Hardware, tietojenkäsittely ja verkot Ict02d lisämateriaali Lewis & Loftus & Jukka Juslin 1
Kurssin fokus Oliosuuntautunut ohjelmakehitys Ongelmanratkaisu Ohjelman suunnittelu, toteutus ja testaus Oliosuuntautuneisuuden käsitteitä luokat oliot kapselointi periytyminen monimuotoisuus Java ohjelmointikieli Lewis & Loftus & Jukka Juslin 2
Missä ollaan? Tietojenkäsittely Hardware osat Tietoliikenneverkot Lewis & Loftus & Jukka Juslin 3
Hardware ja Software Hardware fyysinen, käsin kosketeltava osa tietokonetta näppäimistö, monitori, levy(t), kaapelit, mikrosirut yms. etc. Software ohjelmat ja data (tieto) ohjelma on sarja ohjeita Tietokone tarvitsee sekä hardwarea että softwarea Kumpikin on käytännössä hyödytön ilman toista (vrt. sielu ja ruumis) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 4
CPU ja keskusmuisti (RAM) Ensisijainen tallennuspaikka ohjelmille ja tiedolle, joka on juuri nyt käytössäe Synonyymi: RAM Central Processing Unit Keskusmuisti Mikrosiru, joka suorittaa ohjelman komennot Esimerkiksi: Intel Pentium 4 Sun ultrasparc III Lewis & Loftus & Jukka Juslin 5
Sekundaariset muistilaitteet Sekundaariset muistilaitteet tarjoavat pitkän aikavälin säilytyspaikan Central Processing Unit Informaatiota siirretään päämuistin ja sekundaarisen muistin välillä kun tarvitaan Kovalevyt Disketit USB muistit Kirjoitettavat CDs Kirjoitettavat DVDs Nauhat (datnauhat) Muisti Hard Disk Disketti/ CD-ROM/ DVD/ Flash USB Lewis & Loftus & Jukka Juslin 6
Input / Output laitteet Monitori Näppäimistö/ suomi-näppäimistö Central Processing Unit I/O laitteet tarjoavat käyttäjälle vuorovaikutuskeinon Monitori Näppäimistö Hiiri Joystick Viivakoodilukija Kosketusnäyttö Muisti Kovalevy Disketit Lewis & Loftus & Jukka Juslin 7
Software ryhmät Käyttöjärjestelmä Kontrolloi kaikkea tietokoneen toimintaa Tarjoaa käyttöliittymän tietokoneeseen Hallitsee resursseja, kuten CPU:ta ja muistia Windows XP Professional, Unix, Linux, Mac OS Sovellusohjelma Yleinen termi muulle softwarelle Tekstinkäsittelijät, ydinkärkiohjusten ohjausjärjestelmät, pelit Useimmilla järjestelmillä ja sovellusohjelmilla (applications) on graafinen käyttöliittymä (GUI), Graphical User Interface näitäkin teemme tällä kurssilla Lewis & Loftus & Jukka Juslin 8
Analoginen vs. Digitaalinen On olemassa kaksi pääkeinoa tallettaa ja käyttää/ylläpitää tietoa: Analoginen Digitaalinen Lewis & Loftus & Jukka Juslin 9
Digitaalinen informaatio Tietokoneet tallettavat kaiken tiedon digitaalisesti: numerot tekstin grafiikan ja kuvat videon audion ohjelman käskyt Jollakin tavalla kaikki informaatio digitoidaan, eli hajotetaan osiksi ja esitetään numerointa Lewis & Loftus & Jukka Juslin 10
Tekstin esittäminen digitaalisesti Esimerkiksi, jokainen merkki talletetaan numerona, mukaanlukien välilyönnit, numerot ja pisteet Vastaavat isot ja pienet kirjaimet ovat numerokoodiltaan erilaisia H i, H e a t h e r. 72 105 44 32 72 101 97 116 104 101 114 46 Lewis & Loftus & Jukka Juslin 11
