Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 1 (25) Digitaalilaiteteknologia ja sovellukset

Transkriptio

1 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 1 (25)

2 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 2 (25) Johdanto Tässä luvussa käsitellään digitaalilaitteiden osia ja rakennetta esitetään digitaalisiin mikropiireihin liittyviä asioita esitetään digitaalilaitteen ja sen laitteisto-osan suunnitteluprosessi esitellään eräitä keskeisiä digitaalitekniikan sovelluksia ja niiden kehityskaarta tietokone, erityisesti PC digitaaliset tietoliikennejärjestelmät pyritään hahmottamaan sitä, miten näissä sovelluksissa hyödynnetään digitaalitekniikkaa ja digitaalista tiedon käsittelyä, tallennusta ja siirtoa käsitellään teknologian kehityksen merkitystä ja vaikutusta digitalisoitumiseen (lisäsisältöä) esitetään digitaalitekniikan soveltamisen etuja esitellään eräitä keskeisiä käsitteitä kuten palvelun laatu, siirtokapasiteetti ja lisäsisältönä ryöppyisyys

3 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 3 (25) Digitaalilaitteen käytännön rakenne Laitteen koko ja mutkikkuus vaikuttavat käytännön rakenteeseen Laite koostuu komponenteista, jotka on asennettu piirilevyille Pienissä laitteissa on yksi tai muutama komponenttilevy kotelossa Suurissa laitteissa komponenttilevyt ovat pistoyksiköitä kehikoissa Kehikot on asennettu kaappiin tai kaappeihin Komponentteja (component) Pistoyksikkö (plug-in IC-1 unit) Analogia- digitaali- ASIC Kehikko (rack) Kaappi (cabinet) IC-2 Proses- Komponenttilevy sori- (printed circuit board) ASIC Laite (device)

4 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 4 (25) Digitaaliset mikropiirit, yleistä Valmistetaan puolijohdemateriaalista, yleensä piistä Muodostuu integroiduista transistoreista ja muista komponenteista Pakataan muovikoteloon tai keraamiseen koteloon (package) Komponenteissa on liitäntänastat (pin) piirilevylle kiinnittämistä varten tulo- ja lähtösignaalit käyttöjännite ja maa (isoissa piireissä suuri osa liitäntänastoista) pintaliitoskomponentit (nykyään käytössä oleva liitäntätapa) piirilevyn läpi menevät komponentit (aikaisempi liitäntätapa) Mutkikkuus lisääntyy eli integrointiaste kasvaa Liitäntänastojen määrä lisääntyy: 14/ Piirien nastaväli pienenee: 2,54 mm 1,27 mm 0,635 mm 0,6 mm 0,5 mm 0,4 mm Piirit ohenevat: 5 mm 2,5 mm 1,5 mm alle 1 mm Mikropiirien valmistusvideo (Intel)

5 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 5 (25) 4004 Integrointiasteen kehitys Mooren laki: mikropiirin transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu likimain vakioaikavälein Transistorimäärä 8080 Intelin prosessorien transistorimääriä julkaisemishetkellä Dual-Core Itanium 2 Itanium 2 Pentium 4 Itanium Pentium II Pentium III Pentium Pentium Pro Vuosi

6 Kotelotyyppien kehitys Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 6 (25)

7 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 7 (25) Mikropiirin sisäinen rakenne Small Outline eli SO-koteloinen piiri, 14 liitäntänastaa Ball Grid Array eli BGA-koteloinen piiri, 432 liitäntänastaa

8 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 8 (25) Digitaalisten mikropiirityyppien ryhmittely? 1 Digitaaliset mikropiirit Digital Digital integrated circuits circuits Vakiopiirit Standard circuits circuits piirivalmistaja suunnittelee piirivalmistaja valmistaa toiminta kiinteä vapaasti saatavilla Ohjelmoitavat logiikkaverkot Programmable logic logic piirivalmistaja suunnittelee piirivalmistaja valmistaa toiminta ohjelmoidaan vapaasti saatavilla Asiakaspiirit Application specific IC's, IC's, ASIC's ASIC's laitevalmistaja suunnittelee piirivalmistaja valmistaa toiminta kiinteä vain laitevalmistajan saatavilla

9 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 9 (25) Digitaalilaitteen tuotekehitysprosessi Projektin ohjaus ohjaus Project Project management Määrittely Specification Suunnittelu Design Design Toteutus Implementatiotation Testaus Testing Testing Tuotantoon siirto siirto Transfer to to production Dokumentointi Documentation? 2

