Görmediğimiz Bilgisayarlar

Yard. Doç. Dr., Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Sabancı Üniversitesi

Görmediğimiz

Bilgisayarlar

Sıcak bir temmuz sabahı Mehmet Bey’in acelesi vardı. Otomobiline bindi kontak

anahtarını çevirdi. Otomobilinin bilgisayarının açılması için bir dakika kadar

sabırsızca bekledi. Sonunda bilgisayar açılmıştı. Hemen “Başlat” menüsünden

“Motoru Çalıştır”, “Fren Kontrolü” ve “Vites Kontrolü” programlarını seçti.

Hava sıcak olduğu için “Klima” programını tıklamayı da ihmal etmedi.

Nihayet otomobil harekete hazırdı. “Varacağım yere kadar işletim sistemi hatası da

olmazsa, vaktinde yetişirim herhalde” diye düşündü.

B

önüne, işyerinde veya akşam evinde karşı-sında vakit geçirdiği, e-postalarını okudu-ğu ve internet sayfalarında gezindiği, rapor hazır-lamak için kullandığı ekran, klavye, fare ve işlem biriminden oluşan kişisel bilgisayarlar gelir. An-cak çevremizde bizim görmediğimiz halde haya-tımızı kolaylaştıran ve hatta onlarsız yapamaya-cağımız çok sayıda bilgisayar var. Mehmet Bey’in arabasında da çok sayıda bilgisayar var. Eğer bun-lar kişisel bilgisayar olsaydı, otomobil kullanmak herhalde pek pratik ve keyifli olmazdı.

Günlük hayatta karşılaştığımız değişik aletle-rin içinde saklı olan ve tek amaçları o aleti yönet-mek olan bilgisayarlara “gömülü bilgisayarlar” adını veriyoruz. Bunlardan etrafımızda o kadar çok var ki, “bilgisayar kullanmayı bilmem”, “bil-gisayarlarla uğraşmaktan hiç hoşlanmam” diyen-ler bile aslında farkında olmadan her gün onlarca bilgisayarla haşır neşir oluyor. Dünyada satılan mikroişlemci sayılarına baktığımızda da, satılan gömülü mikroişlemci sayısının kişisel bilgisayar-larda veya sunucubilgisayar-larda kullanılan türden işlem-cilerin sayısından yaklaşık yirmi kat fazla oldu-ğunu görüyoruz. Dünyanın en çok satan mikro-işlemcisi genel kanının aksine o ünlü markanın-ki değil; bir gömülü işlemci tasarımı olan ARM serisi. Dünyada tek kırmık (chip) üzerine sığdı-rılabilmiş ilk mikroişlemci olan Intel 4004 de, 1971’de kıran kırana bir savaşın yaşandığı elekt-ronik hesap makinesi piyasası için bir gömülü sistem olarak tasarlanmıştı.

Gömülü Bilgisayar Nedir?

Daha büyük bir sistemin parçası olup onu kontrol ve kumanda eden ve üzerinde tek ve be-lirli bir uygulama çalıştırılan bilgisayar sistem-lerine gömülü sistemler diyoruz. Bu tanım, ge-nel amaçlı bilgisayarlarla aralarındaki en önem-li farkı ortaya koyuyor. Evimizdeki kişisel

bilgi-http://www.microsoft.com/presspass/press/2002/mar02/03-04bmwpr.mspx

Ahmet Onat

sayarımız genel amaçlı bir bilgisayardır ve üzerinde çalıştırılacak olan uygula-ma hem kullanıcının seçimine kalmış-tır, hem de bu uygulamalar sıkça deği-şir; bazen yazım, bazen internet, bazen de oyunlar olabilir. İkinci fark da gömü-lü bilgisayarların doğrudan insanla etki-leşim içinde olmayıp bir sistemi kuman-da ediyor olmasıdır.

Basit gömülü bilgisayarlar mimari olarak genellikle 8 veya 16 bitlik bir mik-roişlemci, bellek ve kumanda edilen sis-temin parametrelerini ölçüp ona sinyal-ler gönderen çevre birimsinyal-lerinden olu-şur. Bunun yanı sıra insanlarla iletişim amaçlı tuşlar, ışıklar veya ekranlar ola-bilir.

