Mikrobilgisayarlar ve mikroişlemciler pek çok modern
laboratuvar cihazının ayrılmaz bir parçası olmuşlardır. Bunlar çalışma
koşullarını kontrol ederler, işlem verilerinin ve analitik sonuçların
araştırmacıya istenilen şekilde ulaşmasını sağlarlar. Mikroişlemciler integre
devrelerdir; özel uygulamalar için programlanabilirler. Mikrobilisayarlar ise çalışması
mikroişlemcilerle sağlanan sistemlerdir.
Bir analitik cihaza bir bilgisayar takılması için en az iki
neden vardır:
- Ölçmelerin
kısmen veya tamamen otomatikleştirilmesi.
- Hesaplama
ve veri-toplama yeteneklerinin çok yüksek olması; çok zaman harcayan
matematiksel hesapları çok kısa sürelerde yapılabilmesi.
Bilgisayarlar cihazlara çeşitli şekillerde bağlanabilirler.
Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi başlıca üç tür bağlantıdan söz edilebilir:
Hat dışı bağlantı:Veriler
bir kişi tarafından toplanır ve sonra bilgisayara yüklenerek magnetik teyp,
delgili kartları, veya bir klavye ile işlemler yaptırılır. Şekil (a)
Hat üstü bağlantı:
Bu yöntemin hat-dışı yöntemden farkı
cihaz ile bilgisayar arasında doğrudan bir iş ilişkinin sağlanmış olmasıdır. Bu
ilişki elektronik bir "arayüz (interface)" ile sağlanır. Cihazdan
gelen sinyalin şekillendirilmesi, digital hale çevrilmesi, ve depolanması
bilgisayar ile bu arayüzde yapılır. Bu yöntemde bilgisayar, verilerin
toplandığı ve bu verilerin işlenmesi için gereken talimatların yer aldığı
kısımdır; bu düzen hat-dışı işlemde de aynen bulunur. Şekil b
Hat-içi bağlantı: Cihazın
içinde bir mikrobilgisayar veya bir mikroişlemci bulunur. Burada kişinin görevi
sadece sistemi hazırlamak ve cihazın yaptığı işlemi bilgisayardan geçecek
şekilde yönlendirmektir. Bilgisayarın programı, üretici firması tarafından
yapılmıştır. Şekil (c)
Bilgisayarın analitik cihazlara bağlanma şekilleri; (a) hat-dışı. (b)
hat-üstü, (c) hat-içi bağlantılar
Hat-içi ve hat-üstü işlemlerde veri bilgisayara "gerçek
zamanda", yani cihazdan çıkarken iletilir. Çoğu zaman bir cihazın veri
üretme hızı, bilgisayarın veri toplama kapasitesinin sadece küçük bir
fraksiyonunu kapsayacak kadar düşüktür; bu durumda veri toplama arasındaki
periyotlar, bilgilerin çeşitli şekillerde işlenmesinde kullanılır. Örneğin,
verilerin işlenmesi bir konsantrasyon hesaplanması, eğri düzeltme, verinin
önceden toplanmış ve depolanmış verilerle ortalamasının alınması, ve sonucun çıkarılması
ile ilgili olabilir.
"Gerçek-zamanda işlemleme"de veri cihazdan
alındığı anda işlenir. Yöntemin iki önemli avantajı vardır:
- Gerekli
veri depolama bölgesinin küçük olmasını sağlar, böylece fazla karmaşık ve
pahalı olmayan bilgisayar kullanılmasına olanak verir.
- Veri
toplama noktaları arasında yeterli zaman bulunduğunda işlenen sinyal, cihazın
parametrelerinin düzeltilerek sonraki sinyallerin daha hassas ve kaliteli
olmasını sağlar.
Terminoloji
Donanım (Hardware): Bir bilgisayar ve ilişkili olduğu
cihazların verimi, veri işlemcilerin ve iletişim fonksiyonlarının
performanslarına bağlıdır. Bilgisayar
donanımı, yapıldığı fiziksel aletlerden oluşur. Disk sürücüler, yazıcılar,
saatler, hafıza üniteleri, ve aritmetik ve lojik işlemleri yapan kimlikler,
donanımlar içinde sayılırlar. Bilgisayara programların ve talimatların
toplanması (onların depolandığı teypler ve diskler de dahil) yazılımdır.