10 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 10 (25) Digitaalilaitteen laitteiston suunnitteluprosessi Määrittely Lohko- Lohkokaaviosuunnittelkaavio- Ei Lohkon Lohkon 1 suunnittelu Lohkon Lohkon 1 simulointi On OK? OK?. Ei Lohkon Lohkon n suunnittelu Lohkojen yhdistämineminen Koko Koko laitteeteen toim. toim. lait- simulointi OK? OK? On Ei Ajoitussimulointi Ajoitus- OK? OK? Ei Lohkon Lohkon n simulointi OK? OK? On Piirilevysuunnittelu On Toteutus

11 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 11 (25) Tietokoneet Yleiskäyttöiset (general purpose) tietokoneet PC, työasema palvelin suurkone supertietokone PC Sulautetut tietokoneet (embedded computers) mitä erilaisimpien tuotteiden (auto, kännykkä, TV ) sisällä valtaosa tietokoneista on sulautettuja Tietokoneessa on kahdenlaista tietoa ohjelmat käsiteltävät tiedot eli käyttäjän data Molempia käsitellään samalla laitteistolla Ohjelma määrää tietokoneen toiminnan yleiskäyttöisessä tietokoneessa ohjelma on käyttäjän valittavissa sulautetussa tietokoneessa on vakio-ohjelma EC

12 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 12 (25) Tietokonearkkitehtuurit von Neumann -arkkitehtuuri Perinteisissä tietokoneissa Muisti Muisti Ohjelmamuisti Työmuisti Suoritin eli eli prosessori Yhteinen väylä Harvard-arkkitehtuuri Uusissa tietokoneissa Signaalinkäsittelyyn suunnitelluissa prosessoreissa Ohjelmamuistmuisti Käskyväylä Dataväylä Työmuisti Suoritin eli eli prosessori Käyttäjä Liitäntälaitteet Käyttäjä Liitäntälaitteet

13 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 13 (25) Tietokoneen lohkojen tehtävät Muisti (memory) suoritettava(t) ohjelma(t) ohjelmamuistissa työtiedot (lähtötiedot, välitulokset, lopputulokset) työmuistissa Suoritin (processor) kaiken keskipiste suorittaa ohjelman määräämät tehtävät siirtää tietoa väylien kautta Liitäntälaitteet (interface devices, I/O devices) tiedot käyttäjältä ja käyttäjälle käyttäjä voi olla ihminen tai laite Väylät (bus) yhdyskäytäviä osien välillä suoritin ohjaa tiedon siirtoa Ohjelmamuistmuisti Käyttäjä Käskyväylä Dataväylä Työmuisti Suoritin eli eli prosessori Liitäntälaitteet

14 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 14 (25) Suorittimen sisäinen rakenne (von Neumann) Lisä Aritmeettislooginen yksikkö yksikkö (ALU) (ALU) Lippurekisteri Sisäinen väylä väylä Rekisteri 1 Rekisteri Rekisteri n Ohjelmalaskuri Käskyrekisteri Suoritin Ohjausyksikkyksikkö Ohjausväylä Ulkoinen dataväylä Osoiteväylä

15 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 15 (25) Tiedon käsittely yleistietokoneessa (esim. PC) Pääprosessori (esim. Intel Core 2 Duo tai AMD Opteron) käsittelee käyttöliittymän herätteet ja vasteet näytön päivitys ja tulostus kirjoittimelle näppäimistön luku hiiren liikkeet ja painallukset Pääprosessori käsittelee käytössä olevan sovellusohjelman vaatimat tehtävät esim. tekstinkäsittelyohjelman käytön edellyttämät muutokset muistissa olevaan tekstiin tallennus kiintolevylle tietoliikenneyhteyksien käyttö Apuprosessorit helpottavat pääprosessorin työtä äänen ja videokuvan käsittely signaaliprosessorilla DSP moduloidun radiosignaalin muokkaus signaaliprosessorilla datayhteyden muodostuksen käsittely tietoliikenneprosessorilla Lisä

