Gömülü Sistem Programlama |
2. Bölüm

Yazı dizimizin ilk bölümünde, gömülü sistemlerin ne olduğu, neden önemli oldukları ve hangi tür cihazlar için kullanılabileceklerini inceledik. Bu bölümde ise gömülü sistemlerin uygulama alanları, gömülü sistemlerde işlemciler ve işlemci mimarilerini inceleyeceğiz.

A- A+

01.05.2023 tarihli yazı 4224 kez okunmuştur.

Gömülü sistemler, günümüzde birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Bu sektörlerin arasında otomotiv, tıp, savunma sanayii, endüstriyel üretim ve telekomünikasyon gibi birçok alanda gömülü sistemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bazı uygulama alanları şunlardır:

Otomotiv Sektörü

Gömülü sistemler, otomotiv sektöründe birçok alanda kullanılmaktadır. Araç içi eğlence sistemleri, yol bilgisayarı ve hava durumu tahmin sistemleri gibi birçok farklı uygulama, gömülü sistemlerin kullanıldığı alanlar arasında yer almaktadır. Bu sistemler, sürücülerin araç içindeki deneyimlerini artırmak ve güvenliği sağlamak için tasarlanmıştır.

Tıp Sektörü

Tıp sektöründe gömülü sistemler, çeşitli tıbbi cihazlarda kullanılmaktadır. Kalp atış hızı monitörleri, kan basıncı ölçerleri, insülin pompaları ve diğer birçok tıbbi cihaz, gömülü sistemlerin kullanıldığı alanlar arasında yer almaktadır. Bu sistemler, hastaların sağlığını takip etmek ve tedavi sürecini daha verimli hale getirmek için tasarlanmıştır.

Savunma Sanayi

Savunma sanayii, gömülü sistemlerin yaygın olarak kullanıldığı bir diğer sektördür. Askeri uçaklar, insansız hava araçları ve diğer savunma sistemleri, gömülü sistemlerin kullanıldığı alanlar arasında yer almaktadır. Bu sistemler, savunma amaçlı tasarlanmış olup, askeri operasyonlarda kullanılmaktadır.

Endüstriyel Üretim

Endüstriyel üretim sektöründe, gömülü sistemler fabrikalarda otomasyonu sağlamak için kullanılmaktadır. Bu sistemler, otomatik üretim hatları ve diğer endüstriyel uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu sayede, üretim süreci daha verimli hale getirilir ve hata payı azaltılır.

►İlginizi Çekebilir: Gömülü Sistem Programlama | 1. Bölüm

Telekomünikasyon

Telekomünikasyon sektöründe gömülü sistemler, ağ yönetimi, kablosuz iletişim ve diğer birçok uygulama için kullanılmaktadır. Bu sistemler, internet, telefon ve diğer iletişim teknolojilerinin daha verimli bir şekilde çalışmasını sağlamaktadır.

Kısacası gömülü sistemler, birçok farklı sektörde kullanılan önemli bir teknolojidir. Otomotiv, tıp, savunma sanayii, endüstriyel üretim ve telekomünikasyon gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Bu sistemlerin avantajları arasında düşük maliyet, yüksek performans, düşük güç tüketimi, küçük boyutlar ve dayanıklılık sayılabilir. Bu sistemler, gelecekte de daha yaygın olarak kullanılacak ve yeni uygulama alanlarına sahip olacaktır.

