Bilgisayar Mimarisi, bir bilgisayar sisteminin temel bileşenlerinin tasarımını, yapılarını ve birbirleriyle nasıl etkileşimde bulunduklarını inceleyen mühendislik dalıdır. Temel olarak işlemci (CPU), bellek birimleri, giriş-çıkış sistemleri ve veri yolları gibi donanım öğelerinin organizasyonu bilgisayar mimarisinin temelini oluşturur. Mimarinin her yönü, bir bilgisayarın yazılımla etkileşimi ve genel performansını doğrudan etkiler.

Temel Kavramlar

Bilgisayar mimarisi, genel olarak üç ana düzeyde incelenir:

1. Mikro Mimari: İşlemcinin iç yapısı, veri yolları, kayıtçılar (registers) ve kontrol birimlerini kapsar. Mikro mimari, işlemcinin temel işlevlerini ve bileşenlerini tanımlar. Her işlemcinin mikro mimarisi farklı olabilir.
2. Sistem Mimari: Bu düzeyde işlemci dışında kalan tüm donanım bileşenleri (bellek, giriş-çıkış cihazları) ve bu bileşenlerin birbirleriyle nasıl iletişim kurduğu açıklanır. Veri yolları ve bellek organizasyonu da bu düzeyin bir parçasıdır.
3. Programlama Mimari (ISA - Instruction Set Architecture): Bu düzey, yazılımların donanımla etkileşimini belirleyen komut setlerini içerir. Yazılımlar, işlemcinin komut kümesi aracılığıyla donanımla iletişime geçer.

Mimari Türleri

Von Neumann Mimarisi

• Açıklama: Komutlar ve veriler aynı veri yolunu (bus) paylaşır. Bu mimari, ilk bilgisayarların çalışma prensibini belirlemiş ve modern bilgisayarların temelini atmıştır.
• Avantajlar: Basit yapısı sayesinde maliyetler düşer.
• Dezavantajlar: Von Neumann Darboğazı olarak bilinen, işlemci ve bellek arasında veri aktarımında yaşanan hız sınırlamaları vardır.
• Örnek: Genel amaçlı bilgisayarlar (masaüstü bilgisayarlar, dizüstü bilgisayarlar).

Harvard Mimarisi

• Açıklama: Komutlar ve veriler için ayrı bellek ve veri yolları kullanılır. Bu mimari, daha hızlı veri işleme sağlar çünkü komut ve veri yolları birbirinden bağımsızdır.
• Avantajlar: Yüksek işlem verimliliği sağlar.
• Dezavantajlar: Daha karmaşık ve pahalıdır.
• Örnek: Gömülü sistemler, mikrobilgisayarlar.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) Mimarisi

• Açıklama: Az sayıda ve basit komutlardan oluşan bir komut kümesi kullanır. Bu mimari, işlemcinin hızlı çalışmasını amaçlar.
• Avantajlar: Hızlı işlem yapma kapasitesi.
• Dezavantajlar: Daha fazla bellek gereksinimi ve bazı görevler için daha fazla satır kod kullanımı.
• Örnek: ARM işlemcileri, bazı sunucu işlemcileri.

CISC (Complex Instruction Set Computer) Mimarisi

• Açıklama: Daha fazla komut ve daha karmaşık talimatlar içerir. Az sayıda kod satırı ile daha karmaşık işlemler yapılabilir.
• Avantajlar: Komut sayısını azaltır, daha az bellek kullanımı sağlar.
• Dezavantajlar: Daha karmaşık işlemci tasarımı ve daha düşük hız.
• Örnek: Intel x86 işlemcileri.

Çok Çekirdekli Mimariler

• Açıklama: Aynı işlemci çipi üzerinde birden fazla çekirdek kullanılır. Bu, paralel işlem yapma kapasitesini artırarak çoklu görevleri daha verimli hale getirir.
• Avantajlar: Aynı anda daha fazla işlem yapılabilir, çoklu görevler ve paralel hesaplamalar daha verimli hale gelir.
• Dezavantajlar: Daha yüksek güç tüketimi ve karmaşık yapılandırmalar.
• Örnek: Modern masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar, mobil cihazlar.

Bilgisayar Mimarisi ile Yazılım İlişkisi

Yazılımlar, işlemci mimarisine uygun olarak geliştirilir. Bir yazılımın tasarımı, kullanılan işlemcinin komut kümesine ve işlem kapasitesine göre optimize edilir. Örneğin, bir işletim sistemi ya da derleyici, belirli bir işlemci türüne göre yapılandırılır. Bu bağlamda yazılım geliştirme süreçleri, kullanılan mimariye göre şekillenir.

Modern Uygulama Alanları

Bilgisayar mimarisi yalnızca kişisel bilgisayarlarda değil; bulut sistemleri, gömülü sistemler, mobil cihazlar, ağ donanımları, yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) ve yapay zekâ gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

Paralel işlem mimarileri ve GPU tabanlı yapılar, günümüzün büyük veri ve makine öğrenimi ihtiyaçlarını karşılamak için vazgeçilmez hale gelmiştir.