Güdüm sistemleri, radarlar ve üre-tim işlemlerini kontrol eden daha kar-maşık gömülü bilgisayarlar ise hesap ka-biliyeti açısından günümüzün kişisel bil-gisayarlarından daha ileride olabilir. Pa-ralel işlemciler, büyük bellekler ve hız-lı haberleşme ağlarıyla donatılmışlardır.

Günümüzde bilgisayar teknolojisi ilerle-dikçe gömülü bilgisayar mimarisi ile ge-nel amaçlı bilgisayar mimarisi arasında-ki fark gerçekten de kapanmaktadır. Yi-ne de yukarıda saydığımız iki temel fark ve aşağıda sayacağımız farklar her za-man vardır.

Gömülü bilgisayarlar genellikle ku-manda edecekleri ürüne özel olarak ta-sarlanır, çünkü her sistemin işlem gücü, bellek, çevre birimler, güç tüketimi gi-bi ihtiyaçları farklıdır ve fazladan parça içermezlerse maliyetleri düşük tutulabi-lir. Tasarlanan sisteme özel sensörler ve eyleyiciler de (motorlar vb.) bulunur.

Genel amaçlı bilgisayarlardan farklı olarak gömülü bilgisayarlar sahada çalı-şacakları için parça seçimi, kutulama gi-bi konular ayrıca ele alınır. Örneğin oto-mobilinizin motorunu kontrol eden gö-mülü bilgisayarın kış ve yaz

mevsimle-ri düşünülerek -30o_{C ile 100}o_{C sıcaklık}

aralığında çalışması, su, nem ve tozdan etkilenmemesi ve titreşimlere, darbelere ve toza maruz kaldığında da çalışabilme-si gerekir.

Gömülü bilgisayarlarda önemli bir ta-sarım ölçütü de güç tüketimidir. Özellik-le son yıllarda pil kullanan portatif aÖzellik-let- alet-ler yaygınlaşmıştır. Pil ömrünü uzatma-nın en iyi yollarından biri az güç tüke-timli işlemciler kullanmaktır. İşlemcile-rin genelde kullanılan performans ölçüt-lerinden MIPS (Million Instructions Per Second; saniyede yapabileceği işlem sa-yısı) ve MFLOPS (Mega Floating Point Operations Per Second; saniyede

yapabi-leceği kayar noktalı aritmetik işlem sayı-sı) değerleri, DSP işlemciler (Digital Sig-nal Processor; sayısal işaret işlemeye yö-nelik işlemci) için yerlerini son yıllarda MIPS/W ve MFLOPS/W değerlerine, ni “1 Watt’lık güç karşılığı saniyede ya-pabileceği işlem kapasitesi” değerlerine bırakmaktadır. Güç tüketiminin azalma-sı sayesinde pilli aletleri daha uzun süre kullanmak mümkün olmaya başlamıştır. Gömülü bilgisayarların bir diğer özel-liği de ham işlem kapasitesi ile birlikte başka özelliklerin de bir arada düşünül-mesi, sadece bilgisayarın değil kumanda ettiği bütün sistemin belirli ölçütlere uy-masının sağlanması gereksinimidir. Bu-na en güzel örneklerden biri Amerikan Uzay Dairesi’nin (NASA) 1996’da Mars’a gönderdiği “Pathfinder” isimli robotta kullanılan işlemcidir. Bu robot Mars’ın üzerinde kendi kendine dolaşmış, pek çok deney gerçekleştirmiş, çektiği fo-toğrafları ve deney sonuçlarını Dünya’ya göndermiştir. Bütün bu işleri yapan gö-mülü sisteminin mikroişlemcisi 100kHz hızında çalışan ve o tarihten yirmi yıl önce yani 1977’de tasarlanmış bir Intel 8085’tir. Yanlış okumadınız 100kHz; gü-nümüz işlemcileri neredeyse 4GHz hı-zındadır, yani bu robotunkinden 40.000 kat daha hızlıdır. NASA’nın bu eski, basit ve yavaş işlemciyi seçmesinde iki önemli neden var: Güvenilirlik ve çevre koşulla-rı. Intel 8085 o tarihte çok iyi bilinen, her türlü hatası ve aksaklığı iyice belgelenmiş bir işlemciydi. Yeni bir işlemci kullanıl-dığında Mars’ta öngörülemeyen bir ak-saklık çıkması riskinin büyük olması, bu seçimde önemli bir etkendi. İkinci etken ise yüksek radyasyon ortamında modern ve hızlı çalışan yani içindeki transistörler ve enerji seviyeleri küçük olan bir işlem-ci kullanıldığında, bu işlemişlem-cinin kozmik parçacıkların çarpması nedeniyle işlem-lerde hata yapma olasılığının yüksek ol-masıydı. Eski, yavaş ve oransal olarak bü-yük transistörler içeren 8085’in hata yap-ması olasılığı ise daha azdı. Bu örnekten de anlayabileceğimiz gibi, gömülü sistem tasarımında eldeki tasarım kriterlerine en uygun gömülü işlemci mutlaka en ye-ni ve en hızlı işlemci değildir.

