Bilgisayar Mimarisi

BİLGİSAYAR MİMARİSİ

Genel bilgiler

Mikro işlemcili bir sistemde bulunan mikroişlemcinin temel işlevi; işlenen ve kullanılan verileri birimler arasında iletme, iletilen verileri işleme, verileri bir durumdan diğerine çevirme ve verileri uygun yerde saklamadır. Verileri iletme/işletme işlevlerini gerçekleştiren ve bir programın mantıksal çalışmasına doğrudan etki eden mikroişlemcinin mimarisini; mikroişlemci içerisinde bulunan birimlerin özellikleri, yapıları, birimler arasında oluşan veri iletimi ile verilerin saklanma şekli ve mikroişlemcide kullanılan komut seti belirler. Diğer bir değişle, mikro işlemci mimarisi; mikroişlemci kapasitesi, bellek yapısı ve tasarım felsefesi tarafından şekillendirilir. Mikro işlemcinin kapasitesi; mikro işlemcide bulunan birimlerin özellikleri, kaydedici sayısı, kaydedicilerin büyüklüğü, kullanılan yollardaki hat sayısı, kayar noktalı hesaplama birimi, vb. etkenler tarafından belirlenir.

Bilgisayar Mimarisi Çeşitleri

·         Kuantum Bilgisayarları

·         Vektör Bilgisayarları

·         Numa Bilgisayarları

·         Von Neumann Bilgisayarları

Hiyerarşik Bellek Tasarımı

Çeşitli veri depolama birimlerinin veri iletim hızı/işlem gücüne göre hiyerarşik olarak sıralanmasına bellek hiyerarşisi denir. İşlemcilerin hızı ve işlem gücü arttıkça bilgisayar mimarisini oluşturan veri saklama birimlerinin işlemciyle arasındaki senkron farkı git gide artmaktadır. Veri depolama birimleri arasındaki bu tür farklılıkların önüne geçmek, işlemcinin döngülerce diğer birimlerin veri işlemesi/iletmesi sırasında beklemesini engellemek için önbellek adı verilen geçiş birimleri oluşturulmuştur. Bu hiyerarşide bir bellek türü bir üst düzeydeki bellek türünü önbellek olarak kullanır. Örneğin yerel diskte kayıtlı bir dosyada işlem yaparken ana bellek işletim sistemi tarafından geçici depolama birimi olarak kullanılabilir. Hiyerarşideki bellek türleri hızlılık, düşük gecikme ve pahalılığa göre yukarıdan aşağıya doğru şu şekilde sıralanabilir.

·         Yazmaçlar (CPU)

·         L1 önbellek (SRAM)

·         L2 önbellek (SRAM)

·         Ana bellek (DRAM)

·         Yerel ikincil depolama birimleri

·         Uzaktan erişimli ikincil depolama birimleri

Pipelining –Boru Hattı Prensibi

Boru hattı yöntemi bilgisayar mimarisi ve diğer sayısal ürünlerin tasarımında başarımı arttırmak için bir yöntemdir. Komutları, boru hattı yöntemi ile işleyip daha kısa süre içinde bitmesini sağlar. Asıl amacı saat sıklığını artırarak başarımı arttırmaktır. Farklı kaynakları ayı anda, farklı işler tarafından kullanarak çalışır. Tek çekirdekli işlemcilerde, bir komut bitince diğer komut çalışmaya başlar. Her saat vuruşunda bir komut girer. Bir komut çıkar. Yani buyruk başına düşen çevrim sayısı 1’dir. Boru hattı yöntemi ise çoklu buyrukların örtüşmeli yürütümüdür. Birbirini bağlayan komutlar haricinde bir buyruğun işlemi gerçekleştirirken diğer komut işleme girebilir. Günümüzde daha hızlı işlemci tasarımında kullanılan önemli bir yöntemdir. Boru hattı işlemcinin komut döngü süresini azaltır bundan dolayı da birim döngü zamanına düşen komut sayısı artar. Boru hattında bütün aşamalardan geçmek gerekir. Tek bir komutun işini değil toplu komutların işlerini hızlandırır. Kısacası toplamda üretilen işi arttırır. Olası hızlanma boru hattındaki aşama sayısına bağlı olarak değişir.

