TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op FT Ari Viinikainen
Tietokoneen rakenne Keskusyksikkö, CPU Keskusmuisti Aritmeettislooginen yksikkö I/O-laitteet Kontrolliyksikkö Tyypillinen Von Neumann arkkitehtuuri
Tietokoneen ja ohjelmiston rakenne Loogisilla piireillä ja komponenteilla rakennetaan prosessori ja muistit Prosessorin rakenne määrää sen minkälaisia käskyjä sille voidaan antaa -> käskykanta (Instruction set) Konekieli on joukko binäärisiä sanoja jotka vastaavat prosessorin käskyjä Assembly kieli antaa binäärisille bittijoukoille paremmin muistettavat vastineet, esim. 1111110111001000 M=M-1 Näistä asioista lisää myöhemmin kurssilla Korkeantason kieli Virtual machine Assembly kieli Konekieli Tietokonealusta Loogiset piirit
Tietokoneen rakenne - väylä
System bus Moniydinprosessori Aritmeettislooginen yksikkö Aritmeettislooginen yksikkö Kontrolliyksikkö Kontrolliyksikkö Väyläliityntä Aritmeettislooginen yksikkö Aritmeettislooginen yksikkö Kontrolliyksikkö Kontrolliyksikkö
Transistori? Useita teknologioita CMOS Nykyään käytössä prosessoreissa, staattisessa RAM muistissa, loogisissa piireissä, Kuinka sitä käytetään? Sähköisenä kytkimenä Kaksi tilaa: Virta kulkee transistorin läpi (on tai 1) Virta ei kulje transistorin läpi (off tai 0)
Kytkin? Kaksi kytkintä Molemmat off Toinen on, toinen off Molemmat on Esim. Kysymys: Onko molemmat kytkimet päällä? Onko A päällä JA(AND) onko B päällä? Totuustaulu! Merkitään False = 0 True = 1 INPUT OUTPUT A B? 0 0? 0 1? 1 0? 1 1? INPUT OUTPUT A B A AND B Off Off False Off On False On Off False On On True
AND Toteutus transistoreilla Bipolar Junction Transistor (BJT) NPN transistori tarvitaan 2 transistoria Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) Tarvitaan 6 transistoria Rakennetaan NAND:sta ja NOT:sta Muut loogiset operaatiot? Totuustaulun output:in muut vaihtoehdot Saadaan pakattua pienempään tilaan (sille cmos tekniikalla toteutetulle piipalalle) jos kaikki operaatiot voidaan toteuttaa yhden tyyppisillä loogisilla porteilla AND portilla ei yksinään onnistu
NAND Mikä tahansa Boolean funktio voidaan toteuttaa NAND porttien kombinaatiolla Tietokoneen prosessori voidaan toteuttaa NAND porttien kombinaationa! NAND logiikka NAND voidaan toteuttaa neljällä CMOS transistorilla piikiekolle BJT toteutus kahdella transistorilla, muutoin sama kuin AND:lla mutta ulostulo otetaan eri kohdasta NAND logiikalla saadaan transistorit pakattua kaikkein tiheimmin Kuinka NAND saadaan sinne fyysiselle piikiekolle? Hardware Description Language (HDL)
Tällä kurssilla Rakennetaan (yksinkertainen) tietokone HDL kielellä Lähtien NAND portista ja päätyen tietokoneen prosessoriin Me simuloimme HDL toteutusta Fyysisen toteutus voitaisiin tehdä ohjelmoitavalla logiikka piirillä (esim. FPGA) Tutustumme teoriaan jotta toteutusta saadaan yksinkertaistettua Simuloidaan HDL toteutuksia myös visuaalisesti Logiikka simulaattorilla Rakennetaan käytännössä yksinkertaisia elektroniikkakytkentöjä Ja yllä olevia hommia tekemällä saa kurssista suoritusmerkinnän
Kurssin suoritus Harjoitustehtäviä tekemällä Tehtävät tulee tehdä elokuun loppuun 2014 mennessä tai Tämän jälkeen jo saadut pisteet nollautuvat Kurssin joutuu suorittamaan lv. 2014-2015 vaatimusten mukaan Viikoittain suositellaan tehtäväksi 5-15 pisteen verran tehtäviä Tällöin mahdollista saada joka viikko 1-3 bonuspistettä/viikko Voit itse valita mitä tehtäviä teet ja milloin, voit tehdä esim. nopeamminkin kuin 15p/viikko Jos teet esim. yhtenä viikkona 20 pistettä ja seuraavana 10 pistettä, tulkitaan tämä siten että teit molempina viikkoina 15 pistettä ja saat 3 bonus pistettä molemmilta viikoilta. Harjoitustehtävistä voi kerätä maksimissaan 115 pistettä + bonuspisteet Kaikkia ei tarvitse suorittaa arvolauseeseen 5 (100 pistettä) Kurssin hyväksyttyyn suorittamiseen arvolauseella 1 vaaditaan 70 pistettä Harjoitustehtäviä saa tehdä ryhmissä mutta jokainen ryhmän jäsen palauttaa omat vastaukset kurssin kotisivuilla olevien ohjeiden mukaan Harjoitustehtävistä ei tarjota oikeita malliratkaisuja Mahdollistaa omaan tahtiin suorittamisen Jos vastauksessa on suuria virheitä, niin tehtävästä ei voi saada maksimipisteitä, mutta saa palautetta Kurssin suoritukseen ei vaadita tenttiä Poikkeustapauksissa (esim. käynyt kurssin edellisenä lukuvuonna, muttei ole ehtinyt sitä tenttimään) voi kurssia tenttiä lv. 2012-2013 materiaalin mukaan
Kurssin luennot ja demot Kurssin luennoista tallennetaan kuvaruutukaappaus ja luennoitsijan ääni Luentokalvoja tai materiaalia ei pääsääntöisesti ole Luennoilla käydään läpi aiheita, jotka oppimalla tietokoneen rakentaminen (eli ne harjoitustehtävät) onnistuu Demotilaisuudet Ilmoittautuminen demoryhmiin korpissa Jos haluaa tehdä elektroniikkademoja ohjatusti Mahdollista tehdä myös Tietoliikennelabrassa, jos demoryhmien ajat eivät sovi
Kurssilla käytettävät ohjelmistot LogicSim yksinkertaisten kytkentöjen simulointiin ja visualisointiin Applet versio (ei voi tallentaa) Käytetään valmiiden kytkentäkaavioiden esittämiseen luennoilla Voit myös itse kokeilla ja muokata niitä Java sovellus, kaikki ominaisuudet toimivat LogicSim Harjoitustehtävät tehdään tällä Nand2Tetris ohjelmistopaketti (Java) HDL tiedostojen (ja konekielisten ohjelmien simulointiin) HDL tiedostot voi tehdä millä tahansa tekstieditorilla
Kysymyksiä? Joko luennolla, demoissa tai sähköpostilla ari.viinikainen@jyu.fi Seuraavaksi tutustutaan ohjelmistoihin