Basit bir gömülü bilgisayarın iç yapısı

Sabancı Üniversitesi’nde geliştirilen mekatronik eğitimi amaçlı gömülü bilgisayar SuboardII. Detaylı bilgi için:

http://fens.sabanciuniv.edu/suboard

Bilim ve Teknik Nisan 2009

>>>

Görmediğimiz Bilgisayarlar

Kullanım Alanları

Gömülü bilgisayarlar o kadar yaygın-laşmıştır ki, kullanım alanlarını saymak yerine kullanılmadıkları yerleri saymak belki daha kolay olur! Yine de bunları çeşitli gruplar halinde ele alabiliriz.

“Hayatımızı kolaylaştıran sistem-ler” Elektrikli ev aletleri, ATM’ler, CD

ve MP3 çalarlar, otobüse veya trene bi-nerken kullandığımız turnikeler gibi sis-temler. Örneğin eskiden çamaşır ve bu-laşık makinelerinin “beyni” diye adlan-dırılan ve yıkama programını uygulayan parçalar mekanik iken, günümüzde bu fonksiyon tamamen gömülü bilgisayar-larla gerçekleştiriliyor. Bu sayede, örne-ğin makineye konulan kirli malzemenin miktarına ve kir oranına göre kullanıla-cak su ve arıtıcı miktarının otomatik ola-rak seçilmesiyle enerji ve para tasarru-fu yapmak mümkün olmuş, maliyet de ucuzlamıştır.

Maliyetteki ciddi düşüşlerin nede-ni, eskiden mekanik olarak imal edilen kontrol mekanizmalarının görevinin ar-tık çok ucuz bir mikroişlemci tarafından üstlenilmesi, böylece her makine için bir kontrol mekanizması imal etmek yerine kontrol programının bir kere yazılarak mekanik kısmı basitleşmiş ürüne nere-deyse sıfır maliyetle kopyalanabilmesi-dir. Bu program bir kere yazıldığı için de üretilen alete çeşitli ek işlevler kolay-ca yüklenerek bir taşla iki kuş vurmak da mümkün olmaktadır.

Günümüzde kullanılan aletlerin ger-çekleştirmelerini beklediğimiz karma-şık fonksiyonları ve performansları-nın çok yönlü olarak optimize edilme-si ihtiyacını artık sadece mekanizmalar-la veya elektronik devrelerle karşımekanizmalar-lamak mümkün olmadığı için, gerçekleştiril-mesi istenen fonksiyonların bir mikro-bilgisayara yazılıp aleti onun kumanda etmesini sağlamak en çok tercih edilen yöntem oldu. Hatta aletlerin bu tarzda tasarlanması yeni bir mühendislik dalı ortaya çıkardı: Mekatronik.

