SISÄLLYS 1 2 3 4 Tietokoneen toimintaperiaate ja käyttö 14 1.1 Mikä tietokone on? 14 1.2 Tieteen ja toimiston koneista yleistietokoneeseen 15 1.3 Mekaanisista ja sähköisistä laitteista sulautettuihin tietokoneisiin 16 1.4 Digitaaliset mikropiirit ja niiden ryhmittely 17 1.5 Digitaalilaitteiden toteutustavat ja niiden ominaisuudet 19 Tietokoneen historia 21 2.1 Mekaaniset laskukoneet 21 2.2 Differenssikone ja analyyttinen kone 21 2.3 Turingin kone 22 2.4 Sähkömekaaniset laskukoneet 22 2.5 Tietokonesukupolvet 24 2.6 Ensimmäisen sukupolven tietokoneet 25 2.7 Toisen sukupolven tietokoneet 27 2.8 Kolmannen sukupolven tietokoneet 27 2.9 Neljännen sukupolven tietokoneet 28 2.10 Viidennen ja kuudennen sukupolven tietokoneet 30 Tietokoneen rakenteen ja toiminnan perusteet 31 3.1 Tietokoneen perusrakenne 31 3.2 Tietokoneen konekieli 32 3.3 Käskyjakso 33 3.4 Von Neumann- ja Harvard-arkkitehtuuri 35 3.5 CISC- ja RISC-koneet 36 3.6. Tietokoneen monitasomalli 37 3.7 Laitteiston ja ohjelmiston abstraktiotasot 39 3.8 Tietokoneen arkkitehtuuri ja organisaatio 40 3.9 Tietokoneen tehokkuus 41 Tieto ja tiedon talletus 42 4.1 Loogisten signaalien arvot ja tasot 42 4.2 Tiedon esitysmuodot 43 4.3 Sana ja sananpituus 43 4.3.1 Perinteisen tietokoneen sana 43 4.3.2 Mikroprosessorin sana 43 4.4 Tiedon talletus 44 4.4.1 Muisti 44 4.4.2 Rekisterit 45 4.4.3 Pino 47 5
6 5 6 7 Operandien osoittaminen ja tietokoneen käskykanta 50 5.1 Käskykanta ja käskyryhmät 50 5.2 Käskyn rakenne 50 5.3 Operandin sijainti 52 5.4 Osoitusmuodot 55 5.4.1 Välitön osoitus 56 5.4.2 Rekisteriosoitus 57 5.4.3 Absoluuttinen osoitus 57 5.4.4 Rekisteriepäsuora osoitus 58 5.4.5 Indeksoitu osoitus ja kantaosoitus 59 5.4.6 Indeksoitu kantaosoitus 61 5.4.7 Suhteellinen osoitus 62 5.4.8 Osoitusmuotojen käyttö tietokoneissa 62 5.5 Käskykanta 63 5.5.1 Siirtokäskyt 63 5.5.2 Aritmeettiset käskyt 63 5.5.3 Loogiset käskyt 64 5.5.4 Sivuttaissiirto- ja rotaatiokäskyt 65 5.5.5 Hyppy- ja haarautumiskäskyt 67 5.5.6 Aliohjelmakäskyt 68 5.5.7 Syöttö- ja tulostuskäskyt 69 5.5.8 Ohjauskäskyt 69 Tietokoneen ohjelmointi 71 6.1 Ohjelmistotuotanto 71 6.2 Ohjelmointikielen valinta 72 6.3 Algoritmi 74 Ohjelmointiesimerkki 1 75 Ohjelmointiesimerkki 2 77 Tietokoneen keskusyksikkö ja sen liitännät 80 7.1 Keskusyksikön rakenne 80 7.2 Tietokoneen ohjausyksikkö 82 7.3 Keskusyksikön liittäminen ulkoisiin piireihin 83 7.4 Jaettu osoite- ja dataväylä 84 7.5 Kolmitilaväylä 84 7.6 Väyläsiirto 86 7.6.1 Synkroninen siirto 86 7.6.2 Asynkroninen siirto 89 7.7 Kellosignaali 91 7.7.1 Yleistä 91 7.7.2 Kellosignaalin muoto ja parametrit 92 7.7.3 Kellosignaalin synnyttäminen 92