16 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 16 (25) Loogiset ja aritmeettiset toiminnot Tietokone tekee loogista päättelyä edellyttäviä tehtäviä käyttöjärjestelmän toiminnot käyttäjän toimenpiteiden käsittely A B C Tietokone tekee laskutoimituksia näytön käsittely signaalien käsittely C = A + B taulukkolaskentaohjelmat Sama yleiskäyttöinen laitteisto tekee mitä erilaisimpia tehtäviä sen mukaan, mitä koneeseen ladattu ohjelma edellyttää Ohjelmat ja käsiteltävä tieto ovat kaikki digitaalisessa muodossa kaikkea voidaan käsitellä samalla laitteistolla erilaisia loogisia ja aritmeettisia algoritmeja käyttäen kaikki voidaan siirtää samalla tavalla digitaalista siirtotietä myöten kaikki voidaan tallentaa samalla tavalla digitaaliselle tallennusalustalle Lisä

17 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 17 (25) Tietoliikennejärjestelmien kehitys Varhaisimmat järjestelmät digitaalisia savumerkit, merkkitulet optinen lennätin: Chappe 1793, sähköinen lennätin: Morse 1837 Puheen siirto kuparijohdossa: Bellin puhelin 1876, analoginen peruspuhelinpalvelu sähkömekaaniset puhelinkeskukset: Strowger-valitsin yksinkertaiset lisäpalvelut Puheen siirto radioteitse: Marconi 1896, analoginen yleisradio- ja televisiotoiminta yksinkertaiset radiopuhelinjärjestelmät Siirtotekniikan digitalisoituminen: PCM- ja TDM-tekniikka Välitystekniikan digitalisoituminen: digitaaliset keskukset Digitaaliset valokaapeli- ja radiopuhelinverkot Tietoverkkojen yhdistäminen: Internet-palvelut Digitaalinen televisio ja radio D A D

18 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 18 (25) Digitaaliset tietoliikennejärjestelmät Puheen, muun äänen, tekstin, kiinteän ja liikkuvan kuvan ja muun tiedon siirtoon ja kytkentään digitaalinen puhelinverkko puheluille ja dataliikenteeseen vakiosuuruinen siirtokapasiteetti IP-verkko dataliikenteeseen (esim. Internet), nykyään myös puheluille tarpeeseen mukautuva siirtokapasiteetti verkot käyttävät suurelta osin yhteisiä siirtoteitä Käyttäjän liitäntä lankapuhelinverkkoon analoginen puhelin tai ISDN-perusliitäntä Käyttäjän liitäntä matkapuhelinverkkoon LTE-, 3G- tai GSM-liitäntä Johtoliitäntöjä IP-verkkoon esim. Ethernet-, ADSL- ja VDSL-liitännät Johdottomia liitäntöjä IP-verkkoon esim. WLAN, WiMAX, UWB, ZigBee

19 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 19 (25)? 3 Digitaalisen puhelinverkon rakenne Yhteys kansainväliseen verkkoon Ristikytkentäsolmu Yleinen keskus Tilaajajohto Maan runkoverkko Matkapuhelinverkon tukiasema Matkapuhelinverkon ohjain ja keskus Tilaajaverkko Tilaajasolmu Paikalliskeskus Verkonhallintajärjestelmä

20 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 20 (25) IP-verkon rakenne Palvelin Matkapuhelinverkon tukiasema Matkapuhelinverkon ohjain ja keskus Reititin IP-verkko Paikallisverkko LAN Verkkopalvelin WLANtukiasema ADSLmodeemi

21 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 21 (25) Tietoliikenteen komponenttiteknologia Aiempi analoginen tietoliikenne Päätelaite pääosin sähkömekaaninen kuuloke hiilimikrofoni valintalevy Kytkentäteknologia sähkömekaaninen releet mekaaniset valitsimet Useita Useita eri eri teknologioita Pääosin yksi yksi teknologia Siirtoteknologia: elektroniputket tai puolijohteet vahvistimet taajuuskanavointilaitteet Nykyinen digitaalinen tietoliikenne Päätelaite osin sähkömekaaninen, osin mikropiiriteknologiaa minikaiutin dynaaminen mikrofoni näyttö ja ehkä näppäimistö signaalin käsittely mikropiireillä Kytkentäteknologia: mikropiirit mikroprosessoriohjaus kytkentäkenttä mikropiirinä Siirtoteknologia: mikropiirit signaalin kanavointi tai paketointi mikropiireillä verkonhallinta prosessoreilla Lisä

