İçeriğe atla

Neumann mimarisi

Kontrol Edilmiş
von Neumann mimarisinin şeması

Von Neumann mimarisi veri ve komutları tek bir yığıncak (depolama) biriminde bulunduran bilgisayar tasarı örneğidir. Paralel mimariler dışında Turing makinesi'nin ilkelerini uygulayan her bilgisayarı tanımlamak için kullanılır. Merkezi işlem biriminin bağımsızlığı dolaylı olup, "saklı yazılım bilgisayarı" (stored program computer) ile eşanlamlı olarak kullanılır.

Tarihçe

İlk bilgisayarlar değişmez yazılımlara (veya programlara) sahiptiler. Bir makine hangi işlemi gerçekleştirmesi için tasarlandıysa sadece onu yerine getirebiliyordu. Günümüzde bazı basit bilgisayarlar hâlâ bu yapıyı kullanmaktadırlar. Bu tür bilgisayarların yeni bir görevi yerine getirebilmesi için donanımlarının tekrar tasarlanması zorunludur.

Bu zorlukların aşılması "saklı yazılım bilgisayarı" ilkesi ile gerçekleşmiştir. Söz konusu makinenin yürütebileceği bir dizi komutun tanımlanması ile bilgisayarlar çok daha esnek bir yapıya kavuştular. Komut ve verinin aynı biçimde saklanması ise, bu ilke sayesinde yazılımın kolayca değiştirilebilmesine olanak tanımıştır.

Saklı yazılım tasarımı, ayrıca yazılımların çalıştırılmaları esnasında kendilerini değiştirebilmelerini mümkün kılar. Bu özelliğin nedeni ise, geçmişte doğan, komutların bulunaklarını (adreslerini) değiştirebilme gereksinimidir. Günümüzde dizin yazmacı sayesinde bu sorun çözülmüştür, ancak kendini değiştiren yazılımların hatalarının ayıklanması son derece güç olduğundan yaygınlık kazanamamışlardır. Daha büyük ölçekte, komutları veri olarak kullanabilmek, derleyicilerin ana ilkesi olup, yazılımların yazılım yazmasına izin verir.

von Neumann mimarisinin dar geçit sorunu dışında, en olumsuz yanı hatalı yazılımların kendilerine, işletim sistemine ve hatta diğer yazılımlara zarar verebilmeleridir, örneğin arabellek taşması (buffer overflow) gibi.

İlk tasarılar

"von Neumann mimarisi" ad olarak John von Neumann'ın 30 Haziran 1945 tarihli makalesine dayanır.[1] Bu makale genel amaçlı bir saklı yazılım bilgisayarının tasarısı üzerinedir. Saklı yazılımı bilgisayarı fikri Moore Elektrik Mühendisliği Okulu'nda von Neumann'dan önce de bilinmekteydi, ancak kim tarafından ortaya atıldığı bilinmemektedir.

John William Mauchly ve J. Presper Eckert ENIAC üzerine olan çalışmaları sürerken de saklı yazılım bilgisayarı hakkında bir makale yayımlamışlardır (1943). Ancak ENIAC'ın tasarım sürecinde delikli kartlardan veri okunması çok yavaş kaldığından, makine sabit yazılım ilkesine göre tasarlanmıştır.

Alan Turing ise 19 Şubat, 1946 tarihinde Pilot ACE adlı bir saklı yazılım bilgisayarının tam tasarımını yayımlamıştır.

Von Neumann dar geçidi

Bellek ile Merkezi işlem biriminin (MİB) ayrılması von Neumann dar geçidi olarak bilinen soruna yol açmaktadır. Bu sorun MİB ile bellek arası veri taşıma hızının, bellek miktarına göre çok düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Öyle ki, MİB zamanın büyük çoğunluğunu bellekten istenilen verinin gelmesini beklemekle geçirir. Son yıllarda MİB'lerin hızları ile bellek erişim hızlarının arasındaki farkın açılması ile bu sorun daha da büyümüştür.

Sorunu hafifletmek adına arabellek (cache memory) ve dal kestirimi (branch prediction) uygulayımbilimleri geliştirilmiştir.

Evrim

Mimarinin tekil sistem veri yolu evrimi

1960 ve 1970'lerde bilgisayarlar küçülmeye ve hızlanmaya başladı, dolayısıyla mimarileri de evrim geçirdi. Örneğin bellek-haritalı G/Ç giriş ve çıkış cihazlarının hafıza ile aynı şekilde değerlendirilmesine izin veriyor. Yalnızca bir sistem veri yolu kullanılarak düşük bütçeyle modüler bir sistem oluşturulabilir. Bazen bu pratiğe mimarinin "düzene sokulması" (İngilizce: "streamlining") denir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ EDVAC 23 Nisan 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (PDF, 420 KB)

İlgili Araştırma Makaleleri

Komut kümesi mimarisi, CPU'nun yazılım tarafından nasıl kontrol edileceğini tanımlayan bilgisayar soyut modelinin bir parçasıdır. ISA, işlemcinin ne yapabileceğini ve bunu nasıl yapacağını belirterek donanım ve yazılım arasında bir arayüz gibi davranır.