7.8 Alustus 93 7.8.1 Yleistä 93 7.8.2 Nollaussignaalin synnyttäminen 94 7.8.3 Mikroprosessorin tai -ohjaimen nollaus 95 7.8.4 Prosessorin alustusohjelma 96 7.8.5 Vahtikoira 96 8 9 10 Tietokoneen päämuisti 98 8.1 Yleistä 98 8.2 Muistityypit 98 8.3 Puolijohdemuistin rakenne 100 8.3.1 Staattisen vaihtomuistin alkio 101 8.3.2 Dynaamisen vaihtomuistin alkio 102 8.4 Muistipiireihin liittyvät signaalit 104 8.5 Vaihtomuistityypit 105 8.6 Asynkroninen staattinen vaihtomuistipiiri 105 8.7 Synkroniset staattiset vaihtomuistipiirit 108 8.8 Asynkroninen dynaaminen vaihtomuistipiiri 110 8.8.1 Piirin rakenne ja toiminta 110 8.8.2 Asynkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin virkistäminen 113 8.9 Valestaattinen vaihtomuistipiiri 115 8.10 Synkroninen dynaaminen vaihtomuistipiiri 115 8.10.1 Synkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin rakenne ja toiminta 115 8.10.2 DDR- ja GDDR-SDRAM-muistipiirit 118 8.10.3 RDRAM- ja XDR-DRAM-muistipiirit 118 8.10.4 Synkronisen dynaamisen vaihtomuistipiirin virkistäminen 118 8.11 Kiintomuistit 119 8.11.1 Vanhat kiintomuistityypit 120 8.11.2 EEPROM-muisti 122 8.11.3 Flash-muisti 123 Muistin liittäminen keskusyksikköön 126 9.1 Tietokoneen muistin kokoaminen 126 9.2 Osoitedekooderi ja piirinvalintasignaalit 127 Tietokoneen muistijärjestelmä 135 110.1 Yleistä 135 10.2 Välimuisti 136 10.2.1 Välimuistityypit 137 10.2.2 Osoitteenkuvausmenetelmät 139 10.2.3 Korvausalgoritmit 140 10.2.4 Päämuistin päivitysmenetelmät 141 7
10.3 Virtuaalimuisti 142 10.3.1 Virtuaalimuistin periaate 142 10.3.2 Sivutettu virtuaalimuisti 143 10.3.3 Segmentoitu virtuaalimuisti 146 11 12 13 Liitäntäpiirit 149 1.1 Yleistä liitäntäpiireistä 149 11.2 Rinnakkaismuotoinen tiedonsiirto 149 11.2.1 Yksinkertainen rinnakkaisliitäntä 150 11.2.2 Integroitu rinnakkaisliitäntäpiiri 151 11.3 Sarjamuotoinen tiedonsiirto 153 11.3.1 Yleistä 153 11.3.2 Perinteinen asynkroninen sarjaliitäntä 153 11.3.3 Uudet sarjaväylät 154 11.4 Tietokoneen väylät 156 Liitäntälaitteiden ohjaus 158 12.1 Liitäntälaitteiden ohjaustavat 158 12.2 Ohjelmoitu syöttö ja tulostus 158 12.3 Keskeytysohjattu syöttö ja tulostus 158 12.3.1 Keskeytykset ja niiden ominaisuudet 158 12.3.2 Mikro-ohjaimen keskeytysjärjestelmä 160 12.3.3 Mikroprosessorin keskeytysten ja poikkeusten käsittelyjärjestelmä 160 12.3.4 Keskeytysten ja poikkeusten toteutus 161 12.3.5 Palveluohjelman sijainti 163 12.3.6 Samanaikaiset keskeytykset 164 12.4 Suora muistinosoitus 165 Liukuhihnaperiaate 169 13.1 Yleistä 169 13.2 Liukuhihnan toiminta 169 13.3 RISC-prosessorin liukuhihna 172 13.4 Liukuhihnan hasardit 174 13.4.1 Hasardityypit 174 13.4.2 Rakenteellinen hasardi 174 13.4.3 Ohjaushasardi 175 13.4.4 Datahasardi 177 13.5 Keskeytysten ja poikkeusten vaikutus liukuhihnan suunnitteluun 179 13.6 Liukulukuyksikön liukuhihna 180 8
