Bilgisayarların temel çalışma mantığı ikili sayı sistemi (binary) yani 0 ve 1’ler üzerine kuruludur. Bu sistem, elektrik sinyallerinin varlığı (1) veya yokluğu (0) şeklinde fiziksel olarak temsil edilir. Peki bu 0 ve 1’ler nasıl işleniyor? Adım adım açıklayalım:

1. Transistörler: 0 ve 1’lerin Fiziksel Karşılığı

  • CPU’da milyarlarca transistör (anahtar görevi gören yarı iletken devre elemanları) bulunur.
  • Transistörler:
    • Açık (ON) durumunda → “1” (elektrik akımı geçer)
    • Kapalı (OFF) durumunda → “0” (elektrik akımı geçmez)
  • Örneğin, bir transistör grubu 0101 gibi bir ikili diziyi temsil edebilir.

2. Mantık Kapıları (Logic Gates): Temel İşlem Birimleri

  • Transistörlerin birleşimiyle mantık kapıları oluşur (AND, OR, NOT, XOR gibi).
  • Her kapı, belirli bir mantıksal işlem yapar. Örneğin:
    • AND kapısı: Girişlerin hepsi 1 ise çıkış 1, aksi halde 0.
    • OR kapısı: Girişlerden en az biri 1 ise çıkış 1.
  • Örnek: 1 AND 0 = 0, 1 OR 0 = 1.

3. Aritmetik İşlemler: Toplama, Çıkarma, Çarpma

  • Mantık kapıları birleşerek aritmetik birimleri (ALU) oluşturur.
  • Örnek (Toplama):
    • İki bit toplamak için yarı toplayıcı (half-adder) devresi kullanılır:
      • 0 + 0 = 00 (sonuç: 0, elde: 0)
      • 1 + 1 = 10 (sonuç: 0, elde: 1)
    • Daha karmaşık işlemler için tam toplayıcılar (full-adders) birleştirilir.

4. Komut Çalıştırma: CPU’nun Adım Adım İşleyişi

CPU, makine kodları (0 ve 1’lerden oluşan komutlar) ile çalışır. Örneğin:

  1. Fetch (Getir): Bellekten bir komut okunur (örn: 10110011).
  2. Decode (Çöz): Komutun ne yapacağı çözülür (örn: “A ve B’yi topla”).
  3. Execute (Çalıştır): ALU devreleri devreye girer, sonuç hesaplanır.
  4. Store (Sakla): Sonuç belleğe veya kaydediciye yazılır.

5. Örnek: “5 + 7” İşlemi Nasıl Yapılır?

  1. Sayılar ikiliye çevrilir:

    • 5 → 0101
    • 7 → 0111

  2. ALU, bit bit toplama yapar (elde bitleriyle birlikte):

      0101 (5)  
+ 0111 (7)  
--------  
  1100 (12)

  3. Sonuç 1100 (12) olarak kaydedilir.

6. Bellek ve Programlarla Etkileşim

  • Tüm programlar ve veriler en nihayetinde ikili kodlara dönüştürülür.
  • Örneğin, A harfi ASCII’de 01000001 ile temsil edilir.
  • CPU, bu kodları işleyerek ekrana “A” yazdırabilir veya matematik işlem yapabilir.

Özetle:

  1. Fiziksel Katman: Transistörler 0/1’i elektrik sinyaliyle temsil eder.
  2. Mantıksal Katman: Kapılar, temel işlemleri yapar.
  3. Aritmetik Katman: ALU, matematiksel işlemleri gerçekleştirir.
  4. Komut Katmanı: Makine kodları, CPU’ya ne yapacağını söyler.

Bu hiyerarşi sayesinde, karmaşık yazılımlar bile en basit elektrik sinyallerine indirgenerek işlenebilir.

"ALU işlemleri yapıyor anladım. peki aynı işlem bir daha ALU ya gelirse aynı işlemi daha önce hesapladığı için sonucu biliyor. Bu işlemi tekrar mı yapar yoksa daha önce yaptığı sonucu mu döndürür?"