MIPS, Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages, MIPS teknolojileri adlı firma tarafından 1985 yılında geliştirilmiş indirgenmiş komut kümesi türü bir mikroişlemci mimarisidir.

<span class="mw-page-title-main">Merkezî işlem birimi</span> bir bilgisayar programının talimatlarını, talimatlar tarafından belirtilen temel aritmetik, mantıksal, kontrol ve giriş/çıkış (G/Ç) işlemlerini gerçekleştirerek yürüten ve diğer bileşenleri koordine eden bir bilgisayar içindeki elektro

Merkezî işlem birimi, dijital bilgisayarların veri işleyen ve yazılım komutlarını gerçekleştiren bölümüdür. Çalıştırılmakta olan yazılımın içinde bulunan komutları işler. Mikroişlemciler ise tek bir yonga içine yerleştirilmiş bir merkezî işlem birimidir. 1970'lerin ortasından itibaren gelişen mikroişlemciler ve bunların kullanımı, günümüzde MİB teriminin genel olarak mikroişlemciler yerine de kullanılması sonucunu doğurmuştur.

İndirgenmiş Buyruk Küme Bilgisayar, işlemci tasarım alanında 1980'li yıllarda önerilen ve giderek CISC'in yerini alan bir buyruk kümesi mimarisidir.

<span class="mw-page-title-main">Arabellek</span>

Arabellek ya da tampon bellek, bir cihazda verilerin topluca yazılmadan önce biriktirildikleri bellektir. Bu işlemdeki amaç, ilgili belleğin o anda başka bir işle uğraşırken o işin bitmesini beklemeden emir verebilmek, başka bir deyişle hızı artırmaktır. Bir önbellekten farklı olarak bir arabellekteki tüm veriler er ya da geç ilgili belleğe yazılacaktır. Birçok donanım ve yazılımda arabellek kullanılır:

Donanım yazılımı (İng: firmware), sayısal veri işleme yeteneği bulunan her tür donanımın kendisinden beklenen işlevleri yerine getirebilmesi için kullandığı yazılımlara verilen addır. Elektronikte ve bilişimde donanım yazılımı, kalıcı bellek, program kodu ve veri deposudur. Donanım yazılımının bulunduğu cihazlara tipik örnekler; gömülü sistemler, bilgisayar çevre birimleri, cep telefonu, dijital fotoğraf makinesi verilebilir. Bu cihazlarda bulunan yazılım, cihazın kontrol programını barındırır. Donanım yazılımı ROM, EPROM, flaş bellek gibi kalıcı bellekte saklanır. Bir cihaz yazılımının değiştirilmesi, cihazın ömrü boyunca ya hiç yapılmaz ya da sadece birkaç kez yapılır. Bazı cihazların yazılımları üretim aşamasından sonra değiştirilemez. Donanım yazılımında güncelleştirme ya yazılım hatası ya da cihaza yeni bir özellik eklemek için yapılır. Bunun için mikroçip ROM'u değiştirilmesi gerekebilir veya flaş belleğin özel bir yöntemle tekrar programlanması gerekir. Bilgisayardaki BIOS yazılımı yalnızca, cihazın temel işlevlerini saklar, işletim sistemi gibi yüksek seviye yazılımlara önayak olur.

<span class="mw-page-title-main">EDVAC</span> ilk elektronik bilgisayarlardan biri

EDVAC ilk elektronik bilgisayarlardan biridir. EDVAC'ı ENIAC'tan ayıran özellik, ondalık taban değil ikilik taban kullanmasıdır.

<span class="mw-page-title-main">Mikroişlemci</span> ana işlem biriminin fonksiyonlarını tek bir yarı iletken tümdevrede birleştiren programlanabilir sayısal elektronik bileşen

Mikroişlemci, işlemci olarak da bilinen, merkezî işlem biriminin (CPU) fonksiyonlarını tek bir yarı iletken tüm devrede (IC) birleştiren programlanabilir bir sayısal elektronik bileşendir.

NUMA, Düzensiz Bellek Erişimi veya Düzensiz Bellek Mimarisi “Non-Uniform Memory Access veya Non-Uniform Memory Architecture” (NUMA) çok işlemcililerde bellek erişim zamanının belleğin işlemci üzerindeki yerine bağlı olduğu bir bilgisayar belleği tasarımıdır. NUMA altında bir işlemci kendi yerel belleğine yerel olmayan bellekten daha hızlı bir şekilde ulaşır, diğer bir ifadeyle, bir başka işlemcinin yerel belleğinden veya işlemciler arasında paylaşılan bellekten daha hızlı erişir.