Binääriset numerot Kun tieto on digitoitu, se esitetään ja talletetaan muistiin käyttäen Yhtä binaarimerkkiä (0 tai 1) kutsutaan bitiksi Laitteet, jotka säilyttävät ja siirtävät tietoa ovat halvempia ja luotettavampia, jos niiden täytyy kuvata ainoastaan kahta tilaa Yksi bitti voi esittää kahta mahdollista tilaa: kuten hehkulamppu voi olla päällä (1) tai pois päältä (0) Bittien permutaatioita käytetään tallettamaan arvoja Lewis & Loftus & Jukka Juslin 12
Bittien permutaatioita 1 bitti 2 bittia 3 bittia 4 bittia 0 1 00 01 10 11 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Jokainen lisäbitti tuplaa mahdollisten permutaatioiden määrän (ilmaisuvoiman) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 13
Bittien permutaatiot Jokainen permutaatio voi esittää tiettyä asiaa Yleisesti permutaatioita on 2 N kun käytettävien bittien määrä on N Siksi, N bittiä tarvitaan esittämään 2 N erillistä asiaa Kuinka monta eri tapausta voidaan esittää seuraavilla bittimäärille? 1 bittiä? 2 bittiä? 3 bittiä? 4 bittiä? 5 bittiä? 2 1 = 2 tapausta 2 2 = 4 tapausta 2 3 = 8 tapausta 2 4 = 16 tapausta 2 5 = 32 tapausta Lewis & Loftus & Jukka Juslin 14
Missä ollaan? Tietojenkäsittely Hardware osat Tietoliikenneverkot Lewis & Loftus & Jukka Juslin 15
Tietokoneen speksit (A Computer Specification) Seuraavassa on erään halutun tietokoneen speksit: 2.8 GHz Pentium 4 Prosessori 512 MB RAM 80 GB Hard Disk 48x CD-RW / DVD-ROM Combo Drive 17 Video Display with 1280 x 1024 resolution 56 Kb/s Modem / 525 kaapelimodeemi Mitä tämä tarkoittaa / ohjelmointimielessä? Lewis & Loftus & Jukka Juslin 16
Muisti 9278 9279 9280 9281 9282 9283 9284 9285 9286 Päämuisti on jaettu useisiin muistipaikkoihin (tai soluihin) Jokaisella muistisolulla on numeerinen osoite, jolla se voidaan uniikisti tunnistaa Lewis & Loftus & Jukka Juslin 17
Tiedon tallentaminen 9278 9279 9280 9281 9282 9283 9284 9285 9286 10011010 Jokainen muistisolu (muistipaikka) tallettaa tietyn määrän bittejä (yleensä 8 bittiä, eli yhden tavun) Suuret arvot talletetaan peräkkäisiin muistipaikkoihin Huomaa! Tietoliikenteessä Nopeudet ilmoitetaan aina bitteinä, kun taas kovalevymaailmassa tavuina. Lewis & Loftus & Jukka Juslin 18
Tallennuskapasiteetti Jokaisella muistilaitteella on tallennuskapasiteetti, ilmoittaen kuinka monta tavus se voi Every memory device has a storage capacity, indicating the number of bytes it can hold Kapasiteetteja ilmaistaan erilaisilla yksiköillä: Yksikkö Symboli Bittien määrä kilobitti megabitti gigabitti terabitti KB 2 10 = 1024 MB 2 20 (over 1 million) GB 2 30 (over 1 billion) TB 2 40 (over 1 trillion) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 19
Muisti Päämuisti haihtuva (volatile) - talletettu tieto hukataan, jos sähkövirta katkaistaan Toissijainen muisti on ei-haihtuva (nonvolatile) Päämuisti ja levyt ovat direct access laitteita informaatio saadaan suoraan niistä Termejä direct access ja random access käytetään usein synonyymeinä Magneettinauha on peräkkäinen sequential access laite, sillä tieto siinä on järjestetty lineaariseen järjestykseen on välttämätöntä käydä välillä olevan tiedon kautta, jotta pääsisi käsiksi haluttuun tietoon Lewis & Loftus & Jukka Juslin 20
