🏛️ Mikroişlemci Mimarileri
Mimari: Bir mikroişlemcinin donanım organizasyonu, veri yolu yapısı, bellek yönetimi ve komut işleme tekniklerinin tamamıdır.
Mimari Sınıflandırma:
- Bellek Organizasyonuna Göre: Von Neumann, Harvard
- Komut Setine Göre: RISC, CISC
- Veri İşleme: SISD, SIMD, MISD, MIMD
🔷 Von Neumann Mimarisi
Von Neumann Mimarisi: Tümleşik tek bellek yapısı. Program ve veri aynı hafıza haritası üzerinde saklanır, ortak veri yolu kullanılır.
Temel Özellikleri:
- Tek Bellek: Program ve veri aynı bellekte
- Ortak Veri Yolu: Tek yol kullanılır
- Sıralı İşlem: Komut ve veri aynı anda aktarılamaz
- Basit Tasarım: Daha az karmaşık
Von Neumann Bileşenleri:
- CPU: İşlemci birimi
- Bellek: Program + Veri (ortak)
- Veri Yolu: Tek ortak yol
- I/O: Giriş/Çıkış birimleri
⚠️ Von Neumann Darboğazı
Komut ve verinin aynı yolu kullanması nedeniyle, aynı anda sadece biri aktarılabilir. Bu performans kaybına neden olur.
Örnek: CPU bir komutu çalıştırırken veri alamaz, beklemek zorundadır.
Avantajları:
- ✅ Basit ve anlaşılır tasarım
- ✅ Daha az donanım gerektirir
- ✅ Düşük maliyet
- ✅ Program belleğe kolayca yüklenebilir
Dezavantajları:
- ❌ Darboğaz problemi
- ❌ Daha yavaş işlem
- ❌ Paralel işlem yapılamaz
Von Neumann Kullanan Sistemler:
PC ve Genel Amaçlı Bilgisayarlar: Intel x86, AMD
68HC11 Mikrodenetleyici
ARM Cortex-A Serisi: Uygulama işlemcileri
🔶 Harvard Mimarisi
Harvard Mimarisi: Ayrı program ve veri bellekleri. Her biri için ayrı veri yolu. Paralel erişim mümkün.
Temel Özellikleri:
- Ayrı Bellekler: Program belleği ≠ Veri belleği
- Ayrı Veri Yolları: Her bellek için farklı yol
- Paralel İşlem: Komut ve veri aynı anda
- Hızlı Erişim: Darboğaz yok
Harvard Bileşenleri:
- CPU: İşlemci birimi
- Program Belleği: Sadece komutlar (ROM genelde)
- Veri Belleği: Sadece veriler (RAM)
- Program Veri Yolu: Komut aktarımı
- Veri Yolu: Veri aktarımı
Avantajları:
- ✅ Yüksek hız (paralel erişim)
- ✅ Darboğaz yok
- ✅ Pipelining için ideal
- ✅ Güvenlik (program değiştirilemez)
Dezavantajları:
- ❌ Daha karmaşık tasarım
- ❌ Yüksek maliyet
- ❌ Daha fazla donanım
- ❌ Bellek yönetimi zor
Harvard Kullanan Sistemler:
Mikrodenetleyiciler: AVR, PIC, 8051
ARM Cortex-M Serisi: Gömülü sistemler
DSP İşlemciler: Dijital sinyal işleme
ESP32: IoT mikrodenetleyici
💡 Not:
Modern sistemler genellikle Modified Harvard mimarisi kullanır: Çoğunlukla ayrı bellekler ama gerektiğinde erişim paylaşılabilir.
📊 Von Neumann vs Harvard Karşılaştırma
| Özellik | Von Neumann | Harvard |
|---|---|---|
| Bellek Yapısı | Tek tümleşik bellek | Ayrı program ve veri bellekleri |
| Veri Yolu | Tek ortak yol | Ayrı yollar (her bellek için) |
| Hız | Daha yavaş (darboğaz) | Daha hızlı (paralel) |
| Karmaşıklık | Basit | Karmaşık |
| Maliyet | Düşük | Yüksek |
| Esneklik | Yüksek | Düşük |
| Kullanım | PC, genel amaçlı | Gömülü sistemler, MCU |
| Örnekler | x86, AMD, Cortex-A | AVR, PIC, ARM Cortex-M |
⚡ RISC Mimarisi
RISC (Reduced Instruction Set Computer): Azaltılmış komut seti. Basit, tek döngüde çalışan komutlar. Hızlı işlem.
RISC Felsefesi:
- Az ama güçlü komut
- Her komut tek döngü
- Load/Store mimarisi
- Pipelining odaklı
RISC Özellikleri:
- ✅ Az sayıda komut (~100-150)
- ✅ Basit komutlar
- ✅ Her komut 1 clock cycle
- ✅ Çok sayıda register
- ✅ Sabit komut uzunluğu
- ✅ Hardwired kontrol
RISC İşlemciler:
ARM: Mobil cihazlar, gömülü sistemler
MIPS: Ağ cihazları, oyun konsolları
RISC-V: Açık kaynak, yeni nesil
PowerPC: Apple eski Mac'ler
⚙️ CISC Mimarisi
CISC (Complex Instruction Set Computer): Karmaşık komut seti. Çok sayıda komut, değişken uzunluk. Donanımda daha fazla iş.
CISC Felsefesi:
- Çok sayıda özelleşmiş komut
- Karmaşık işlemler tek komutta
- Donanım çok iş yapar
- Bellek erişimi her komutta
CISC Özellikleri:
- ✅ Çok sayıda komut (300+)
- ✅ Karmaşık komutlar
- ✅ Değişken cycle sayısı
- ✅ Az register
- ✅ Değişken komut uzunluğu
- ✅ Microcode kontrol
CISC İşlemciler:
Intel x86: PC'ler, dizüstüler
AMD: PC'ler, serverlar
Motorola 68000: Eski sistemler
⚔️ RISC vs CISC
| Özellik | RISC | CISC |
|---|---|---|
| Komut Sayısı | Az (~100-150) | Çok (300+) |
| Komut Karmaşıklığı | Basit | Karmaşık |
| Cycle/Komut | 1 cycle | Çok cycle |
| Komut Uzunluğu | Sabit | Değişken |
| Register Sayısı | Çok (32+) | Az (8-16) |
| Pipelining | Kolay | Zor |
| Güç Tüketimi | Düşük | Yüksek |
| Örnek | ARM, MIPS, RISC-V | Intel x86, AMD |