von Neumann modeli ve komut döngüsü

İlk dört haftada parçaları gördün: kapılar, toplayıcı, mux, register, bellek. Bu hafta onları bir araya getirip bilgisayar yapıyoruz. 1946’da John von Neumann’ın tarif ettiği model bugün hâlâ her işlemcinin temelinde. Bu sayfada modelin beş parçasını ve bir komutun nasıl işlendiğini (instruction cycle) öğreneceksin. Örneklerde LC-3 komutlarını kullanıyoruz; komutların ayrıntısı 7-8. haftada.

Vizede bu konudan genelde kısa cevap gelir: beş parçayı say, PC/IR/MAR/MDR ne tutar, altı fazı sırala, FETCH adımlarını yaz, PC = x3000 ise FETCH sonrası ne olur.

von Neumann modeli

           +-------------------------------+
           |            MEMORY             |
           |        MAR         MDR        |
           +-------------------------------+
                  ^               ^
                  |               |
   INPUT  ---> +------------------------+ ---> OUTPUT
 (klavye)      |    PROCESSING UNIT     |      (ekran)
               |   ALU      TEMP (R0-R7)|
               +------------------------+
                           ^
                           |
               +------------------------+
               |      CONTROL UNIT      |
               |       PC        IR     |
               +------------------------+

Memory: MAR ve MDR

Belleğe erişmenin tek yolu bu iki register’dır.

• Okuma: adresi MAR’a yaz, bellek o konumun içeriğini MDR’ye koyar.
• Yazma: adresi MAR’a, değeri MDR’ye yaz, yazma sinyalini (WE) ver.

Processing unit

İşlemleri yapan ALU (arithmetic and logic unit) ve ara sonuçları tutan küçük, hızlı register’lardan oluşur. Belleğe gitmek yavaştır; bu yüzden sık kullanılan değerler register’da tutulur. LC-3’te 8 tane var: R0-R7. ALU’nun bir seferde işlediği bit sayısına word length denir (LC-3: 16 bit).

Control unit: PC ve IR

• PC (program counter): sıradaki komutun adresi. Adı “sayaç” ama aslında bir işaretçi.
• IR (instruction register): şu an işlenen komutun kendisi.

Kontrol birimi bir FSM’dir (4. hafta). Her saat çevriminde hangi sinyallerin açılacağına karar verir.

Stored-program kavramı

Programın komutları da bellekte bit olarak durur, aynı veri gibi. Bilgisayar yeni bir iş için yeniden kablolanmaz; belleğe yeni bir program yüklenir. Buna stored-program kavramı denir ve von Neumann modelinin özüdür.

TUZAK · PC’yi IR ile karıştırmak. PC’de bir adres (x3001 gibi), IR’de bir komut (x1263 gibi) var. “PC şu anki komutu tutar” yazmak klasik hata: FETCH’ten sonra PC zaten bir sonrakini gösteriyor.

Komut (instruction)

Bir komut iki parçadan oluşur: opcode (ne yapılacak) ve operands (neyle yapılacak). LC-3’te her komut 16 bittir, opcode en üstteki 4 bit (IR[15:12]).

x1263 = 0001 001 001 1 00011
        ADD  R1  R1  imm #3      →   ADD R1, R1, #3   (R1 ← R1 + 3)

Komut döngüsü (instruction cycle)

Bilgisayar her komut için aynı altı fazı sırayla yapar, sonra bir sonraki komuta geçer. Durmadan, HALT’a kadar.

FETCH ayrıntısı

1. MAR ← PC          (adresi belleğe gönder)
   PC  ← PC + 1      (aynı çevrimde PC artar)
2. MDR ← M[MAR]      (bellek okunur, birkaç çevrim sürebilir)
3. IR  ← MDR         (komut IR'de)

PC = x3000 ile başlarsan FETCH bitince PC = x3001, IR = M[x3000]. PC, komut çalışmadan önce artar. Bu ayrıntı 7. haftada PC-relative adres hesabında çok önemli olacak: offset, artmış PC’ye eklenir.

DECODE

IR[15:12] bir 4-to-16 decoder’a girer. Decoder’ın tam bir çıkışı 1 olur: komut belirlenir. Kalan 12 bit, komuta göre farklı alanlar olarak yorumlanır.

Her komut her fazı kullanmaz

Çözümlü örnek

Bellekte x3000 adresinde LDR R4, R2, #-3 var, R2 = x4005 ve M[x4002] = x00AB.

FETCH            MAR ← x3000, PC ← x3001, MDR ← M[x3000], IR ← MDR
DECODE           opcode 0110 = LDR, DR = R4, BaseR = R2, offset6 = -3
EVALUATE ADDRESS x4005 + (-3) = x4002
FETCH OPERANDS   MAR ← x4002, MDR ← M[x4002] = x00AB
EXECUTE          (yok)
STORE RESULT     R4 ← x00AB, condition code: P (pozitif)
sonuç: R4 = x00AB, PC = x3001

Bu komut belleğe iki kez gitti: bir kez komutu getirmek, bir kez veriyi okumak için. ADD bir kez gider (sadece FETCH), LDI üç kez (komut, adres, veri).

Sıralı akışı değiştirmek

Normalde her FETCH, PC’yi bir artırır; program satır satır ilerler. Kontrol komutları (control instructions) bu akışı değiştirir. Örneğin BRz komutu, son yazılan değer sıfırsa EXECUTE fazında PC’ye yeni bir adres yazar. Bir sonraki FETCH oradan başlar. Döngüler ve if’ler böyle kurulur (8. hafta).

Saat ve HALT

Kontrol birimi saat çevrimiyle çalışır. Bir komut birkaç çevrim sürer (bellek erişimi genelde en yavaş kısım). Saat durursa bilgisayar durur. LC-3’te HALT (TRAP x25) komutu, işletim sisteminin bir rutinini çağırarak saat sinyalini kapatır.

Sık yapılan hatalar