“Güvenilirliği kritik olan sistemler”

Bu uygulamalar arasında tıbbi teşhis ve tedavi sistemleri, taşıtlar, askeri

uygu-lamalar ve sinyalizasyon uygulamala-rı sayılabilir. Ortak özellikleri auygulamala-rıza yap-maları durumunda insan hayatını tehli-keye atma ihtimalleridir. Örneğin rad-yoterapi cihazları, otomatik ilaç şırın-ga eden cihazlar, otomobil ve trenlerde-ki fren sistemleri, asansörler, uçaklarda-ki pek çok sistem; askeri uygulamalarda silah güdüm, komuta amaçlı haberleşme sistemleri; büyük şehirlerin su şebekele-ri için kurulmuş sinyalizasyon şebekeleşebekele-ri bu sistemler arasında sayılabilir. Bu tür gömülü sistemlerin karşılaması gereken önemli performans ölçütleri vardır.

- Hemen hemen hepsi belirli arıza du-rumlarında dahi belirli bir performansta çalışabilecek şekilde tasarlanır. Uçaklar için bunun böyle olduğu yaygın olarak bilinir. Ama kullandığınız otomobilde bile benzer tasarım önlemleri alınmıştır.

- Uzun ömürlü olabilirler. Evinizdeki bilgisayarı en geç beş yılda bir yenilese-niz bile asansörünüzün gömülü bilgisa-yarı belki kırk yıl çalışmak zorundadır. Pek çok taşıt aracı için de durum ben-zerdir. Bu tür bilgisayarlar kolayca değiş-tirilemez, çünkü her biri o işlev için özel olarak tasarlanmış ve programlanmış-tır. Yıllar sonra arıza yapan sistemler için yedek parça bulmak çok zordur. Bugün arıza yapan bir asansörün hâlâ ilk çıkan mikroişlemcilerden birini kullanıyor ol-ma ihtiol-mali o kadar da az değildir.

- Gerçek zamanlı sistemlerdir. Ya-ni bir etkene karşı verecekleri tepkiYa-nin hem ne olacağı hem de bu tepkinin en geç ne zaman verileceği tanımlanmıştır. Bilgisayarınızın internete bağlanması-nın bazen gecikmesi çok sorun yaratma-yabilir, ama otomobilinizin frenlerinin bazen geç tutması kabul edilemez!

- Performansları tescil edilmiştir. Bu sistemlerin gömülü bilgisayarlarında yazılı olan programın, hem nitelik ola-rak tepkilerinin hem de tepki süreleri-nin, olabilecek bütün çalışma koşulla-rı ve olası akoşulla-rıza koşullakoşulla-rı altında belir-li değerleri aşmayacağı doğrulanmış-tır. Tescil edilebilir gömülü sistemler ta-sarlamak ve tescil testlerinin tasarlan-ması zor bir süreçtir. Programların nor-malde kullanılmayan yöntemlerle yazıl-ması ve her satırının belgelenmesi gere-kebilir. Dünyadaki büyüklüğüne oran-la en az hata içeren yazılım ooran-larak anı-lan NASA Uzay Mekiği kontrol progra-mının her bir satırı için bir kütük tutul-makta, yapılacak herhangi bir değişiklik, nedenleri, beklenen sonuçları ve bu de-ğişikliğe onay veren kişilerin imzalarıy-la kayıt altına alınmaktadır. Her on bin satırda bir hata olasılığı hesaplanan bu programın satır başına maliyeti ise 1000 ABD doları olarak tahmin edilmektedir. Bell Laboratuvarları’na göre 1000 satırda en çok 1-2 hata içeren bir programın sa-tır başına maliyeti 25-50 dolar arasında ve yazım hızı ise programcı başına ayda 150-300 satır arasındadır!

