Bellek Kullanımına Göre Mikroişlemci Mimarileri

Mikroişlemci ve mikrodenetleyiciler bellek kullanımı açısından Von Neuman ve Harvard olarak adlandırılan iki mimariden biri üzerine tasarlanırlar. Von Neuman mimarisi Princeton Üniversitesi tarafından diğeri de adından da anlaşılacağı üzere Harvard Üniversitesi tarafından tasarlanmıştır. O günkü teknolojiye uygun olan Von Neuman mimarisi tercih edilse de ilerideki yıllarda teknolojinin uygun hale gelmesi sonucu Harvard mimarisi 1970’li yılların sonlarında özellikle mikrodenetleyici tasarımında standart hale gelmiştir. Günümüzde her iki mimari yapının özelliklerini içeren mikrodenetleyiciler (MAXQ ailesi) de bulunmaktadır.Bu mikrodenetleyiciler karma mimariye sahip olup iki mimarinin üstün olan özelliklerini kullanarak performans artışı elde ederler.

Texas Instruments’in MSP430 si, Von Neumann mimarisini kullanırken Microchip’in PIC ve Intel’in 8051 ‘i Harvard mimarisini kullanır.

    Von Neuman Mimarisi

İşlem biriminin bellek biriminden ayrıştırılması bu mimarinin en önemli özelliğidir. Komut ve veri için aynı belleğin kullanıldığı ‘Von Neuman Mimarisinde’, komut ve veriler aynı yol kullanılarak iletilirler. Bu durum, komut ve verinin iletilmesinin gerektiği durumlarda veri ile ilgili iletişim sistemlerinin, komut ile ilgili iletişim işlemlerini beklemesini gerektirir. ‘Von Neuman Mimarisi’ kullanan mikroişlemcilerde de komutlar bellekten alındıktan sonra kodu çözülerek gerekli işlemler gerçekleştirilir ve elde edilen sonuçlar belleğe tekrar gönderilir. Bu işlemler sırasında, yolların hızının mikroişlemcinin hızına yetişememesi nedeni ile sistemde darboğaz (bottleneck) olarak isimlendirilen olay gerçekleşebilir. Bu sakıncanın yanında oluşabilecek diğer bir sakıncalı işlem; veri ve komutların aynı bellekte sıralı olarak bulunması nedeni ile bu iki bilginin birbirine karışması ihtimalinin yüksek olmasıdır.

Detaylandırılan iki sakıncayı ortadan kaldırmaya ve Von Neuman Mimarisi kullanan sistemlerin performansını artırmaya yönelik olarak önbellek (cache) sistemi geliştirilmiştir. Önbellekler, işlenecek komutların ve verilerin ana bellekten getirilerek işlem birimine yakın bir bellekte tutulması amacıyla kullanılmaktadır. Ana bellekten alınan komut ve veriler ayrı önbelleklere yerleştirilerek hem ayrıştırılması sağlamakta, hem de oluşan darboğaz ortadan kaldırılmaktadır.

Günümüz kişisel bilgisayarları da Von Neuman mimarisinde çalışmaktadırlar sistemde sadece tek bellek (RAM) vardır ve tüm komutlar ve veriler aynı ortamda saklanır. Mikroişlemcili sistemlerin büyük çoğunluğu Von Neuman mimarisinde çalışırken mikrodenetleyici sistemlerin çoğu Harvard mimaride çalışır.

 Harvard Mimarisi

Komutlar ve veri ile ilgili bilgilerin ayrı belleklerde saklandığı ‘Harvard Mimarisi’ kullanan mikroişlemcili sistemlerde, veri ve komutları iletmek amacıyla kullanılan yollar birbirinden bağımsızdır. İletim için kullanılan yolların farklı olması, aynı anda veri ve komutun iletilmesini mümkün hale getirir. Diğer bir ifadeyle, komut kod bellekten okunurken, komutun gerçekleştirilmesi sırasında ihtiyaç duyulan veri, veri belleğinden okunabilir.

Harvard Mimarisi, performansın çok önemli olduğu sistemlerde ve günümüzde özellikle sayısal işaret işleme görevini yapan tümleşik devrelerde (DSP: Digital Signal Processor) ve güvenliğin önemsendiği mikrodenetleyicilerde tercih edilmektedir.