Bir mikroişlemci mimari yetenekleri ve tasarım felsefesiyle şekillenir. Mimari, kayar noktalı sayıların standartlaştığı, komutların ve verinin bellek-kaydedici arasında taşınmasında kullanılan kaydedicilerin büyüklüğü ve sayısı gibi tasarım kararlarının dahil olduğu, işlemci yeteneklerinin nihai sonucunu gösteren bir yapıdır.
Günümüzde, CISC (Complex Instruction Set Computer – Karışık Komut Kümeli Bilgisayarlar) mimarisine sahip bilgisayarlar ile RISC (Reduced Instruction Set Computers Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayarlar) işlemcili bilgisayarlar arasında kıyasıya bir rekabet yaşanmaktadır. CISC mimarisi Intel 80486, Pentium ve Motorola 68030 gibi işlemcileri oluştururken, IBM 360 ve DEC WAX gibi büyük bilgisayarlarda bu yapıyı kullanmaktadırlar. RISC mimarisi, Motorola PowerPC ve MIPS işlemcilerinde ve IBM 801 ve SUN Mikrosistem gibi büyük sistemlerde kullanılmaktadır.
6.1) CISC İşlemciler
PC’lerde günümüze kadar RAM’ların sınırlı ve pahalı olduğu 1960 ve 70’li yıllarda geliştirilen CISC işlemci mimarisi kullanılmaktadır. Daha çok programların az bellek kullanımı gerektirdiği sistemlerde yer almakta ve az bellek kullanımı için kompleks komutların ve mimarinin oluşumunu ortaya çıkardı. Mimarideki kompleksliğin artması, işlemci performansında negatif oluşumların ortaya çıkmasına sebep oldu. Bununla birlikte programların yüklenme sinde ve çalıştırılmasında düşük bellek kullanımının hızlı olması mesele teşkil etmemekteydi. 1980 ve 90’lı yıllarda bellek ihtiyacının artması işlemci tasarımcılarının kararlarını gözden geçirmesine sebep oldu. Eskiden kullanılan bellekler 16-32Kbayt iken yeni mimarilerde 8-16 Mbayt’ a çıktı ve günümüz kişisel bilgisayarlarında bir standart halini aldı.
6.2) RISC İşlemciler
RISC işlemcili sistemlerde amaç, komut işlenmesinin mümkün olduğu kadar hızlı olmasıdır. Bunu başarmak için ana yol işlemcinin çalıştırdığı komutların basitleştirilmesidir. Komutların basitleştirilmesi ve azaltılması işlemcinin uzun ve kompleks olandan daha hızlı çalışabilmesi demektir. RISC mimarisi, aynı anda birden fazla komutun işlendiği tekniği içeren kanal (pipelining) ve süper skalar çalışmasının kullanımıyla yüksek bir performans sağladı. Doğal olarak bu tasarım tekniği yüksek bellek ve çok ileri derleme teknolojisini gerektirdi. 1980′lerin ortasında bellek fiyatlarının önemli olmadığı yüksek performanslı işistasyonlarında RISC ta banlı işlemciler çok sık kullanıldı. 1990’larda VLSI teknolojisinin gelişimiyle birlikte belleklerin eskiye nazaran daha ucuz oluşu ve makine diline bağımlılığı ortadan kaldıran ileri derleyicilerin çok yaygın olduğu sistemlerde ve hatta PC’ lerde yüksek performanslı RISC işlemciler kullanılmaktadır. Örnek olarak CRAY, IBM, DEC, HP, APPLE ve SUN ‘ın ürettiği iş istasyonlarını veya süper bilgisayarlarını gösterebilir.
6.3) CISC ve RISC Tabanlı İşlemcilerin Karşılaştırılması
CISC ve RISC tabanlı işlemcilerin karşılaştırılmasında iki önemli faktör farklılıklarını ortaya çıkarmada yeterlidir.