Bilgisayarların başarılı uygulamalarında donanım ve yazılım ayni derecede
önemlidir.
Yazılım (Software): Donanımın işlemesinin kontrol
eden ve yönlendiren programlar ve sembolik diler, talimatların toplanması
(onların depolandığı teypler ve diskler de dahil) yazılımdır. Digital bir
bilgisayarın gücü çok sayıdaki elementer işlemleri kısa zamanda (saniyede yüz
binlerce) yapabilmesinden gelir. Komutlarla yapılan bu işlemlere
"talimatlar" denir. Bazı program dilleriyle yazılan bir talimatlar
listesine de "program" adı verilir.
Bit: Digital elektroniklerde ve bilgisayarlarda
kullanılan 0 ve 1 ikilili rakamlara "bitler" dir; bitler, birbirinden
5-10 V farklı iki elektriksel hal ile tanımlanır.
Byte: Sekiz bitlik bir seriye, çoğu zaman, bir
"byte" denir.
Kelimeler (Word): Bir veri parçasını veya bir
talimatı tanımlayacak şekilde dizilmiş bir seri byte ‘a bir kelime adı verilir.
Her bir kelimedeki bitlerin (veya byteların) sayısı bilgisayarın büyüklüğüne
bağlıdır; büyüklükler 8, 16, 32, 64 .. bitlik veya karşılığı olan 1, 2, 4, ve 8
bytelik.
Mikroişlemciler
Bir bilgisayarın kalbi mikroşlemci birimidir (MPU). Bir
mikroişlemci, bir digital bilgisayarın "merkez işlem birimi (central
processing unit), CPU" denilen aritmetik ve lojik bileşenidir. Mikrobilgisayarda
bu birim bir mikroişlem çipidir. Bir mikroişlemcide bir kontrol birimi ve
bir aritmetik lojik bulunur. Kontrol
birimi hafızada saklanan bir programdan verilen talimatlarla işlem sırasını
kontrol eder. Kontrol ünitesi giriş aletinden bilgileri, hafızadan da
talimatları ve verileri alır, talimatları uygulamaya uyacak şekilde aritmetik
birime çevirir, hesaplamaları yapar, ve sonuçları aritmetik birimle çıkışa (çoğu
kez belleğe) gönderir.
Bir mikroişlemci, on binlerce hatta yüz binlerce transistör,
direnç, anahtar, ve diğer devre elementlerinin birkaç milimetre karelik tek bir
silikon çip üzerine yerleştirilmesiyle hazırlanmış büyük-skalalı bir integre
devredir. Mikroişlemciler ayrıca, analitik cihazlar, otomobil yakma sistemleri,
mikrodalga fırınlar, kasalar, ve elektronik oyun makinelerinin kontrolünde de
kullanılır.
Bir Mikroişlemcinin kısımları
Kontrol birimi: Mikroişlemcinin
beynidir, tüm sistemi yönetir; bilgileri ve verileri alır, depolar, giriş-çıkış
sistemlerini kontrol altında tutar.
Taşıyıcı arayüz
birimi: Ana hafızadan bilgi ve
verileri alır, bilgileri bilgi ön belleğe, verileri veri ö belleğe gönderir.
Ayrıca, işlenmiş veriyi alarak ana hafızaya taşır.
Bilgi çözücü: Bu
birim programlanmış alır ve işlemci birimlerin anlayabileceği bir şekilde
çözer; örneğin, ALU veya FPU’ya uygun hale getirir ve bu birimere gönderir.
Aritmetik logic
(mantık) birimi (ALU): Bu kısım aritmetik ve mantık işlemlerini yapan ve
toplayan hesaplama birimidir. eşit büyüklükte bir seri sicil veya akümülatörden
oluşmuştur. ALU’ya “tam sayı birimi” de denir.
Kayar Nokta Birimi
(FPU, Floating-Point Unit): Numerik birim olarak da bilinir. Bilimsel
gösterimlerde (notation) sayılarla anlatılan bilgilerin hesaplamalarını yapar.