Gömülü Sistemler ve Endüstri 4.0

Günümüzde teknolojinin hızlı bir şekilde gelişmesi ile birlikte, endüstriyel üretim de önemli bir değişim yaşamaktadır. Bu değişim, Endüstri 4.0 olarak adlandırılan yeni bir endüstriyel devrimle birlikte gerçekleşmektedir. Endüstri 4.0, otomasyon, veri analizi ve internet bağlantılı cihazların kullanımı gibi teknolojik gelişmelerin entegrasyonu ile karakterize edilmektedir. Gömülü sistemler de Endüstri 4.0'ın bir parçasıdır ve endüstriyel üretimdeki önemli bir rol oynamaktadır. Gömülü sistemler, birçok endüstriyel uygulama için önemli bir bileşendir. Bu sistemler, endüstriyel robotlar, akıllı ev sistemleri, tıbbi cihazlar, otomotiv, havacılık ve savunma sistemleri gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Gömülü sistemler, endüstriyel uygulamalarda kullanılmalarının yanı sıra, üretim verimliliğini artırmak için de kullanılabilirler. Bu sistemler, verileri gerçek zamanlı olarak toplayabilir, analiz edebilir ve sonuçlarını işleme ve karar verme süreçlerine dahil edebilirler. Endüstri 4.0'ın bir parçası olan Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojisi, gömülü sistemlerin kullanımını daha da artırmaktadır. IoT, internete bağlı cihazlar ve sensörlerin kullanımı ile birlikte endüstriyel üretimde büyük bir değişim yaratmaktadır. Gömülü sistemler, IoT cihazlarına entegre edilebilir ve bu cihazların verilerini toplayabilir ve analiz edebilirler. Bu sayede, üretim süreçlerinin izlenmesi ve yönetimi daha verimli hale getirilebilir.

Gömülü sistemler, endüstriyel üretimdeki diğer önemli bir teknoloji olan yapay zeka (AI) ile birlikte de kullanılabilirler. AI, gömülü sistemler tarafından toplanan verileri analiz edebilir ve üretim süreçlerinin daha verimli hale getirilmesi için öneriler sunabilir. Örneğin, üretim sürecinde bir arıza yaşanması durumunda, gömülü sistemler, AI kullanarak arızanın nedenini tespit edebilir ve çözüm önerileri sunabilir. Endüstri 4.0'ın getirdiği teknolojik gelişmeler, gömülü sistemlerin kullanım alanını daha da genişletmektedir. Nesnelerin İnterneti (IoT), yapay zeka ve veri analizi gibi teknolojiler, gömülü sistemlerin işlevlerini ve endüstriyel uygulamalardaki rolünü artırmaktadır. Bu teknolojiler, gömülü sistemlerin daha verimli, güvenli ve esnek hale gelmesini sağlamaktadır.

Öte yandan, gömülü sistemlerin geliştirilmesi ve kullanımı ile ilgili bazı endişeler de vardır. Özellikle, bu sistemlerin siber güvenlik risklerine karşı savunmasız olabileceği düşünülmektedir. Bu nedenle, gömülü sistemlerin güvenliği ve siber güvenliği de önemli bir konudur ve bu sistemlerin geliştirilmesi ve kullanımı için daha güçlü güvenlik önlemleri alınmalıdır.

Sonuç olarak, gömülü sistemler, Endüstri 4.0'ın bir parçası olarak endüstriyel uygulamalarda önemli bir rol oynamaktadır. Gömülü sistemlerin mimari yapısı, farklı endüstriyel uygulamalar için optimize edilebilir ve bu sistemler, endüstriyel üretimde verimlilik ve güvenlik açısından büyük faydalar sağlayabilir. Gömülü sistemlerin gelecekteki potansiyeli ise, teknolojik gelişmelerle birlikte çok daha büyük olabilir. Özellikle, Endüstri 4.0'ın getirdiği dijitalleşme ve otomasyon trendleri, geliştirilen işlemcilerin artan gücü gömülü sistemlerin geliştirilmesini ve kullanımını daha da yaygın hale getirebilir. Peki bahsi geçen bu işlemciler nedir ve nelerdir?