Kritik sistemlerdeki hatalar sonucu oluşan kazalar genellikle haberlere çı-kar. Bunların en meşhurlarından biri 1996’daki Ariane 5 füzesinin 501 numa-ralı uçuşundaki kazadır. Bu füzenin uçuş bilgisayar programı daha küçük olan Ariane 4 füzesinden alınmış, uçuş dina-miğindeki farklılıklar göz önüne alınıp küçük değişiklikler yapılarak kullanıl-mıştır. Ancak programda kullanılan de-ğişkenlerden birinin Ariane 5 uçuşu sıra-sında izin verilenden daha büyük bir de-ğere ulaşması sonucunda, atalet güdüm sistemleri devre dışı kalmış, bu da füze-nin imha olmasına neden olmuştur. Ben-zer bir hata evimizdeki bilgisayarda olsa en kötü ihtimalle bilgisayarı yeniden baş-latıp işimize devam ederiz. Gömülü sis-temlerde ise hesapların zamanında ye-tişmesi gerektiğinden böyle bir seçenek yoktur. Ayrıca programın kendi başı-na hatasız olması yeterli olmaz, kuman-da ettiği sistemin karşılaştığı durumlar-la beraber değerlendirilmek zorundadır. 60

Bilim ve Teknik Nisan 2009

<<<

“Karmaşık işlevli sistemler” Bu

sis-temler arasında cep telefonu, baz istas-yonu, internet haberleşme cihazları, gö-rüntü sıkıştırma ve sayısal TV yayınla-rı gibi haberleşme işlevleri ile şifrele-me ve kimlik denetimi işlevlerini yeri-ne getiren gömülü bilgisayarlar sayıla-bilir. Günümüzde haberleşme ihtiyaçla-rı arttığından haberleşme kanallaihtiyaçla-rından en iyi şekilde yararlanabilmek için veri-leri gönderirken özel yöntemlerle kodla-mak ve sıkıştırkodla-mak gerekmektedir. Ör-neğin evimizde izlediğimiz sayısal uydu yayınının veya kablolu yayının çözülerek televizyona yansıtılması veya GSM şebe-ke protokolünün uygulanması için şaşır-tıcı miktarda işlem gücü gerekir.

Yine günlük hayatta sık sık kullan-dığımız, “çipli kart” olarak adlandırılan kredi kartları, SİM kartlar, kimlik kart-ları ve bir kısım elektronik taşıt biletle-ri de aslında şifreleme özelliklebiletle-ri gelişkin birer bilgisayardır. Cüzdanımızdaki çip-li kartların bazılarının sahip olduğu bilgi işlem gücü, Ay’a ilk giden astronotların bile hayran kalacağı seviyededir. Bunlar kendi üzerlerindeki bilgileri sizin girdi-ğiniz şifre ile karşılaştırmakla kalmayıp o sırada takılı oldukları okuyucu cihazın geçerli bir kuruma ait olup olmadığını, bağlandıkları banka bilgisayarının sizin verilerinizi öğrenmek isteyen sahte bir bilgisayar olup olmadığını da aynı anda kontrol eder. Sahtecilik yapıldığını anla-dıkları anda (filmlerdeki gibi duman ve kıvılcımlar çıkararak olmasa da) üzerle-rindeki bilgiyi imha edebilenleri bile var.

“Otomasyon” Bu alandaki

gömü-lü sistemler belki de hayalimizdeki kor-kunç bilgisayar tiplemesine en uygun olanlar, çünkü robotlar ve üretim maki-neleri gibi hareket eden sistemleri kont-rol ediyorlar. Stanley Kubrick’in ün-lü 2001 Uzay Macerası adlı filmindeki akıllı bilgisayar HAL 9000 de bu sınıf-tan bir gömülü bilgisayardır diyebiliriz. Otomasyonda kullanılan gömülü bilgi-sayarların diğerlerinden önemli bir far-kı vardır: Standartlar. Üretim tesislerinin otomasyonunda kullanılan sistemler ge-nellikle az sayıda üretilir, ancak her ye-ni fabrika veya üretim tesisi için sil

baş-tan tasarım yapmak çok masraflı olaca-ğından, kullanılan gömülü bilgisayarlar (bir kısmı piyasa devleri tarafından be-lirlenmiş) standartlara uyan belirli alt parçalardan yapılır. Bu nedenle otomas-yon sistemlerinin kurulumunu yetiş-kinlere yönelik LEGO oyununa benzet-mek mümkündür. Otomasyonda en yay-gın kullanılan gömülü bilgisayarlar PLC (Programmable Logic Controller; prog-ramlanabilir mantıksal kontrolör) adı verilen, basit bir şekilde programlanabil-meleri için sınırlandırılmış bir dile sahip olan, elektriksel ve mekanik olarak sağ-lamlaştırılmış sistemlerdir. Bunlar ve da-ha karmaşıkları, otomasyon için tasar-lanmış bilgisayar ağlarını da kullanarak, bütün bir üretim hattının hatta fabrika-nın otomasyonunu üstlenirler.

