Tietokonetekniikka Edita, Seppo Haltsonen, Esko T. Rautanen

Transkriptio

1 SISÄLLYS 1 Tietokoneen toimintaperiaate ja käyttö Mikä tietokone on? Tieteen ja toimiston koneista yleistietokoneeseen Mekaanisista ja sähköisistä laitteista sulautettuihin tietokoneisiin Digitaaliset mikropiirit ja niiden ryhmittely Digitaalilaitteiden toteutustavat ja niiden ominaisuudet Tietokoneen historia Mekaaniset laskukoneet Differenssikone ja analyyttinen kone Turingin kone Sähkömekaaniset laskukoneet Tietokonesukupolvet Ensimmäisen sukupolven tietokoneet Toisen sukupolven tietokoneet Kolmannen sukupolven tietokoneet Neljännen sukupolven tietokoneet Viidennen ja kuudennen sukupolven tietokoneet Tietokoneen rakenteen ja toiminnan perusteet Tietokoneen perusrakenne Tietokoneen konekieli Käskyjakso Von Neumann- ja Harvard-arkkitehtuuri CISC- ja RISC-koneet Tietokoneen monitasomalli Laitteiston ja ohjelmiston abstraktiotasot Tietokoneen arkkitehtuuri ja organisaatio Tietokoneen tehokkuus Tieto ja tiedon talletus Loogisten signaalien arvot ja tasot Tiedon esitysmuodot Sana ja sanan pituus Perinteisen tietokoneen sana Mikroprosessorin sana Tiedon talletus Muisti Rekisterit Pino Operandien osoittaminen ja tietokoneen käskykanta Käskykanta ja käskyryhmät Käskyn rakenne Operandin sijainti Osoitusmuodot Välitön osoitus Rekisteriosoitus... 57

2 5.4.3 Absoluuttinen osoitus Rekisteriepäsuora osoitus Indeksoitu osoitus ja kantaosoitus Indeksoitu kantaosoitus Suhteellinen osoitus Osoitusmuotojen käyttö tietokoneissa Käskykanta Siirtokäskyt Aritmeettiset käskyt Loogiset käskyt Sivuttaissiirto- ja rotaatiokäskyt Hyppy- ja haarautumiskäskyt Aliohjelmakäskyt Syöttö- ja tulostuskäskyt Ohjauskäskyt Tietokoneen ohjelmointi Ohjelmistotuotanto Ohjelmointikielen valinta Algoritmi Ohjelmointiesimerkki Ohjelmointiesimerkki Tietokoneen keskusyksikkö ja sen liitännät Keskusyksikön rakenne Tietokoneen ohjausyksikkö Keskusyksikön liittäminen ulkoisiin piireihin Jaettu osoite- ja dataväylä Kolmitilaväylä Väyläsiirto Synkroninen siirto Asynkroninen siirto Kellosignaali Yleistä Kellosignaalin muoto ja parametrit Kellosignaalin synnyttäminen Alustus Yleistä Nollaussignaalin synnyttäminen Mikroprosessorin tai -ohjaimen nollaus Prosessorin alustusohjelma Vahtikoira Tietokoneen päämuisti Yleistä Muistityypit Puolijohdemuistin rakenne Staattisen vaihtomuistin alkio Dynaamisen vaihtomuistin alkio Muistipiireihin liittyvät signaalit Vaihtomuistityypit Asynkroninen staattinen vaihtomuistipiiri

3 8.7 Synkroniset staattiset vaihtomuistipiirit Asynkroninen dynaaminen vaihtomuistipiiri Piirin rakenne ja toiminta Asynkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin virkistäminen Valestaattinen vaihtomuistipiiri Synkroninen dynaaminen vaihtomuistipiiri Synkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin rakenne ja toiminta DDR- ja GDDR-SDRAM-muistipiirit RDRAM- ja XDR-DRAM-muistipiirit Synkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin virkistäminen Kiintomuistit Vanhat kiintomuistityypit EEPROM-muisti Flash-muisti Muistin liittäminen keskusyksikköön Tietokoneen muistin kokoaminen Osoitedekooderi ja piirinvalintasignaalit Tietokoneen muistijärjestelmä Yleistä Välimuisti Välimuistityypit Osoitteenkuvausmenetelmät Korvausalgoritmit Päämuistin päivitysmenetelmät Virtuaalimuisti Virtuaalimuistin periaate Sivutettu virtuaalimuisti Segmentoitu virtuaalimuisti Liitäntäpiirit Yleistä liitäntäpiireistä Rinnakkaismuotoinen tiedonsiirto Yksinkertainen rinnakkaisliitäntä Integroitu rinnakkaisliitäntäpiiri Sarjamuotoinen tiedonsiirto Yleistä Perinteinen asynkroninen sarjaliitäntä Uudet sarjaväylät Tietokoneen väylät Liitäntälaitteiden ohjaus Liitäntälaitteiden ohjaustavat Ohjelmoitu syöttö ja tulostus Keskeytysohjattu syöttö ja tulostus Keskeytykset ja niiden ominaisuudet Mikro-ohjaimen keskeytysjärjestelmä Mikroprosessorin keskeytysten ja poikkeusten käsittelyjärjestelmä Keskeytysten ja poikkeusten toteutus Palveluohjelman sijainti Samanaikaiset keskeytykset Suora muistinosoitus