14 15 Moniprosessorijärjestelmät 182 4.1 Yleistä 182 14.2 Flynnin luokittelu 183 14.3 Nopeutuskerroin 184 14.4 Moniprosessorirakenteet 185 14.4.1 Yleistä 185 14.4.2 Aikajaettu väylä 185 14.4.3 Moniporttimuisti 187 14.4.4 Kytkentäkenttä 188 14.4.5 Kaksiulotteinen suorakaideverkko 188 14.4.6 Hyperkuutio 189 14.5 Moniprosessorien välimuistit 190 Intel 80x86- ja Itanium-prosessorit 192 15.1 Yleistä 192 15.2 Intel 8086 193 15.2.1 Rakenne 193 15.2.2 Osoitusmuodot 196 15.2.3 Muisti 197 15.2.4 Keskeytykset ja poikkeukset 199 15.2.5 Käskykanta 200 15.2.6 Intel 8087 -aritmetiikkaprosessori 201 15.3 Intel 80286 202 15.4 Intel 80386 203 15.4.1 Rakenne 203 15.4.2 Segmenttirekisterit ja muistin segmentointi 205 15.4.3 Järjestelmäarkkitehtuuri ja järjestelmärekisterit 207 15.4.4 Virtuaalimuistin toteutus 211 15.4.5 Muistin suojaus 211 15.4.6 Käyttöjärjestelmäkutsut 213 15.4.7 Poikkeukset ja keskeytykset 213 15.4.8 Ohjelmien testaus 214 15.4.9 Syöttö ja tulostus 214 15.5 Intel 80486 215 15.5.1 Yleistä 215 15.5.2 Intel 80486:n välimuisti 215 15.6 Intel Pentium 216 15.7 Intel Pentium Pro 217 15.8 Uudet Pentium-prosessorit 220 15.9 Intel 64 -arkkitehtuuri 220 15.10 Itanium-prosessorit 221 9
10 16 17 Intel 8051 224 16.1 Rakenne ja ominaisuudet 224 16.2 Muistiorganisaatio 225 16.2.1 Yleistä 225 16.2.2 Datamuisti 226 16.2.3 Ohjelmamuisti 228 16.2.4 Ulkoinen muistiliitäntä 228 16.2.5 Käyttäjärekisterit 229 16.3 Liitäntäpiirit 231 16.3.1 Rinnakkaisportit 231 16.3.2 Sarjaportti 231 16.3.3 Ajastimet 234 16.4 Käskykanta 236 16.4.1 Osoitusmuodot 236 16.4.2 Käskyjen rakenne 237 16.4.3 Akun käyttö 237 16.4.4 Käskyt 238 16.4.5 Aritmeettiset käskyt 239 16.4.6 Loogiset käskyt 241 16.4.7 Siirtokäskyt 242 16.4.8 Bittikäskyt 244 16.4.9 Haarautumis- ja ohjauskäskyt 244 16.4.10 Tilalippuihin vaikuttavat käskyt 246 16.5 Keskeytykset 246 PIC16F84A-mikro-ohjain 253 17.1 Rakenne ja ominaisuudet 253 17.2 Muistiorganisaatio 255 17.2.1 Yleistä 255 17.2.2 Ohjelmamuisti 256 17.2.3 Datamuisti 256 17.2.4 EEPROM-muisti 258 17.2.5 Pino 259 17.3 Liitäntäpiirit 259 17.3.1 Rinnakkaisportit 259 17.3.2 Ajastin 259 17.3.3 Vahtikoira-ajastin 260 17.3.4 Käyttöjännitteen kytkentäpiirit 260 17.4 Käskykanta 261 17.4.1 Yleistä 261 17.4.2 Osoitusmuodot 261 17.4.3 Käskyt 261 17.5 Keskeytykset 263
18 19 AVR ATtiny12 -mikro-ohjain 265 18.1 Rakenne ja ominaisuudet 265 18.2 Muistiorganisaatio 267 18.2.1 Yleistä 267 18.2.2 Ohjelmamuisti 267 18.2.3 Datamuisti 268 18.2.4 Syöttö- ja tulostusrekisterit 268 18.2.5 Pino 271 18.3 Liitäntäpiirit 271 18.3.1 Rinnakkaisportti 271 18.3.2 Ajastin 272 18.3.3 Vahtikoira-ajastin 273 18.3.4 Vertailupiiri 274 18.4 Käskykanta 275 18.4.1 Osoitusmuodot 275 18.4.2 Käskyt 275 18.5 Keskeytykset 279 TMS320C54x-perhe 281 19.1 Rakenne ja ominaisuudet 281 19.1.1 Yleistä 281 19.1.2 Akut 283 19.1.3 Aritmeettis-looginen yksikkö 284 19.1.4 Kertoja 284 19.1.5 Summain 285 19.1.6 Sivuttaissiirtopiiri 285 19.1.7 Muut laskentayksiköt 285 19.2 Muistiorganisaatio 286 19.3 Datamuistin osoittaminen 286 19.3.1 Osoitusmuodot 286 19.3.2 Suora osoitus 286 19.3.3 Epäsuorat osoitusmuodot 287 19.4 Käskykanta 289 19.4.1 Käskyryhmät 289 19.4.2 Aritmeettiset käskyt 289 19.4.3 Loogiset käskyt 289 19.4.4 Ohjelman ohjauskäskyt 290 19.4.5 Lataus- ja talletuskäskyt 290 19.5 Liitäntäpiirit 290 11