RAM vs. ROM RAM - Random Access Memory (direct access) ROM - Read-Only Memory Termit RAM ja päämuisti ovat synonyymit ROM voi olla joukko muistisiruja tai erillinen laite, kuten CD ROM Sekä RAM että ROM ovat random (direct) access laitteita! Lewis & Loftus & Jukka Juslin 21
CD-levyt CD-ROM on siirrettävä read-only muisti. CD-RW-levyt ovat korvaamassa vuodesta 2005 lähtien ns. korput Mikroskooppinen kuoppa CD levyllä esittää binääristä 1:stä ja tasainen pinta 0:aa Alhaisen intensiteetin laser heijastuu voimakkaasti tasaisesta pinnasta ja heikosti kuopasta CD-Recordable (CD-R) asemaa voidaan käyttää kirjoittamaan informaatiota CD levylle kerran CD-Rewritable (CD-RW) voidaan tyhjentää ja uudelleenkäyttää CD aseman nopeus ilmoittaa kuinka nopeasti (maksimissaan) se voi lukea ja kirjoittaa informaatiota CD:lle Lewis & Loftus & Jukka Juslin 22
DVD:t DVD on samankokoinen kuin CD, mutta voi tallettaa paljon enemmän informaatiota DVD tallettaa enemmän bittejä per neliäsenttimetri CD voi tallettaa 650 MB, kun standardi DVD voi tallettaa 4.7 GB Kaksipuolinen DVD voi tallettaa 9.4 GB Muut edistyksellisemmät tekniikat voivat viedä kapasiteetin aina 17.0 GB asti Kuten CD:llä, on olemassa DVD-R ja DVD-RW levyjä Lewis & Loftus & Jukka Juslin 23
CPU (Central Processing Unit) CPU on mikrosiru nimeltään mikroprosessori CPU seuraa hae-dekoodaa-suorita sykliä: Hae käsky päämuistista hae Toteuta käsky suorita dekoodaa Päätä, mitä käsky sisältää Lewis & Loftus & Jukka Juslin 24
CPU CPU sisältää: Aritmetiikka / logiikka Kontrolli Rekisterit Suorittaa laskutoimituksia ja tekee päätöksiä Koordinoi prosessoinnin vaiheita Pienet säilytyspaikat Lewis & Loftus & Jukka Juslin 25
CPU (Central Processing Unit) CPU:n nopeuden määrää systeemikello. Tästä syystä keinotekoista tietokoneen nopeuttamista on kutsuttu uudelleen kellottamiseksi (lämpö yms. ongelmat) Systeemikello generoi elektronisen pulssin ajallisesti tasavälein Pulssit koordinoivat CPU:n aktiviteetteja Nopeus mitataan yleensä gigahertseissä Lewis & Loftus & Jukka Juslin 26 (GHz)
Monitori Monitorin koko (esim. 17") mitataan diagonaalisesti, kuten televisioruudulle. 15 tuumainen LCD näyttö vastaa 17 tuumaista CRT näyttöä erilaisesta laskutavasta johtuen. Useimmilla monitoreilla nykyään on multimedia toiminnot: teksti, grafiikka, video, etc. Monitorilla on tietty resoluutio resoluutio, joka ilmoittaa yksittäisten kuvaelementtien määrän (näitä elementtejä kutsutaan pikseleiksi), joita se voi näyttää (esimerkiksi 1280 kertaa 1024) Korkeampi resoluutio (enemmän pikseleitä) tuottaa terävämmän kuvan Lewis & Loftus & Jukka Juslin 27
Modeemi Tiedonsiirtovälineet mahdollistavat tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen tietokoneiden välillä Monet tietokoneet sisältävät modulator-demodulatorin eli modeemin, joka mahdollistaa tiedon siirtämisen puhelinlinjaa pitkin Tiedonsiirtovälineellä on maksimaalinen siirtonopeus Modeemilla, esimerkiksi, voi olla 56,000 bits per sekunti (bps) tiedonsiirtonopeus Nykyään käytetään pääasiassa ADSL modeemeita tai kaapelimodeemeita. Niissä koneella on vaihtuva IP osoite ja ne ovat aina verkossa kiinni Toivottavasti kaikkilla on kotona nykyaikainen PC ja Internet yhteys. Jos ei ole ilmoita siitä opettajalle, jolloin hän voi antaa tarvittavat ohjelmistot CD:llä Lewis & Loftus & Jukka Juslin 28