4 13 Liukuhihnaperiaate Yleistä Liukuhihnan toiminta RISC-prosessorin liukuhihna Liukuhihnan hasardit Hasardityypit Rakenteellinen hasardi Ohjaushasardi Datahasardi Keskeytysten ja poikkeusten vaikutus liukuhihnan suunnitteluun Liukulukuyksikön liukuhihna Moniprosessorijärjestelmät Yleistä Flynnin luokittelu Nopeutuskerroin Moniprosessorirakenteet Yleistä Aikajaettu väylä Moniporttimuisti Kytkentäkenttä Kaksiulotteinen suorakaideverkko Hyperkuutio Moniprosessorien välimuistit Intel 80x86 ja Itanium-prosessorit Yleistä Intel Rakenne Osoitusmuodot Muisti Keskeytykset ja poikkeukset Käskykanta Intel aritmetiikkaprosessori Intel Intel Rakenne Segmenttirekisterit ja muistin segmentointi Järjestelmäarkkitehtuuri ja järjestelmärekisterit Virtuaalimuistin toteutus Muistin suojaus Käyttöjärjestelmäkutsut Poikkeukset ja keskeytykset Ohjelmien testaus Syöttö ja tulostus Intel Yleistä Intel 80486:n välimuisti Intel Pentium Intel Pentium Pro Uudet Pentium-prosessorit Intel 64 -arkkitehtuuri

5 15.10 Itanium-prosessorit Intel Rakenne ja ominaisuudet Muistiorganisaatio Yleistä Datamuisti Ohjelmamuisti Ulkoinen muistiliitäntä Käyttäjärekisterit Liitäntäpiirit Rinnakkaisportit Sarjaportti Ajastimet Käskykanta Osoitusmuodot Käskyjen rakenne Akun käyttö Käskyt Aritmeettiset käskyt Loogiset käskyt Siirtokäskyt Bittikäskyt Haarautumis- ja ohjauskäskyt Tilalippuihin vaikuttavat käskyt Keskeytykset PIC16F84A-mikro-ohjain Rakenne ja ominaisuudet Muistiorganisaatio Yleistä Ohjelmamuisti Datamuisti EEPROM-muisti Pino Liitäntäpiirit Rinnakkaisportit Ajastin Vahtikoira-ajastin Käyttöjännitteen kytkentäpiirit Käskykanta Yleistä Osoitusmuodot Käskyt Keskeytykset AVR ATtiny12 -mikro-ohjain Rakenne ja ominaisuudet Muistiorganisaatio Yleistä Ohjelmamuisti Datamuisti

6 Syöttö- ja tulostusrekisterit Pino Liitäntäpiirit Rinnakkaisportti Ajastin Vahtikoira-ajastin Vertailupiiri Käskykanta Osoitusmuodot Käskyt Keskeytykset TMS320C54x-perhe Rakenne ja ominaisuudet Yleistä Akut Aritmeettis-looginen yksikkö Kertoja Summain Sivuttaissiirtopiiri Muut laskentayksiköt Muistiorganisaatio Datamuistin osoittaminen Osoitusmuodot Suora osoitus Epäsuorat osoitusmuodot Käskykanta Käskyryhmät Aritmeettiset käskyt Loogiset käskyt Ohjelman ohjauskäskyt Lataus- ja talletuskäskyt Liitäntäpiirit Prosessorit ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä Yleistä Ohjelmoitavien logiikkaverkkojen tyypit PLD-piirit FPGA-piirit Ohjelmoitavat järjestelmäpiirit Yleistä prosessorien toteuttamisesta ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä Kiinteät prosessorit Ohjelmoidusti toteutettavat prosessorit Signaalinkäsittely ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä Ohjelmoidusti toteutettavan prosessorin suunnitteluprosessi ja -työkalut Suunnitteluprosessi kokonaisuutena Esimerkki laitteiston suunnitteluprosessista ja -työkaluista Esimerkki ohjelmiston suunnitteluprosessista ja -työkaluista Esimerkki DSP-suunnitteluprosessista ja -työkaluista Nios II Yleistä

7 21.2 Keskeiset ominaisuudet ja prosessoriversiot Prosessoriytimen arkkitehtuuri ja sisäinen rakenne Yleistä Prosessorin toteutus Sisäiset rekisterit Aritmeettis-looginen yksikkö Lisäkäskyjen logiikan liitäntäpiiri Alustussignaalit Poikkeusten ja keskeytysten käsittelypiirit Välimuistit Tiukasti kytkettyjen muistien liitännät Käskyväylä ja dataväylä JTAG-moduuli Prosessorin sisäiset rekisterit Yleistä Rekisteriryhmän rekisterien käyttö Ohjausrekisterien käyttö Prosessoriytimen ja muiden piirien keskinäiset yhteydet Avalon-kytkentäkudos ja Avalon-portit Muistin ja liitäntäpiirien liittäminen Nios II -prosessoriytimeen Ohjelmoitavan järjestelmäpiirin sisäiset liitäntäpiirit Poikkeusten ja keskeytysten käsittely Yleistä Poikkeustyypit Laitteistokeskeytys Ohjelmistokeskeytys Toteuttamaton käsky Muu poikkeus Poikkeusten palvelualiohjelman tehtävät Suora muistinosoitus Datatyypit Osoitusmuodot Käskykanta ja käskyjen suoritus Yleistä Käskysanatyypit Käskykanta Siirtokäskyt Aritmeettiset ja loogiset käskyt Vertailukäskyt Sivuttaissiirto- ja rotaatiokäskyt Hyppy- ja haarautumiskäskyt Ohjauskäskyt Liite 1. IAS-tietokone Liite 2. Tietokoneen tehokkuus L2.1 Laskenta-aika L2.2 Tehokkuus L2.3 Kellojakso L2.4 CPI ja MIPS L2.5 Benchmark-ohjelmat L2.6 Amdahlin laki