Boru Hattı Hızını Etkileyen Etmenler

·         Boru hattındaki aşama sayısı ne kadar fazlaysa boru hattı hızlanması o kadar yavaştır.

·         Boru hattındaki aşamaların uzunluğunun sabit veya değişken olması; sabit daha hızlı, değişken olursa hızlanma süresi azalır.

·         Buyruk biçimleri ne kadar farklıysa hızlanma o kadar az olur.

·         Boru hattının dolma ve boşalma zamanları hızlanmayı etkiler. Dolma-boşalma süreleri ne kadar kısa olursa hızlanması o kadar artar.

·         Komutların bağımlılıklarının az olması, gecikmeyi azaltır ve hızlanmayı artırır.

·         Boru hattında, en uzun olana aşamaya göre sınırlama yapılır.

Temel Giriş/Çıkış İşlemleri

Giriş/çıkış, bilgi işlem sistemin değişik fonksiyonel birimleri arasındaki iletişimi veya bu ara yüzlere doğrudan bilgi sinyallerini göndermeyi sağlar. Girişler, değişik birimlerden alınan sinyallerdir. Çıkışlar ise bu birimlere gönderilen sinyallerdir. Giriş/çıkış cihazları bir kullanıcı tarafından bilgisayar ile bağlantı kurabilmek için kullanılır. Örnek olarak, klavye ve fare bilgisayarın giriş aygıtlarıdır. Ekran ve yazıcı ise bilgisayarın çıkış cihazlarıdır. Değişik cihazlar bilgisayar ile bağlantı gerçekleştirebilmeleri için giriş ve çıkış sinyallerini kullanırlar. Modem ve bağlantı kartları örnek olabilir. Klavye ve fare kullanıcıların fiziksel hareketlerinin giriş olarak alırlar ve bu fiziksel hareketleri bilgisayarın anlayabileceği seviyeye getirirler. Çıkış birimleri ise giriş sinyali olarak bilgisayarın ürettiği çıkış sinyallerini alırlar ve bu sinyalleri kullanıcıların görebileceği ve okuyabileceği çıktılara çevirir. Bilgisayar merkezinde Merkezi İşlem Birimi ve ana bellek bilgisayarın kalbini oluşturmaktadır. Çünkü bellek kendi talimatları ile merkezi işlem birimindeki verileri doğrudan okuyabilir ve merkezi işlem biriminin giriş/çıkış metotlarını sağlaması alt düzey bilgisayar programlamacılığında aygıt sürücülerinin tamamlanmasına yardımcı olur. Üst düzey işletim sistemleri ve üst düzey programlamacılık ideal giriş/çıkış kavramlarını ve temel ögeleri ayırt ederek çalıştırmaya olanak sağlamaktadır. Mesela C programlama dili programların giriş/çıkışlarını düzenlemek için içerisinde fonksiyonlar bulundurmaktadır. Bu fonksiyonlar dosyalardan veri okunmasını ve bu dosyaların içerisine veri yazılmasını sağlar.

Gömülü Sistemler

Gömülü sistem, bilgisayarın kendisini kontrol eden cihaz tarafından içerildiği özel amaçlı bir sistemdir. Genel maksatlı, örneğin kişisel bilgisayar gibi bir bilgisayardan farklı olarak, gömülü bir sistem kendisi için önceden özel olarak tanımlanmış görevleri yerine getirir. Sistem belirli bir amaca tanımlanmış görevleri yerine getirir. Sistem belirli bir amaca yönelik olduğu için tasarım mühendisleri ürünün boyutunu ve maliyetini azaltarak sistemi uygunlaştırabilirler. Gömülü sistemler genellikle büyük miktarlarda üretildiği için maliyetin düşürülmesinden elde edilecek kazanç, milyonlarca ürünün katları olarak elde edilebilir. Gömülü bir sistemin çekirdeğini, belirli bir sayıda görevi yerine getirmek için programlanan mikroişlemciler ya da yazılımları çalıştırabildiği genel maksatlı bilgisayarlardan farklı olarak, gömülü sistemlerdeki yazılımlar yarı kalıcıdırlar ve firware ismiyle anılırlar.