Bilgisayarlar Nasıl Çalışır? Von Neumann ve Harvard Mimarisiyle Tanışın!

Bugüne kadar bilgisayarların farklı mimarilerini hiç düşündünüz mü? Bilgisayarların çeşitli mimarileri var, ancak ikisi en iyilerinden ve hâlâ kullanılıyor. Bugün bunları konuşalım...

NOT: Bu mimariler, bilgisayar bileşenlerini daha iyi ve basit şekilde anlamak için oluşturuldu.

Hadi başlayalım

1. Von Neumann Mimarisi^[1]

Bu, bilgisayarları anlamak ve yapısını basitleştirmek için oluşturulan ilk mimaridir. Modern bilgisayarların babası sayılır ve bilgisayarları anlamak için çok yardımcı ve idealdir.

John von Neumann^[2] tarafından geliştirildi (isimden de anlaşılacağı gibi). Basittir—bir bilgisayar şunlardan oluşur:

• Tek bir bellek (memory)
• Tek bir işlemci (processor) (Kontrol Birimi (control unit) ve ALU (Arithmetic Logic Unit) içerir)
• Giriş ve çıkış birimleri (input/output - I/O)

Geeks for Geeks

1-1. Bölümlerin Görevleri

1-1-1. Bellek (memory)

Hem verileri (data) hem de komutları (instructions) saklar (sistem ve kullanıcı bilgileri).

1-1-2. Kontrol Birimi (control unit)

Komut akışını (instruction flow) yönetir ve işlem sırasında tüm bileşenleri kontrol eder (çalışan programa process denir).

komut akişi ne diye sorarsaniz, her komut için bir den fazla işlem çalişmasi gerekir, bu na komut akişi denilir

1-1-3. ALU (Aritmetik Mantık Birimi - Arithmetic Logic Unit)

Aritmetik işlemler (arithmetic operations: toplama, çıkarma, vb.) ve mantık işlemleri (logic operations: AND, OR, vb.) yapar. Yani programları çalıştırır.

Not: bilgisayar her şeyi rakamlarla yapar, onun için matematik her şeyi yapmak için yeterlidir.

1-1-4. Giriş & Çıkış (input/output - I/O)

Veri ve komutların işlemciye girip çıktığı noktadır. mesela bir müzik açdiğinizda giriş bellekden ve çikiş ses cihazi olüyor.

Daha net bir görsel için şu resme bakın:

Geeks for Geeks

NOT: Tüm detaylara girmeyeceğim çünkü çok fazla konu var.

Ekstra

CPU (Central Processing Unit), işlemleri yönetmek için birçok alt bileşene sahiptir: Kontrol Birimi (control unit), ALU ve registerlar (registers) (küçük hafıza birimleri). Örneğin:

• PC (Program Counter): Sonraki komutu gösterir.
• MAR (Memory Address Register): Okunacak verinin adresini tutar.
• MDR (Memory Data Register): Bellekten alınan veriyi saklar.

Bus (veri yolu): Veri ve komutların CPU, bellek (memory) ve giriş/çıkış birimleri (I/O) arasında taşındığı bir otoyol gibidir.

1-2. Von Neumann’ın Önemli Özellikleri

1-2-1. Tek Bellek (Komut + Veri - Instructions + Data)

Hem komutlar hem de veri aynı bellekte saklanır.

1-2-2. Paylaşılan Bus (shared bus)

Tek bir bus, hem veri hem komut taşır.

Artılar & Eksiler

Basit, esnek ve ucuz—ama bazı sorunları var:

• Bellek darboğazı (memory bottleneck): Aynı bus kullanıldığı için yavaş kalır (aynı anda tek işlem yapılabilir).
• Yüksek bellek erişiminde yavaş: Veriler sırayla (sequentially) alınır, ağır işler için verimsiz.

Kullanım Alanı

Genelde gömülü sistemlerde (embedded devices) (buzdolabı, kamera, radyo) kullanılır çünkü yüksek hız gerektirmez.

Ekstra (Çalışma Döngüsü - Execution Cycle)

Bir program şu adımlarla çalışır:

1. Fetch (Getirme): Komut bellekten alınır.
2. Decode (Çözme): Komut, mikrokomutlara (microinstructions) ayrılır.
3. Execute (Çalıştırma): Donanım bu sinyalleri işler.
4. Memory Access (Bellek Erişimi): Gerekirse veri okunur.
5. Write Back (Yazma): Sonuçlar belleğe yazılır.

2. Harvard Mimarisi^[3]

Von Neumann’ın en büyük zayıflığı **komut ve verinin aynı bellek (shared memory)**te olmasıydı. Harvard Mimarisi, bunu ayrı bellekler (separate memories) kullanarak çözer.

Aşağıdaki diyagramda görüldüğü gibi:

Veri için bir bellek (data memory) (adres bus (address bus) ve veri bus (data bus) ile).

Komutlar için ayrı bir bellek (instruction memory) (yine iki bus ile).

Geeks for Geeks

Küçük bir değişiklik gibi görünebilir, ama dev etkileri var:

• Paralel işlem (parallel processing): Komut ve veri ayrı olduğu için çoklu CPU (multi-CPU) kullanılabilir (Von Neumann’da bu verimsizdir).
• Sabit komut boyutu (fixed instruction size): Von Neumann’da bellek, hem büyük veri hem küçük komutlar için aynı boyutu kullanmak zorunda. Harvard’da her biri optimum boyutta saklanır.
• Yüksek hızlı sistemler (high-speed systems): Roket kontrolleri gibi kritik sistemlerde (critical systems) kullanılır.

Dezavantajlar

• Maliyetli (expensive) (ekstra bellek ve kontrol birimleri gerekir).
• Daha karmaşık (more complex) tasarım.

Hangisi Seçilmeli?

• Von Neumann: Basit, ucuz (simple, low-cost) sistemler için (buzdolabı sensörleri, park sensörleri).
• Harvard: Hızlı ve karmaşık (high-speed, complex) sistemler için (fabrika robotları, uzay sensörleri).

Umarım faydalı olmuştur! Soru ve önerilerinizi yorumlarda belirtebilirsiniz.