22 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 22 (25) Palvelun laatu Palvelun laatuun (QoS, Quality of Service) vaikuttavat erilaiset häiriöt Esimerkkejä: puhelu: siirtoetäisyys, kaapeli video: kuluminen, aika Analoginen palvelu: laatu on hyvä, ellei ole häiriöitä häiriöiden lisääntyessä laatu huononee koko ajan Palvelun laatu Ei virheitä Digitaalinen palvelu Analoginen palvelu Virheet voidaan korjata Digitaalinen palvelu: laatu voi olla analogista huonompi, ellei ole häiriöitä laatu säilyy samana tai lähes samana häiriöiden lisääntyessä virheet voidaan korjata virheen korjaavalla koodauksella tietyn häiriörajan jälkeen laatu romahtaa Häiriöt

23 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 23 (25) Siirtokapasiteetti Sitä, paljonko siirtokanavan kautta voidaan aikayksikössä siirtää tietoa, nimitetään kanavan siirtokapasiteetiksi Analogisessa siirrossa käytettävissä oleva taajuuskaista määrää suoraan kanavan kapasiteetin Digitaalisessa siirrossa kapasiteettia voidaan lisätä tiettyyn rajaan asti aiempaa tehokkaammalla moduloinnilla tai siirtokoodauksella Esimerkki: kännykän teoreettisen datasiirtonopeuden kehitys: GSM-Data 9,6 kbit/s GPRS 144 kbit/s EDGE 236,8 kbit/s 3G 2 Mbit/s HSPA 7,2 Mbit/s LTE 100 Mbit/s 4G 1 Gbit/s Digitaalisessa siirrossa kapasiteettia voidaan edelleen lisätä siirrettävän tiedon luonteen huomioon ottavalla koodauksella MPEG tai pakkauksella eli kompressoinnilla saadaan usein analogista siirtoa selvästi suurempi kapasiteetti Esimerkki: analoginen TV-kanava 3-6 digitaalista kanavaa kapasiteetin lisäys edellyttää siirrettävän signaalin voimakasta muokkaamista eli joko tehokasta prosessoria tai käsittelyä erikoispiirissä

24 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 24 (25) Siirtokanavatyypit ja siirron ryöppyisyys Osalla digitaalisista siirtokanavista on vakiokapasiteetti eli siirto on ryöpytöntä Esimerkkejä: PCM-kanava puhelinverkossa: 64 kbit/s ja siirtokanava ADSL-yhteydellä: 256 kbit/s-8 Mbit/s Tällaisia kanavia nimitetään piirikytkentäisiksi Ne sopivat hyvin palveluihin, joissa kapasiteettitarvekin on vakio Esimerkkejä: puheyhteys ja videon siirto Osassa palveluista kapasiteettitarve vaihtelee ajan mukana suuresti eli siirto on ryöppyistä Esimerkkejä: Internetin WWW-sivujen selailu ja sähköposti Tällaisiin palveluihin soveltuu muuttuvakapasiteettinen kanava Esimerkkejä: W-CDMA-kanava, ATM- (Asynchronous Transfer Mode) -kanava ja TCP/IP-kanava Tällaisia kanavia nimitetään pakettikytkentäisiksi Uudet digitaalitekniikkaan pohjautuvat palvelut ovat usein kapasiteettitarpeeltaan vaihtelevia Lisä

25 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 2 Sivu 25 (25) Yhteenveto Digitaalilaitteen rakenne on on komponentti piirilevy piirilevy kehikko kaappi kaappi Digitaalipiirin materiaalina on on yleensä pii pii ja ja se se koostuu pääosin integroiduista transistoreista Digitaalisten mikropiirien integrointiaste kasvaa kasvaa Mooren lain lain mukaan Digitaalipiirit voidaan ryhmitellä vakiopiireihin, ohjelmoitaviin logiikkaverkkoihin ja ja asiakaspiireihin Mikropiirejä pakataan erilaisiin koteloihin ja ja niillä niillä on on oma oma rakenteensa Digitaalilaite ja ja laitteisto suunnitellaan tuotekehitysprosessia noudattaen Osa Osa tietokoneista on on yleiskäyttöisiä, mutta mutta suurin suurin osa osa sulautettuja Tietokoneen keskeiset osat osat ovat ovat muisti, muisti, suoritin, liitäntälaitteet ja ja väylät väylät Digitaaliset tietoliikennejärjestelmät muodostuvat digitaalisesta puhelinverkosta ja ja IP-verkosta sekä sekä näihin näihin liitetyistä päätelaitteista Analogisessa palvelussa laatu laatu vaihtelee enemmän kuin kuin digitaalisessa Siirtokanavan kapasiteetti saadaan yleensä hyödynnetyksi paremmin digitaalisessa kuin kuin analogisessa käytössä