20 21 Prosessorit ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä 293 20.1 Yleistä 293 20.2 Ohjelmoitavien logiikkaverkkojen tyypit 293 20.3 PLD-piirit 293 20.4 FPGA-piirit 294 20.5 Ohjelmoitavat järjestelmäpiirit 296 20.6 Yleistä prosessorien toteuttamisesta ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä 297 20.7 Kiinteät prosessorit 298 20.8 Ohjelmoidusti toteutettavat prosessorit 299 20.9 Signaalinkäsittely ohjelmoitavissa järjestelmäpiireissä 302 20.10 Ohjelmoidusti toteutettavan prosessorin suunnitteluprosessi ja -työkalut 302 20.10.1 Suunnitteluprosessi kokonaisuutena 302 20.10.2 Esimerkki laitteiston suunnitteluprosessista ja -työkaluista 306 20.10.3 Esimerkki ohjelmiston suunnitteluprosessista ja -työkaluista 309 20.10.4 Esimerkki DSP-suunnitteluprosessista ja -työkaluista 311 Nios II 313 21.1 Yleistä 313 21.2 Keskeiset ominaisuudet ja prosessoriversiot 314 21.3 Prosessoriytimen arkkitehtuuri ja sisäinen rakenne 316 21.3.1 Yleistä 316 21.3.2 Prosessorin toteutus 317 21.3.3 Sisäiset rekisterit 318 21.3.4 Aritmeettis-looginen yksikkö 318 21.3.5 Lisäkäskyjen logiikan liitäntäpiiri 319 21.3.6 Alustussignaalit 319 21.3.7 Poikkeusten ja keskeytysten käsittelypiirit 319 21.3.8 Välimuistit 320 21.3.9 Tiukasti kytkettyjen muistien liitännät 320 21.3.10 Käskyväylä ja dataväylä 321 21.3.11 JTAG-moduuli 322 21.4 Prosessorin sisäiset rekisterit 322 21.4.1 Yleistä 322 21.4.2 Rekisteriryhmän rekisterien käyttö 323 21.4.3 Ohjausrekisterien käyttö 324 21.5 Prosessoriytimen ja muiden piirien keskinäiset yhteydet 325 21.5.1 Avalon-kytkentäkudos ja Avalon-portit 325 21.5.2 Muistin ja liitäntäpiirien liittäminen Nios II -prosessoriytimeen 328 21.6 Ohjelmoitavan järjestelmäpiirin sisäiset liitäntäpiirit 330 12
21.7 Poikkeusten ja keskeytysten käsittely 330 21.7.1 Yleistä 330 21.7.2 Poikkeustyypit 331 21.7.3 Laitteistokeskeytys 331 21.7.4 Ohjelmistokeskeytys 332 21.7.5 Toteuttamaton käsky 332 21.7.6 Muu poikkeus 333 21.7.7 Poikkeusten palvelualiohjelman tehtävät 333 21.8 Suora muistinosoitus 334 21.9 Datatyypit 335 21.10 Osoitusmuodot 335 21.11 Käskykanta ja käskyjen suoritus 336 21.11.1 Yleistä 336 21.11.2 Käskysanatyypit 336 21.11.3 Käskykanta 338 21.11.4 Siirtokäskyt 338 21.11.5 Aritmeettiset ja loogiset käskyt 341 21.11.6 Vertailukäskyt 343 21.11.7 Sivuttaissiirto- ja rotaatiokäskyt 346 21.11.8 Hyppy- ja haarautumiskäskyt 347 21.11.9 Ohjauskäskyt 349 Liitteet 353 Liite 1. IAS-tietokone 353 Liite 2. Tietokoneen tehokkuus 357 Hakemisto 365 13