Kayar-nokta hesaplamaları grafiklerin çizilmesinde, mühendislik ve bilimsel
çalışmalarda çok gerekli işlemlerdir. Bu tür hesaplamaları ALU da yapabilir,
ancak FPU’ya kıyasla çok yavaştır.
Kayıtlar (Registers):
Mikroişlemcinin içindeki ikili tabandaki sayıları tutmaya yarayan geçici
hafızadır, bu sayılar program kodu yada veri olabilir. ALU ve FPU .bu
kayıtlardaki ara ve son değerleri depolar. İşlenmiş veri, kayıtlardan veri ön
belleğe ve sonra da ana hafızaya döner.
Mikrobilgisayarlar
Mikrobilgisayarlarda bir veya daha çok sayıda mikroişlemci
bulunur. Bunlar, hafıza depolama, zaman ayarlayıcı, giriş, ve çıkış işlevlerini
yapan diğer devre elementleri ile birleştirilmiştir. Mikrobilgisayarlar (ve
tabii mikroişlemciler) analitik cihazların kontrollerinde ve verilerin
işlenmesinde, depolanmasında, ve görüntülenmesinde geniş bir kullanım alanına
sahiptir.
Mikrobilgisayar blok diyagramı
Giriş-çıkış (I/O)
kapıları: Bu birimler mikroişlemcinin dış dünya ile bağlantısıdır. Giriş
kapısı, analiz cihazlarının mikroişlemciye sinyal ve/veya veri gönderebildiği
bir devre, çıkış kapısı ise mikroişlemcinin sinyal ve/veya veri
gönderebilmesini sağlayan bir devredir.Bilgisayar sadece sayısal sinyallere
cevap verir. Bu nedenle giriş verileri için analog-digital çevirici (ADC) ve
çıkışı kullanılabilir bir sinyale çeviren digital-analog (DAC)’ler kullanılır.
Taşıyıcılar (Busses):
Bir bilgisayarın çeşitli kısımları, belleği, ve yan birimleri taşıyıcılarla
birleştirilir. Çeşitli kısımlar arasında hızlı bir iletişim sağlanabilmesi için
bir kelimeyi oluşturan tüm digital sinyaller taşıtın paralel hatları ile anında
taşınır. MPU‘daki iç taşıyıcıların hat sayısı bilgisayar ile işlenen kelimenin
büyüklüğüne eşittir. Örneğin, bir 8-bit CPU ‘daki iç taşıyıcıda sekiz bitin her
birini geçirecek sekiz paralel geçiş hattına gereksinim vardır. CPU’ya giriş
CPU’dan veri taşınması bir veri taşıtı ile yapılır. Veri taşıyıcıdaki sinyallerin
kaynağı ve gideceği yer (hedefi) adres taşıyıcıyla saptanır. 16 hatlı bir adres
taşıtı bilgisayarda veya belleğinde 26 (veya 65535) sicil veya diğer
yerleşimlerin adresini verir. Kontrol taşıtı, bilgilerin CPU ya gidiş ve CPU
dan geliş durumlarını ve kontrolünü taşır. Bu değiştirmeler kontrol taşıtındaki
zaman sinyalleriyle sıralanır.
Ana Hafıza (Bellek)
Bir mikrobilgisayarda bellek, MPU ile doğrudan girilebilen
bir depolama bölgesidir. MPU nun belleğe, hem verileri ve hem de program
bilgilerini içermesi nedeniyle, her bir program basamağı için en az bir kere
girmesi gerekir. Bellekten bir bilgiyi geri kazanmak için gerekli zamana
"bulunma zamanı" denir; bulunma zamanları onda birden yüzlerce
nanosaniyeye kadar değişir (1 nanosaniye = 10-9 saniye).
Bir bellek çipindeki herbir hücrenin bir "adres"i
veya yeri olmalıdır; böylece MPU bir OKU veya YAZ komutu verdiğinde hücre tam
olarak belirlenir. Bu adresler belleğe adres taşıtı ile iletilir.