Missä ollaan? Tietojenkäsittely Hardware osat Tietoliikenneverot Lewis & Loftus & Jukka Juslin 29
Verkot verkko muodostuu kahdesta tai usemmasta tietokoneesta, jotka on yhdistetty niin että tietoa ja resursseja voidaan jakaa (vrt. Tiedoston jakaminen ja unix vs. resurssi) Useimmat tietokoneet on yhdistetty jonkinlaiseen verkkoon Jokaisella tietokoneella on oma verkko-osoitteensa, joka yksiselitteisesti erottaa sen toisista tiedostopalvelin on verkkotietokone, joka on omistettu tallettaa ohjelmia ja tietoa, jotka jaetaan verkon käyttäjien kesken Lewis & Loftus & Jukka Juslin 30
Verkkoyhteydet Jokaiseen tietokoneeseen verkossa voitaisiin suoraan yhdistyä jokaisesta muusta koneesta verkossa Näitä kutsutaan point-to-point yhteyksiksi (vertaa P2P), soketin käsite (socket) Tietokoneen lisääminen vaatii uuden kommunikaatio linjan jokaiseen tietokoneeseen joka on jo verkossa Tämä tekniikka soveltuu vain muutaman lähekkäin olevan koneen tapauksessa (solmut). Lewis & Loftus & Jukka Juslin 31
Verkkoyhteydet Useimmat verkot jakavat yhden kommunikaatiolinjan Uuden tietokoneen lisääminen verkkoon on verrattain helppoa Verkkoliikenteen täytyy varata vuoroja linjan käyttämiseen, mikä tuo hidastuksia verkkoliikenteeseen Usein informaatio hajoitetaan osiin, joita kutsutaan paketeiksi, joita lähetetään vastaanottovalle koneelle. Vastaanottavalla koneella paketit puretaan (txtmuotoinen paketti sisältää headerinformaatiota) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 32
Local-Area Networks ALocal-Area Network (LAN) kattaa pienen elueen ja pienen määrän tietokoneita LAN LAN usein yhdistää tietokoneet yhdessä huoneessa tai rakennuksessa Lewis & Loftus & Jukka Juslin 33
Wide-Area Networks Wide-Area Network (WAN) Yhdistää kaksi tai useampaa LAN:a, usein pitkien matkojen päässä LAN LAN Yhden LAN-verkon omistaa useinmiten yksi organisaatio, mutta WAN usein yhdistää ryhmiä eri maissa Lewis & Loftus & Jukka Juslin 34
Internet Internet on WAN (Wide Area Network), joka kattaa koko planeetan Sana Internet tulee termistä internetworking Internet alkoi USA hallituksen projektina, jota rahoitti Advanced Research Projects Agency (ARPA) ja alunperin Internetiä kutsuttiin ARPANET:ksi. Internet kasvoi nopeasti 1980-luvun ja 1990-luvun ajan (eksponentiaalisesti) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 35
TCP/IP Protokolla on joukko sääntöjä, jotka määräävät kuinka yksiköt kommunikoivat toistensa kanssa (vrt. yhteinen kieli) Ohjelmisto, joka hallitsee Internet viestiliikennettä perustuu TCP/IP protokollaan Internet Protocol (IP) määrää tiedon formaatin siirtovaiheessa Transmission Control Protocol (TCP) määrää kuinka viestit puretaan ja määrittää ja pyytää uudelleen puuttuvan tiedon (tarkistussummat) Näistä protokollista pitää useimmiten tietää vain hyvin rajatut perusteet. Internet ohjelmointi tapahtuu tekstimuotoisilla protokollilla (helppo debugata), pääsääntöisesti TCP:n päällä Lewis & Loftus & Jukka Juslin 36
