Digitaalilaiteteknologia ja sovellukset

Esitys aiheesta: "Digitaalilaiteteknologia ja sovellukset"— Esityksen transkriptio:

1 Digitaalilaiteteknologia ja sovellukset
HTOL Digitaalitekniikan perusteet Luku 5 Sivu 1 (18) Luentokalvoseloste Fe Digitaalilaiteteknologia ja sovellukset

2 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 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 Pistoyksikkö (plug-in unit) Kehikko (rack) Kaappi (cabinet) Komponentteja (component) IC-1 Analogia- digitaali- ASIC IC-2 Proses- sori- ASIC Laite (device) Komponenttilevy (printed circuit board)

4 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: 14/16  24  40  68  144  208  356  484  652  956  1020  1923  … 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 Integrointiasteen kehitys
Mooren laki: mikropiirin transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu likimain vakioaikavälein Intelin prosessorien transistorimääriä julkaisemishetkellä

6 Kotelotyyppien kehitys

7 Mikropiirin sisäinen rakenne
HTOL Digitaalitekniikan perusteet Luku 5 Sivu 7 (18) Luentokalvoseloste Fe Mikropiirin sisäinen rakenne Small Outline eli SO-koteloinen piiri, 14 liitäntänastaa Ball Grid Array eli BGA-koteloinen piiri, 432 liitäntänastaa

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

9 Digitaalilaitteen tuotekehitysprosessi
Projektin ohjaus Project management Määrittely Specification Suunnittelu Design Toteutus Implemen- tation Testaus Testing Tuotantoon siirto Transfer to production Dokumentointi Documentation ? 2

10 Digitaalilaitteen laitteiston suunnitteluprosessi
Lohkon 1 suunnittelu Lohkojen yhdistä- minen Lohkon 1 simulointi Koko lait- teen toim. simulointi Ei On OK? Ajoitus- simulointi Määrittely Lohko- kaavio- suunnittelu . Ei OK? Lohkon n suunnittelu On Ei OK? Piirilevy- suunnittelu On Lohkon n simulointi Toteutus Ei On OK?

11 Kukkuu! PC EC Tietokoneet
Yleiskäyttöiset (general purpose) tietokoneet PC, työasema palvelin suurkone supertietokone 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 PC EC

12 Tietokonearkkitehtuurit
von Neumann -arkkitehtuuri Perinteisissä tietokoneissa Harvard-arkkitehtuuri Uusissa tietokoneissa Signaalinkäsittelyyn suunnitelluissa prosessoreissa Muisti Ohjelma-muisti Työmuisti Suoritin eli prosessori Liitäntälaitteet Yhteinen väylä Käyt- täjä Ohjelma-muisti Työmuisti Suoritin eli prosessori Liitäntälaitteet Käyt- täjä Käsky- väylä Data-

13 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 Ohjelma-muisti Työmuisti Suoritin eli prosessori Liitäntälaitteet Käyt- täjä Käsky- väylä Data-

14 Suorittimen sisäinen rakenne (von Neumann)
Lisä Suorittimen sisäinen rakenne (von Neumann)

15 Tiedon käsittely yleistietokoneessa (esim. PC)
Lisä 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 moduloidun radiosignaalin muokkaus signaaliprosessorilla datayhteyden muodostuksen käsittely tietoliikenneprosessorilla DSP

16 Loogiset ja aritmeettiset toiminnot
Lisä Loogiset ja aritmeettiset toiminnot Tietokone tekee loogista päättelyä edellyttäviä tehtäviä käyttöjärjestelmän toiminnot käyttäjän toimenpiteiden käsittely Tietokone tekee laskutoimituksia näytön käsittely signaalien käsittely 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 ABC C = A + B

17 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

18 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 Digitaalisen puhelinverkon rakenne
Yhteys kansain- väliseen verkkoon Matkapuhelin- verkon tukiasema Ristikytkentäsolmu Matka- puhelin- verkon ohjain ja keskus Yleinen keskus ? 3 Maan runkoverkko Tilaajajohto Tilaajaverkko Tilaajasolmu Paikallis- keskus Verkonhallintajärjestelmä

20 Matka- puhelin- verkon
IP-verkon rakenne Matkapuhelin- verkon tukiasema WLAN- tukiasema Palvelin Matka- puhelin- verkon ohjain ja keskus Reititin Verkko- palvelin IP-verkko ADSL- modeemi Paikallisverkko LAN

21 Tietoliikenteen komponenttiteknologia
Lisä Tietoliikenteen komponenttiteknologia Aiempi analoginen tietoliikenne Päätelaite pääosin sähkömekaaninen kuuloke hiilimikrofoni valintalevy Kytkentäteknologia sähkömekaaninen releet mekaaniset valitsimet Siirtoteknologia: elektroniputket tai puolijohteet vahvistimet taajuuskanavointilaitteet Nykyinen digitaalinen tietoliikenne Päätelaite osin sähkömekaan-inen, 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 Useita eri teknologioita Pääosin yksi teknologia

22 Palvelun laatu 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 Digitaalinen palvelu Ei virheitä 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 Analoginen palvelu Häiriöt

23 Siirtokapasiteetti MPEG
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 tai pakkauksella eli kompressoinnilla saadaan usein analogista siirtoa selvästi suurempi kapasiteetti Esimerkki: analoginen TV-kanava ↔ digitaalista kanavaa kapasiteetin lisäys edellyttää siirrettävän signaalin voimakasta muokkaamista eli joko tehokasta prosessoria tai käsittelyä erikoispiirissä MPEG

24 Siirtokanavatyypit ja siirron ryöppyisyys
Lisä 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

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