“Kontrol uygulamaları” Gömülü

bilgisayarların belki de en sık kullanıldı-ğı ama en geri planda kaldıkullanıldı-ğı uygulama-lar herhalde kontrol uygulamauygulama-larıdır. Bu sistemler otomobilinizin hızını, merkez-kaç kuvvetini ve gaz pedalına ne kadar bastığınızı saniyede yüzlerce kez ölçüp hesaplar yaparak virajlarda savrulmanı-zı engeller, bir nükleer reaktörün kaza ve sızıntıya yer kalmayacak şekilde aza-mi güç üretmesini sağlar, kahvenizin bol köpüklü olması ve hızlı pişmesi için sen-sör verilerini değerlendirirken gereken anlık ısıtıcı gücünü de hesaplar. Eskiden bir sistemin kontrol edilmesi gerektiğin-de özel bir analog gerektiğin-devre tasarlanması normalken, günümüzde bu yöntemlerin neredeyse tamamı artık gömülü bilgisa-yarlara bırakılmış durumda. Evdeki ge-reçler arasında analog kontrolün son ka-lelerinden olan ütü termostatları bile ar-tık yerlerini gömülü bilgisayarlara bırak-maya hazırlanıyor.

Gömülü Bilgisayarların

Geleceği

Gömülü bilgisayarların kullanıldığı sa-dece belli başlı alanları sayabildik tabii. Pek çok bilim adamı gelecekte çevremiz-de gittikçe daha az bilgisayar görmeye baş-layacağımız konusunda hemfikir. Son yıl-larda da bu yönde gelişmeler var. Artık gö-mülü bilgisayarların da internete bağlı ol-maması düşünülemez hale geldi. Bilgisa-yar ile televizyon, telefon, internet gibi ile-tişim araçları bütünleşmeye başladı; artık birbirinden ayırt edilemez hale geliyorlar. Merkezi büyük bilgisayarlar yerine her biri kendi özel görevini yerine getiren ve oto-matik görev paylaşımıyla amaçlarını ger-çekleştiren sistemlerin ileride yaygınlaş-ması beklenebilir. Cep telefonunuz buz-dolabınızla haberleşip alışveriş listeniz için tavsiyeler hazırlamaya başlayabilir veya eviniz içeride kimse olmadığını fark edip ısıtmayı kısabilir. Bu gelişmeler günümüz-de teknik olarak mümkün; en büyük sı-kıntı sistemlerin birlikte çalışmalarına izin verecek bir standart olmaması. Bu konu-da konu-da Avrupa Birliği’nin en büyük bilim-sel programı olan Yedinci Çerçeve Progra-mı dahilinde projeler yapılmaya başlandı.

Bahsettiğimiz marifetli sistemlerin her biri tabii gömülü bilgisayarlar içeri-yor. Bilgi işlem teknolojisi ve bilgisayar-larla etkileşim yöntemlerindeki son ge-lişmeler sayesinde genel amaçlı bilgisa-yarlar ve gömülü bilgisabilgisa-yarların arasın-daki performans farkı kapandıkça, kişi-sel bilgisayarımızın da yerini işbirliği ya-pan çok sayıda gömülü bilgisayara bı-rakması işten bile değil.

Kaynaklar

Le Lann, G., “An Analysis of the Ariane 5 Flight 501 Failure - A System Engineering Perspective”, 10. IEEE International ECBS Conference, s. 339-346, Mart 1997.

Malone, M. S., The Microprocessor: A Biography, TELOS Springer, 1995.

Liu, J. W., Real-Time Systems, Prentice Hall, 2000. Ganssle, J. G., The Art of Designing Embedded Systems, Newness, 2000.