IP ja Internet osoite Jokaisella tietokoneella on uniikki IP-osoite (ja MAC-osoite, jonka senkin voi tosin väärentää ) kuten: 204.192.116.2 Localhostin eli PC:n, jolla olet nyt osoite on 127.0.0.1 ja nimi on aina localhost. Saatat tarvita näitä tietoa tietokantaohjelmoinnissa tai ssh-putkia puttyn avulla tehdessäsi Useimmilla tietokoneilla on myös uniikki Internet nimi, johon viitataan myös Internet osoitteena: pusku.helia.fi kant.gestalt-llc.com Ensimmäinen osa kertoo tietyn tietokoneen nimen (pusku) Pusku nimi tulee Puuha-Pete sarjasta, jossa esiintyvät myös Tatu traktori ja Putte linnunpelätin. Pusku on puskutraktori. Loppu on ns. domain name, kertoan organisaation nimen (helia.fi) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 37
Domain nimet Loppuosa domain nimestä, jota kutsutaan toplevel domainiksi (TLD), kertoo organisaation tyypin: edu com org net fi - Opetusalan yksikkö - kaupallinen yksikkö - voittoa tekemätön yhdistys - net-pohjainen organisaatio (?) - suomalainen (y-tunnus) Loppuliite (suffix) ilmaisee Myös muita maita: uk au ca se - UK - Australia - Kanada - Ruotsi Uusia TLD nimiä: biz, info, tv, name Lewis & Loftus & Jukka Juslin 38
Domain nimet Domainnimellä voi olla useita osia (vrt. Java-paketit myöhemmin) Uniikit domain nimet tarkoittavat että eri verkoissa voi olla yksittäisiä tietokoneita joilla on sama nimi Käytössä Internet osoite muutetaan IP-osoitteeksi Domain Name System (DNS) ohjelmiston avulla. Vrt. Haittaohjelma whitehouse.gov / IP-numero. Juuri DNS yms. Alhaalla > IP-osoitteella pääsee Ei ole olemassa yhdensuhde yhteen suhdetta IP osoitteen osien ja Internet osoitteen (DNS-osoitteen) osien välillä Lewis & Loftus & Jukka Juslin 39
World Wide Web World Wide Web mahdollistaa monentyyppisen tiedon käsittelyn (helposti) yhtä yhteistä asiakasohjelmistoa käyttäen Browser (selain) on ohjelma, joka saa käsiinsä ja esittää informaatiota Teksti (text is the web..), grafiikka, video, äänet, audio, suoritettavat ohjelmat Web dokumentti sisältää yleensä linkin muihin Web dokumentteihin, luoden hypermedia ympäristön. Vrt. Internet Foorumit (phpbb) vuoden 2000 jälkeen. World Wide Web on tilaton, tarvitaan tämän vuoksi hieman erilaisia ohjelmointitaktiikoita (vrt. Tilan säilyttäminen tiedostossa) Termi Web tulee siitä, että informaatio ei ole järjestty lineaarisesti (vaan verkkona) Lewis & Loftus & Jukka Juslin 40
World Wide Web Web dokumentit määritellään usein käyttäen HyperText Markup Languagea (HTML) Informaatio webissä löydetään käyttäen Uniform Resource Locatoria eli (URL): http://www.lycos.com http://www.villanova.edu/webinfo/domains.html ftp://java.sun.com/applets/animation.zip URL ilmoittaa protokollan (http), ja domainin, sekä mahdollisesti spesifisen dokumentin nimen Lewis & Loftus & Jukka Juslin 41