplama komutunun içindeki kapıları bilmezsin.
• Bir toplayıcı devre çizerken transistörün içindeki elektronları bilmezsin.

Soyutlama seni hızlandırır. Ama bedeli var: bir şey beklendiği gibi çalışmadığında soyutlamanın altına inebilmen gerekir. Kitap buna soyutlamayı çözmek (deconstruct) der. Programın neden yavaş olduğunu anlamak için bellek erişimini, taşma (overflow) hatasını anlamak için bitleri bilmen gerekir. Bu ders sana o alt seviyeleri öğretir.

İPUCU · Sınav cümlesi. “Abstraction is a technique for hiding detail so that we can deal with a complex system at a higher level.” Benzer bir cümleyi kendi sözlerinle yazabilmen yeter.

Donanım ve yazılım ayrı değildir

Eski bakışta “donanımcı” ve “yazılımcı” ayrı insanlardı. Bu ders tam tersini savunur: iyi bir yazılımcı alttaki donanımın nasıl çalıştığını bilir, iyi bir donanımcı üzerinde çalışacak yazılımı düşünür. Örneğin bir dizinin belleğe nasıl yerleştiğini bilen biri, önbelleği (cache) daha iyi kullanan kod yazar.

Bilgisayar ne yapabilir: evrensel hesaplama aygıtı

1930’larda Alan Turing, bir hesaplamayı tanımlamak için soyut bir makine önerdi: Turing makinesi. Her Turing makinesi tek bir işi yapar (örneğin toplama). Turing ayrıca evrensel Turing makinesini (universal Turing machine) tanımladı: bu makine, kendisine verilen tarifle herhangi bir Turing makinesini taklit edebilir.

Bugünkü bilgisayarlar evrensel Turing makinesine denktir. Sonucu:

Bu yüzden bilgisayara universal computing device denir. Hesap makinesi ise öyle değildir: sadece fabrikada konan işleri yapar.

Yedi dönüşüm seviyesi (levels of transformation)

Bir problemi bilgisayara çözdürmek için onu adım adım elektronların hareketine çevirirsin. Her adım bir seviyedir.

Sıralamayı “Pazar Akşamı Pilav İç Meyve Limon Dondurma” gibi uydurma bir cümleyle akılda tutabilirsin: Problem, Algorithm, Program, ISA, Microarchitecture, Logic circuits, Devices.

Problem → Algorithm

Problem doğal dille anlatılır ve doğal dil belirsizdir (ambiguous). “Yaşlı adam ve kadın” cümlesinde kadın da yaşlı mı? Bilgisayar bu belirsizliği çözemez. Bu yüzden ilk dönüşüm, problemi bir algoritmaya çevirmektir. Bir algoritmanın üç özelliği olmalı:

• Definiteness: her adım kesin tanımlıdır.
• Effective computability: her adım bilgisayarla gerçekten yapılabilir. “En büyük asal sayıyı bul” yapılamaz, çünkü öyle bir sayı yoktur.
• Finiteness: sonlu adımda biter.

Aynı problem için birçok algoritma olabilir. Biri daha hızlı, biri daha az bellek kullanan olabilir.

Algorithm → Program

Algoritma bir programlama diline yazılır. Programlama dilleri belirsizlik içermez; bilgisayar onları mekanik olarak çözümleyebilir. İki tür dil var:

• Yüksek seviyeli (high-level): C, Java, Python. Makineden bağımsızdır.
• Düşük seviyeli (low-level): assembly. Belirli bir ISA’ya bağlıdır, her satır genelde tek bir makine komutudur.

Program → ISA

ISA (Instruction Set Architecture), yazılım ile donanım arasındaki sözleşmedir. Programcının (ya da derleyicinin) bilgisayara verebileceği her şeyi tanımlar:

• Hangi komutlar var ve kodları ne (opcode),
• Komutların hangi tür verilerle çalıştığı (data types: 2’s complement tam sayı, karakter, ondalık),
• Operandın yerinin nasıl bulunacağı (addressing modes),
• Kaç register var, bellek nasıl adreslenir.

C programını ISA’ya derleyici (compiler) çevirir. Assembly’yi makine koduna assembler çevirir. Örnekler: x86 (Intel/AMD), ARM (telefonlar), LC-3 (bu dersin eğitim bilgisayarı).

ISA → Microarchitecture

Mikromimari, ISA’nın donanımda nasıl gerçeklendiğidir. ISA “ne yapılacağını”, mikromimari “nasıl yapılacağını” söyler. Aynı ISA’yı çalıştıran çok farklı işlemciler vardır: biri ucuz ve yavaş, biri pahalı ve hızlı. Hepsi aynı makine kodunu çalıştırır.

Benzetme: araba kullanma arayüzü (direksiyon, pedal, vites) ISA’dır. Motorun kaç silindirli olduğu mikromimaridir. Sürücü olarak arayüz aynıysa her arabayı sürersin.

Microarchitecture → Logic circuits → Devices

Mikromimarinin her parçası (toplayıcı, register, bellek) mantık devreleriyle kurulur. Devreler de transistörlerden yapılır. Bu derste CMOS transistörleri göreceğiz (3. hafta).

Bu dersin yol haritası

Yani dönem boyunca seviyeleri aşağıdan yukarıya tırmanıyorsun.

Çözümlü örnekler

Örnek 1. Bir ISA’da 100 farklı komut var. Opcode alanı en az kaç bit olmalı?

k bit → 2^k farklı kod
2^6 = 64  < 100   yetmez
2^7 = 128 ≥ 100   yeter
cevap: 7 bit

Örnek 2. Aşağıdakileri seviyesine yerleştir.

Örnek 3. “Bir şirket işlemcisini yeniden tasarladı. Eski programlar yeniden derlenmeden çalışıyor.” Hangi seviye değişti? Cevap: mikromimari. ISA aynı kaldığı için eski makine kodu çalışmaya devam ediyor.

Sık yapılan hatalar