Gömülü Sistemlerde İşlemciler ve İşlemci Mimarileri

Gömülü sistemler, özel amaçlı cihazlarda kullanılan ve genellikle küçük boyutlu olan bilgisayar sistemleridir. Bu sistemlerde kullanılan işlemciler, genellikle düşük güç tüketimi, yüksek performans ve düşük maliyet gibi özellikleri ile öne çıkar. Ayrıca, bu işlemciler genellikle ARM veya RISC mimarisi gibi özel bir mimariye sahiptir. Gömülü sistemlerde kullanılan işlemciler, performanslarına ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli avantajlar ve dezavantajlar sunarlar. Örneğin, düşük güç tüketimi, pil ile çalışan cihazlarda uzun pil ömrü sağlar. Yüksek performans, gerçek zamanlı işlemler gibi hızlı işlem gerektiren uygulamalar için önemlidir. Düşük maliyet, maliyet duyarlı uygulamalar için idealdir. Bununla birlikte, gömülü sistemlerde kullanılan işlemcilerin dezavantajları da vardır. Örneğin, bazı işlemcilerin yeterli işlem gücü sağlayamaması, cihazın istenen işlevleri yerine getirememesine neden olabilir. Ayrıca, özel mimariye sahip olmaları nedeniyle, bu işlemcilerin programlanması bazen daha zor olabilir. Gömülü sistemlerde kullanılan işlemcilerin özellikleri, işlevleri ve performansı, uygulamanın gereksinimlerine bağlı olarak seçilmelidir. Bu nedenle, işlemci seçimi, gömülü sistemlerin tasarımında en önemli kararlardan biridir. Peki bahsettiğimiz bu işlemciler ve işlemci mimarileri nelerdir?
İşlemci mimarileri, bir işlemcinin nasıl çalıştığına, işlemleri nasıl işlediğine ve nasıl tasarlandığına ilişkin farklı yaklaşımları ifade eder. İşlemci mimarileri, genel olarak iki ana kategoriye ayrılır:

1)RISC (Reduced Instruction Set Computer): RISC mimarisi, işlemcinin daha az sayıda ve daha basit komutlar kullanarak daha hızlı işlemler yapmasını sağlar. RISC mimarisi, her komutun birçok farklı adımdan oluşan karmaşık bir işlem yapmasına izin vermeyen basit bir yapıya sahiptir. RISC işlemcileri, özellikle gömülü sistemlerde ve mobil cihazlarda sıklıkla kullanılmaktadır.

2)CISC (Complex Instruction Set Computer): CISC mimarisi, daha karmaşık komutlara sahip olup, bu komutların işlemi tamamlamak için daha fazla adım gerektirir. CISC işlemcileri, özellikle bilgisayar işlemlerinde kullanılır.

Bunların yanı sıra, birçok farklı işlemci mimarisi bulunmaktadır. Bazıları şunlardır:

Von Neumann mimarisi: Bu mimaride, işlemci ve bellek tek bir sistem olarak tasarlanmıştır. Program ve veriler aynı bellek alanında saklanır.

Harvard mimarisi: Bu mimaride, program ve veriler ayrı bellek alanlarında saklanır. İşlemci, bu iki bellek alanından ayrı ayrı veri okur.

Superscalar mimarisi: Bu mimaride, işlemcinin aynı anda birden fazla komutu işleyebilmesi için birden fazla işlem birimi vardır.

VLIW (Very Long Instruction Word) mimarisi: Bu mimaride, çok uzun komutlar kullanılır ve bu komutlar birçok farklı işlemi içerir.

SIMD (Single Instruction Multiple Data) mimarisi: Bu mimaride, bir işlemci birden fazla veri öğesi üzerinde aynı işlemi uygulayabilir.

Bu sadece birkaç örnek olup, birçok farklı işlemci mimarisi bulunmaktadır ve bunların her biri farklı avantajlar ve dezavantajlar sunar. Biz bu yazı serisi boyunca RISC mimarisini kullanan işlemcileri tercih edeceğiz. Bu nedenle CISC mimarisi üzerinde çok durulmayacaktır.

CISC Mimarisi Nedir ve CISC Mimarisini Kullanan İşlemciler Nelerdir?

CISC (Complex Instruction Set Computer) mimarisi, işlemcinin karmaşık komutları işleyebildiği bir mimaridir. Bu mimaride, her bir komut çok sayıda alt komuta ayrılabilir ve her alt komut farklı işlemleri gerçekleştirebilir. Bu, işlemcinin tek bir komutla birden fazla işlem yapmasına olanak tanır. CISC mimarisi, işlemcilerin daha fazla işlem yapmasına ve daha az bellek kullanmasına izin verir. Bununla birlikte, CISC işlemcileri genellikle daha yavaş çalışır ve daha fazla güç tüketir. Ayrıca, CISC mimarisi daha karmaşık olduğundan, işlemcinin tasarımı ve üretimi daha zor ve maliyetlidir.