CPU’lar genellikle aynı işlemi tekrar hesaplar, çünkü ALU (Aritmetik Mantık Birimi) durumsuz (stateless) bir birimdir ve geçmiş işlemleri hatırlamaz. Ancak modern işlemciler, performansı artırmak için önbellek (cache) ve sonuç tekrar kullanımı (reuse) gibi optimizasyon teknikleri kullanır. Detaylı açıklayalım:

1. ALU’nun Temel Çalışma Mantığı

  • ALU, her seferinde girdilere bakar ve sonucu anında hesaplar. Önceki işlemlerin sonucunu saklamaz.
  • Örneğin:
    • İlk seferde 5 + 7 işlemi yapıldığında ALU 1100 (12) sonucunu üretir.
    • Aynı işlem tekrar gelirse, ALU yeniden hesaplama yapar.
    • Neden? Çünkü ALU’nun hafızası yoktur; her işlem bağımsızdır.

2. Optimizasyon: Önbellek (Cache) ile Sonuç Tekrar Kullanımı

Modern CPU’lar, ALU’nun her seferinde yeniden hesaplama yapmasının performans kaybını azaltmak için şu yöntemleri kullanır:

a. Önbellek (Cache) Sistemi

  • CPU, sık kullanılan veri ve işlem sonuçlarını önbellekte saklar.
  • Örneğin:
    • 5 + 7 işlemi ilk kez yapıldığında sonuç (1100) L1 önbelleğe kaydedilir.
    • Aynı işlem tekrar gelirse, CPU önce önbelleği kontrol eder. Sonuç oradaysa ALU’ya gitmeden doğrudan önbellekten okur.
    • Bu, enerji ve zaman tasarrufu sağlar.

b. Instruction-Level Parallelism (ILP)

  • CPU’lar, aynı işlemin tekrarını tespit edip sonucu yeniden kullanabilir.
  • Örneğin bir döngüde 5 + 7 defalarca çalıştırılıyorsa, bazı mimariler (örneğin superscalar işlemciler) bu sonucu tekrar hesaplamak yerine kaydedicilerde (register) tutabilir.

c. Compiler Optimizasyonları

  • Derleyiciler (GCC, Clang vb.), kodunuzda aynı işlemi tekrar tekrar yapıyorsanız, gereksiz hesaplamaları atlayıp sonucu bir kez saklayabilir.

  • Örneğin:

    int x = 5 + 7;  // Derleyici bunu "int x = 12;" olarak optimize eder.

3. Neden ALU Geçmişi Hatırlamaz?

  1. Basitlik ve Hız: ALU’nun geçmiş işlemleri saklaması, devre karmaşıklığını artırır ve hızı düşürür.
  2. Güç Tüketimi: Ek hafıza birimleri enerji tüketimini artırır.
  3. Paralel İşlemler: Modern CPU’lar aynı anda birden fazla işlem yapar. Her ALU işlemi bağımsız olmalıdır.

4. Özel Durum: “Memoization” Tekniği

  • Yazılım tarafında, fonksiyonların sonuçlarını saklayan memoization gibi teknikler kullanılabilir.

  • Ancak bu, CPU seviyesinde değil, yazılım/yüksek seviye optimizasyonudur. Örneğin:

    from functools import lru_cache
@lru_cache
def add(a, b):
    return a + b
# add(5, 7) ilk kez hesaplanır, sonraki çağrılar önbellekten gelir.

Sonuç

  • Saf ALU: Her işlemi sıfırdan hesaplar (geçmişi hatırlamaz).
  • Gerçek Dünya CPU’ları: Önbellek, paralellik ve derleyici optimizasyonları sayesinde aynı işlemi tekrar hesaplamaktan kaçınır.

Yani teknik olarak ALU her seferinde hesaplar, ancak sistemin diğer bileşenleri bu sonucu daha akıllıca yöneterek performansı artırır. 😊