Bilgisayar mimarisi, bir bilgisayarın temel bileşenlerinin ve sistemlerinin tasarımı ve organizasyonudur. Buna işlemci, bellek, giriş/çıkış aygıtları ve bunları kontrol eden yazılım dahildir. Bilgisayar mimarisini anlamak, bir bilgisayarın nasıl çalıştığını ve çeşitli görevleri nasıl yerine getirdiğini anlamamıza yardımcı olabilir.
Bir bilgisayar sistemi üç ana bileşene ayrılabilir: Merkezi İşlem Birimi (CPU), bellek ve giriş/çıkış (G/Ç) aygıtları. CPU, programlardan gelen talimatları yürüterek bilgisayarın beyni gibi davranır. Bellek, hızlı erişim için bu talimatları ve verileri geçici olarak saklarken, G/Ç aygıtları bilgisayar ile klavye, fare, ekran ve yazıcı gibi dış dünya arasındaki etkileşimi kolaylaştırır.
CPU, bilgisayar mimarisinin kalbidir. Yazılım uygulamalarından gelen talimatların yürütülmesinden, hesaplamaların yapılmasından ve bilgisayardaki veri akışının yönetilmesinden sorumludur. Bir CPU'nun performansı, Hertz (Hz) cinsinden ölçülen saat hızına ve içerdiği çekirdek sayısına bağlıdır. Daha yüksek saat hızı ve daha fazla çekirdek genellikle daha hızlı ve daha verimli performans anlamına gelir.
Bir bilgisayardaki bellek, verimlilik açısından hiyerarşik olarak düzenlenir. En üstte, ana bellekten (RAM) sık erişilen verilerin kopyalarını saklayan küçük ama hızlı bir bellek türü olan önbellek bulunur. RAM'e erişim, Sabit Disk Sürücüleri (HDD) veya Katı Hal Sürücüleri (SSD) gibi depolama aygıtlarından daha hızlıdır ancak geçicidir, yani güç kapatıldığında verileri tutmaz. HDD'ler ve SSD'ler, verileri bilgisayar kapatıldığında bile tutan, kalıcı depolama olanağı sunar, ancak bunlara erişim RAM'den daha yavaştır.
G/Ç aygıtları bilgisayarın dış ortamla iletişim kurmasını sağlar. Klavye ve fare gibi giriş aygıtları kullanıcıların bilgisayara bilgi sağlamasına olanak tanır. Monitörler ve yazıcılar gibi çıktı aygıtları kullanıcılara bilgi sunar. USB flash sürücüler gibi bazı cihazlar her iki işlevi de yerine getirebilir. Modern bilgisayarlar ayrıca İnternet'e ve diğer bilgisayarlara bağlantı sağlayan ağ aygıtlarını da içerir.
Von Neumann mimarisi bilgisayar biliminde temel bir kavramdır. Bir bilgisayarın CPU'sunun, talimatlarını bellekten okuyarak çalıştığı bir sistemi tanımlar. Bu mimari dört ana alt sistemden oluşur: aritmetik mantık ünitesi (ALU), kontrol ünitesi, bellek ve giriş/çıkış arayüzleri. ALU matematiksel hesaplamaları ve mantıksal işlemleri gerçekleştirirken, kontrol ünitesi bellekten gelen talimatları yorumlar ve ALU'nun çalışmasını belirler.
ISA, bilgisayar mimarisinin programcı veya derleyici yazarı tarafından görülebilen kısmıdır. Bir işlemcinin yürütebileceği makine kodunu tanımlayarak yazılım ve donanım arasında sınır görevi görür. ISA, CPU'nun talimatlarını, kayıtlarını, veri türlerini, adresleme modlarını ve bellek mimarisini belirtir. Bir mimarinin RISC (İndirgenmiş Komut Seti Hesaplaması) veya CISC (Karmaşık Komut Seti Hesaplaması) olması tasarım ve performans özelliklerini etkiler.
Paralel hesaplama, birden fazla işlem öğesi kullanılarak bir sorunun aynı anda çözülebilecek parçalara bölünmesini içerir. Bu yaklaşım, seri işlemeye kıyasla bilgi işlem görevlerini önemli ölçüde hızlandırabilir. Tek bir fiziksel pakette iki veya daha fazla bağımsız çekirdek (veya CPU) içeren çok çekirdekli işlemciler, paralellik yoluyla performansı artırmak için tasarlanmıştır. Çok çekirdekli bir işlemcideki her bir çekirdek, talimatları aynı anda yürütebilir, bu da verimli çoklu görev gerçekleştirmeye ve karmaşık uygulamaların işlenmesine olanak tanır.
Birden fazla CPU'ya veya çekirdeğe sahip sistemlerde, bir önbellekteki veri değişikliğinin anında diğerlerine yansımasını sağlamak için önbellek tutarlılığı çok önemlidir. Bu, birden fazla işlemcinin aynı bellek konumlarına erişmesinin gerekebileceği çoklu işlem ortamlarında önemlidir. MESI (Değiştirilmiş, Özel, Paylaşılan, Geçersiz) gibi önbellek tutarlılığı protokolleri, çok çekirdekli sistemlerde önbellekler arasında tutarlılığı korumak için kullanılır.
Bilgisayar mimarisi, bilgisayar bileşenlerinin ve sistemlerinin tasarımını, işlevselliğini ve verimliliğini kapsayan geniş bir alandır. CPU işlemi, bellek hiyerarşisi, G/Ç aygıtları, Von Neumann mimarisi, ISA ve paralel işleme gibi temel kavramları anlamak, bilgisayarların bilgiyi nasıl işlediği ve görevleri nasıl yerine getirdiği konusunda değerli bilgiler sağlayabilir. Teknoloji ilerledikçe bilgisayar mimarilerinin karmaşıklığı ve yetenekleri de gelişiyor ve bilgi işlem performansında ve uygulamalarda yeniliği teşvik ediyor.