<span class="mw-page-title-main">Bilgisayar mimarisi</span>

Bilgisayar mimarisi, en küçüğe ve en başarılıya ulaşmayı hedeflerken aynı zamanda maliyeti de göz önünde bulundurduğu için sanat ve bilimin ortak buluştuğu nokta olarak da tanımlanır. Bilgisayar Mimarisi, bilgisayar parçalarının iç yapıları ve aralarındaki haberleşme bağlantıları ile ilgilidir.

<span class="mw-page-title-main">Bilgisayar donanımı tarihi</span> Bilgisayarın işlemcisi ve işletim sisteminin bir bütün olarak geçmişi

Bilgisayarın tarihçesi, bilgiyi hesaplamak, düzenlemek ve değiştirmek için kullanılan yazılım ve donanımların tarihsel gelişiminden bahsetmektedir. Bilgisayar, en basit bakış açısıyla bir matematiksel işlemci, yani bir hesap aracıdır ve veri işler.

<span class="mw-page-title-main">Merkezî işlem birimi tasarımı</span>

Merkezî işlem birimi tasarımı bilgisayarın temel bileşenlerinden birisi olan Merkezî işlem birimini (MİB) etkin kullanmayı yönelik bir tasarımdır. MİB bilgisayar donanımının temel bileşenlerinden birisidir. İşlemcisi olmayan bir bilgisayar düşünülemez. Bu yüzden işlemcinin tasarımı ne kadar iyi olursa sistem de o derece hızlı olacaktır. İşlemciyi hızlandırmanın değişik yolları vardır. Bunlardan bazıları:

  1. Buyrukların paralel çalışmasını sağlamak
  2. Çok vuruşluk işlemciler kullanmak
  3. Boru hattı kullanmak
  4. Çoklu işleme kullanmak

Çok çekirdekli işlemci, ikiden fazla işlemciden (çekirdek) oluşan bir hesaplama birimi. Bilgisayarlarda temel komut kümesi işlemlerini gerçekleştirir.

<span class="mw-page-title-main">Tek komut tek veri akışı</span>

TKTV terimi tek işlemciye sahip ve tek bir bellekteki veriyi işlemek için belirli bir anda tek bir komut işleten bilgisayar mimarisidir. Neumann mimarisi ne karşılık gelmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Veri yolu (bilgisayar)</span>

Veri yolu, bilgisayar yapısında, bilgisayarın içindeki parçalar arasında ya da bilgisayarlar arasında verileri ya da gücü transfer eden bir alt sistemdir ve genellikle aygıt yürütme yazılımı tarafından kontrol edilir. Nokta- nokta bağlantısının tersine, veri yolu, birçok çevresel aygıtı aynı takım kablo ile mantıksal olarak bağlayabilir. Her bir veri yolu kendi bağlayıcılarını fiziksel fiş aygıtlarına, kartlara veya kabloların tümüne karşı tanımlar.

<span class="mw-page-title-main">Harvard Mark I</span> II. Dünya Savaşının sonlarına doğru kullanılmış bir elektromekanik bilgisayar

Harvard Mark I, Harvard Üniversitesi'nde geliştirilmiş ve II. Dünya Savaşı'nın sonlarına doğru kullanılmış bir elektromekanik bilgisayardır. Merkezi İşlem Birimi 'nde kullanılan yeni mimariye ismini vermiştir. MİB, veri ve komutları birbirinden farklı kanallarla işler.

<span class="mw-page-title-main">Von Neumann Dar Geçidi</span> belleğe göre daha hızlı olan işlemcinin komutları aldıktan sonra bellekten verileri kullanmak için beklemeye başlaması

Von Neumann dar geçidi, Von Neumann mimarisinin günümüz teknolojisi ilerledikçe büyüyen bir sorunudur. İşlemci hızlarının artmasıyla oluşur. Belleğe göre daha hızlı olan işlemci, komutları aldıktan sonra bellekten verileri kullanmak için beklemeye başlar. Teknoloji ilerledikçe hızlanan işlemcilere yetişemeyen bellek teknolojisi bu sorunun büyüklüğünü artırmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Harvard mimarisi</span>

Harvard mimarisi, veri ve komutların Merkezi İşlem Birimine giden kanallarının ayrılması ile oluşturulmuş MİB mimarisidir. İsmini ilk kez bu mimariyi kullanan bilgisayar Harvard Mark I'den almıştır. Bu mimariyi kullanan makinalar, veriler ile komutlar arasında herhangi bir köprü bulundurmazlar. Veri adresi 8-bit iken program (komut) adresi genellikle 14-bittir.

Bir sistem mimarisi veya çoklu sistemlerin mimarisi; sistemin yapısını, davranışını ve biçimselliğini tanımlayan kavramsal modeldir. Bir mimari tanımı; sistemin yapıları ve davranışları hakkında mantıksallığı destekleyecek şekilde organize edilen ilişkiselliğin standart bir açıklaması veya temsilidir.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.