Bir bellek çipindeki herbir hücrenin bir "adres"i
veya yeri olmalıdır; böylece CPU bir OKU veya YAZ komutu verdiğinde hücre tam
olarak belirlenir. Bu adresler belleğe adres taşıtı ile iletilir. 16 hücre için
dört adres hattına gereksinim vardır (16 = 24). 4096 dizilim için
adres taşıtının 12 paralel hat taşıması gerekir (4096 = 212).
Mikroişlemcilerin ve bilgisayarların pek çoğunda iki tip
bellek bulunur. Bunlara "rasgele bulunma belleği (random access
memory)" RAM, ve "bilgili tek hafıza (read only memory)" ROM,
denir. Rasgele yer terimi kısmen aldatıcıdır, çünkü ROM lar da rasgele
bulunabilirler. Bu terim hafızadaki tüm yerleşimlerim eşit bulunabilirlikte olduğunu ve ayni hızda
ulaşılabileceğini belirtir. Bu nedenle RAM yerine daha tanımlayıcı olan
"oku/yaz hafızası" teriminin kullanılması daha uygundur. RAM ve
ROM’dan başka RAM, ROM, EPROM, EAROM gibi kodlarla tanımlanan bellek çipleri de
vardır.
RAM (Random Access Memory): Rasgele bulunma belleği
veya oku/yaz belleği olarak tanımlanır. RAM aletleri birkaç tiptir. En basitinde,
her bir depolama hücresinde tek bir ince kapasitör ve bir bi-polar transistör
bulunur. İki, üç, dört, ve altı transistörlü depolama hücreleri ilave
avantajlar gösterir. Bi-polar yerine alan-etki transistörlerini kullanan
hücrelerde sürekli tazelemeye gerek olmaz ve çok az akım çekerler; küçük kuru
piller haftalarca yeterli olur. Bunların hafızalarına "durgun (statik)
hafızalar" denir; bunlar, alet kapalıyken bile talimatlar ve verilerin silinmediği
cep hesap makineleri ve bilgisayarlarda bulunurlar.
ROM (Read Only Memory): Yalnız okunabilir bellektir. ROM’da imalat sırasında
konulan sabit talimatlar ve veriler bulunur; Bir ROM un içeriği programlamayla
değiştirilemez. Bir ROM hücresi karşıtı olan RAM ‘dan daha basit ve sıkı
yapılıdır. Bu nedenle ROM aletleri 8-16 K bit gibi büyük kapasitelerde
olabilir. Hatta birkaç tanesi, tek bir çip üzerinde
yerleştirilebilir.Mikrobilgisayarlar ve el hesap makineleri sistemlerinde ROM
aletleri bazı matematik işlemlerini yapabilecek şekilde programlanmışlardır.
Bunlar logaritma, üst alma, ve trigonometrik fonksiyonlar; statistik hesaplar
(ortalamaları, standart sapmalar, ve en küçük kareler); ve çeşitli veri verme
yöntemleridir (sabit nokta, bilimsel veya mühendislik bilgileri).
EPROM (Erasable Program Read Only Memory): ROM un bir
değişik türü ultraviole ışına tutularak programı silinebilen EPROM veya PROM
dur. Silme işleminden sonra hafıza cihazla yeniden programlanabilir.
EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory): Son
gelişmelere göre üretilen ROM‘lar elektrik sinyalleriyle daha kolay
programlanabilmektedir. Bunlar EAROM olarak bilinir.
Kelime Deposu: Tek
bir bilgi bitinin adreslenmesi, saklanması, ve kimliği hakkında bazı bilgiler
edinildi. Bir bilgisayar hafızası, CPU nun okuma ve yazmayı bytelar (veya
kelimeler) cinsinden yapabileceği şekilde dizayn edilir.
Yığıt Deposu: Bilgisayarlarda,
yarıiletken hafızalardan başka yığın depolama aletleri de bulunur. Bunların en
basiti ses kasetine benzeyen bir magnetik teyptir. Bir teyp, bulunma zamanı
10-100 saniye arasında olan 166 –107 bit depolayabilir.
Çeşitli magnetik disklerinin birarada kullanılmasıyla daha karmaşık yığın
deposu elde edilir. Bunlardan bazıları bulunma zamanı 0.1-0.5 saniye aralığında
108 bit depolayabilirler.