Hız: Genelde RISC çipleri kanal tekniği kullanarak eşit uzunlukta segmentlere bölünmüş komutları çalıştırmaktadır. Kanal tekniği komutları kademeli olarak işler ki bu RISC’in bilgi işlemini CISC’den daha hızlı yapmasını sağlar RISC işlemcisinde tüm komutlar 1 birim uzunlukta olup kanal tekniği ile işlenmektedir. Bu teknikte bazıları hariç komutlar, her bir basamağında aynı işlemin uygulandığı birimlerden geçerler. Kanal teknolojisini açıklamak için herhangi bir komutun işlenmesindeki adımlar ele alınırsa:
Komut kodu ve işlenecek veriler dahil bütün bilgilerin MIB’deki kaydedicilerde olduğu düşünülürse, birinci adımda yapılacak işin kaydedicide bulunan komut kodu çözülür, ikinci adımda üzerinde çalışılacak veri (işlenen) kaydediciden alınıp getirilir, üçüncü adımda veri, komuta göre Aritmetik ve Mantık Biriminde işleme tabii tutulur ve dördüncü adımda da sonuç kaydediciye yazılacaktır. Böylece bir komutun işlemesi için her bir basamak bir saat çevrimi gerektirirse, dört çevrimle (adımda) gerçekleşmiş olmakta ve bir adım bitmeden diğeri başlayamamaktadır.
Kanal tekniği ile çalışan işlemcilerde birinci adımda komut kodu çözülür, ikinci adımda birinci komutun üzerinde çalışacağı veri (işlenen) kaydediciden alınırken, sıradaki ikinci işlenecek olan komutun kodu çözülür. Üçüncü adımda ilk komutun görevi ALU’da yerine getirilirken, ikinci komutun işleyeceği işlenen alınıp getirilir. Bu anda sıradaki üçüncü komutun kodu çözülür ve işlem böylece devam eder.
Kanal (Pipeline) tekniğinde çevrim zamanın düşmesi için komut kodlarının hızlı çözülmesi gereklidir. RISC mimarisinde tüm komutlar 1 birim uzunlukta oldukları için komut kodunu çözme işlemi kolaylaşır. Sistemde kullanılan kaydedicilerin simetrik bir yapıda olması, derleme işlemini kolaylaştırmaktadır. RISC işlemcilerde belleğe yalnız yükle ve depola komutlarıyla ulaşılır.
Bazı eski CISC mimarisinde de olmasına rağmen RISC mimarisinin sabit uzunluktaki basit komutlarla çalışması pipeline sistemini daha iyi kullanmasına sebep olmaktadır. Bu yüzden hesaplama oranlarının birinci öncelik arz ettiği yerlerde iş-istasyonları ve dağıtıcılarda çok tercih edilmektedir.
Transıstör sayısı: CISC mimarisinde kullanılan transistor sayısı RISC’e nazaran daha fazladır. Transistör sayısının bir yerde çok olması fazla yerleşim alanı ve ayrıca fazla ısı demektir. Bundan dolayı da fazla ısı üretimi soğutma olayını gündeme getirmektedir. CISC tabanlı Pentium işlemcilerde karışık ısı dağıtıcısı veya soğutma fanlar kullanılmaktadır.
RISC mimarisindeki önemli üstünlüklere karşı bazı mahzurları ortaya çıkmaktadır. RISC mimarisi, CISC’in güçlü komutlarından yoksundur ve aynı işlemi yapmak için daha fazla komut işlenmesini gerektirir. Bundan dolayı da RISC’in bant genişliği artar. Bu sistemde güçlü komutların yokluğu ikinci bir yardımcı işlemciyle ya da işlemci içinde oluşturulacak ayrı bir pipeline bölümüyle giderilebilir. Komut ön-belleğinin kullanılması yüksek komut alıp getirme işlemini azaltmaktadır. RISC mimarisi diğerine nazaran daha kompleks yazılımlara ihtiyaç duyar.
Günümüzde her iki mimarinin üstün özellikleri birleştirilerek bir çok yeni sistemler üretilmekte ve üretilecektir. IBM RISC/6000 ile Intel 860 ve 960 mimarileri bir makina çevrimin de birden fazla komut işleyerek son derece hızlı bir performans yakalamışlardır.