CISC mimarisini kullanan işlemcilere örnekler arasında Intel x86, AMD APU ve VIA C7 işlemcileri yer almaktadır. Bu işlemciler, bilgisayarlar, sunucular ve diğer yüksek performanslı sistemler için kullanılmaktadır. CISC mimarisi, özellikle yüksek düzeyde programlama dilleri kullanarak yazılan programlar için daha uygundur. Bunun nedeni, CISC işlemcilerinin karmaşık işlemleri desteklemesi ve bu işlemlerin birden fazla basit komuta ayrılabilmesidir. Ancak, bu işlemciler daha yüksek güç tüketir ve daha yavaş çalışır, bu nedenle mobil cihazlar veya gömülü sistemler gibi güç tüketimi ve hızın önemli olduğu uygulamalarda RISC mimarisi daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

RISC Mimarisi

RISC (Reduced Instruction Set Computer) mimarisi, işlemcinin sadece temel komutları işleyebildiği bir mimaridir. Bu komutlar, genellikle çok basit işlemleri gerçekleştirmektedir ve her bir komut sadece bir işlem yapar. Böylece, işlemcinin her bir işlemi hızlı bir şekilde gerçekleştirmesi mümkündür. RISC mimarisi, CISC mimarisine göre daha az karmaşıktır ve daha az sayıda komut seti içerir. Bu nedenle, işlemcinin tasarımı ve üretimi daha kolay ve maliyeti daha düşüktür. Ayrıca, RISC işlemcileri daha hızlı ve daha az güç tüketir. RISC mimarisi, özellikle gömülü sistemler, mobil cihazlar ve diğer düşük güç tüketimi gerektiren uygulamalar için idealdir. Ayrıca, yüksek performanslı bilgisayarlar ve sunucular için de kullanılabilir. RISC mimarisinin avantajları arasında daha yüksek hız, daha düşük güç tüketimi, daha kolay tasarım ve üretim süreci, daha küçük işlemci boyutu ve daha az bellek kullanımı yer alır.

Bu işlemcilerin birçok farklı modeli ve üreticisi bulunmaktadır. Bazı örnekler şu şekildedir:
ARM: ARM işlemcileri, düşük güç tüketimi ve yüksek performans sunan bir RISC mimarisine sahiptir. Mobil cihazlardan bulut sunucularına kadar birçok farklı uygulama için kullanılmaktadırlar. Özellikle mobil cihazlar için geliştirilen ARM tabanlı işlemciler, günümüzde en yaygın olarak kullanılan mobil işlemciler arasında yer almaktadır.

MIPS: MIPS işlemcileri, bilgisayar ağları, gömülü sistemler, endüstriyel kontrol ve diğer birçok uygulama için tasarlanmıştır. Düşük güç tüketimi, yüksek performans ve maliyet etkinliği sunmaktadırlar.

PowerPC: PowerPC işlemcileri, yüksek performanslı hesaplama, sunucu ve diğer yoğun işlem uygulamaları için kullanılmaktadır. IBM tarafından geliştirilen bu işlemciler, RISC mimarisine sahiptir ve birçok farklı uygulama için kullanılmaktadırlar.

SPARC: SPARC işlemcileri, Sun Microsystems tarafından geliştirilmiştir ve özellikle sunucu uygulamaları için tasarlanmıştır. Yüksek performans, güvenilirlik ve ölçeklenebilirlik sunmaktadırlar.

AVR: AVR işlemcileri, düşük maliyetli gömülü sistemler için tasarlanmıştır. Basit bir RISC mimarisi kullanırlar ve genellikle düşük güç tüketimi gerektiren uygulamalar için kullanılırlar.

Bunlar sadece birkaç örnek olup, RISC mimarili işlemcilerin birçok farklı modeli ve üreticisi bulunmaktadır. Biz bu yazı serisinde ARM işlemciler üzerinden ilerleyeceğiz. Bu nedenle yapacağımız kodlama ve programlama işlemleri ARM işlemciler için geçerli olacaktır. Böylece bu bölümümüzün sonuna geldik ve diğer yazımızda ARM mimarisi üzerinde konuşacağız.

Kaynak:

► "Embedded Systems: Introduction to Arm Cortex-M Microcontrollers, Fifth Edition" - Jonathan Valvano
► "Embedded Systems: Real-Time Operating Systems for Arm Cortex-M Microcontrollers" - Jonathan Valvano
► "Embedded Systems: Design and Applications with the 68HC12 and HCS12" - Steven F. Barrett and Daniel J. Pack
► “Embedded Systems with ARM Cortex-M Microcontrollers in Assembly Language and C: Third Edition”