Tietokonetekniikka 3 Tietokoneen Rakenteen ja toiminnan perusteet Lähde: Haltsonen, S., Rautanen, E. Pieka 22.1.2009 TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.1 Tietokoneen perusrakenne Katso kuva 3-1 ja muistikartta ! Aritmeettislooginen yksikkö ALU (arithmetic logic unit) Mm. rekisteriryhmä sisältää rekistereitä (register), joihin talletetaan toiminnan aikana tarvittavia tietoja ja muistiosoitteita (memory address) tai muistiosoitteiden laskemisessa tarvittavia tietoja. TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-1 Tietokoneen rakenne TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Tietokoneen rakenne ja toiminnalliset osat sekä nimistöä TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.2 Tietokoneen konekieli Tietokoneen muistissa olevaa ohjelmaa kutsutaan konekieliseksi ohjelmaksi. Konekieli on binäärikoodia eli 0:a ja 1:ä, joka on ohjelmalistoissa ja jäljityksessä heksa –muodossa.   DDRB=0x01; // Korkean tason ohjelmointikieli 00009a e0e1 LDI R30,LOW(1) 00009b bbe7 OUT 0x17,R30 Osoite | konekoodi | symbolinen konekoodi, ASM TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Konekielisten käskyjen muodot Käskykanta, Instruction set TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.3 Käskyjakso, Instruction cycle Yhden käskyn käsittely koostuu käskynhausta (fetch) ja suorituksesta (execution). Käskyjakson vaiheet: Käskyn hakeminen ohjelmamuistista Käskyn tulkitseminen eli dekoodaus Operandien (kohde-, lähde - rekisteri) hakeminen Operaatioiden (konekäskyjen) suorittaminen Tulosten tallentaminen Seuraavan käskyn sijaintipaikan selvittäminen TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet Kuva 3-2. Käskyn haku TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-3. Muistiin viittaavan käskyn suorittaminen (a) ja (b) TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.4 Von Neumann ja Hardvard -arkkitehtuurit Joko perusteet: Von Neumann -arkkitehtuuri Yhtenäinen muistiavaruus ohjelman ja työmuistin yhteys kulkee yhteisen väylän kautta. Hardvard -arkkitehtuuri Kullakin oma muistiavaruus Piirit ovat erillisessä muistiavaruudessa TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Von Neumann -arkkitehtuuri TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-4. Von Neumann -arkkitehtuuri TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet von Neumann tietokonearkkitehtuuri Memory-mapped I/O Yhtenäinen muistiavaruus ohjelma- että työmuistin yhteys kulkee yhteisen väylän kautta. TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet CodeVisionAVR SRAM Memory Organisation Muistikartta Katso CVAVR:n muistin jako stack 256 -> 512 Hardware Stack ! GPR sfrb Pino yleiset muuttujat SP Keko TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet Harvard TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-5. Hartvard -arkkitehtuuri TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet Harvard tietokonearkkitehtuuri Piirit ovat erillisessä muistiavaruudessa Kullakin oma muistiavaruus ohjelmamuisti ja työmuisti sekä liitäntälaitteet ovat kukin erikseen liitetty suorittimeen. TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.5 CISC- ja RISC –koneet Jakoperusteet: CISC (Complex instruction set computer) Käskykannassa runsaasti käskyjä Käskykanta ja tietokoneen rakenne ovat mutkikkaita. RISC (reduced instruction set computer) Käskykanta on yksinkertainen. Tietokoneen rakenne on yksinkertainen ja se on optimoitu suorittamaan yksinkertainen käskykanta tehokkaasti. TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

RISC –koneiden yhteisiä ominaisuuksia Jokaisella kellojaksolla aloitetaan uuden käskyn suoritus. Yhden käskyn suoritus voi kestää useita kellojaksoja TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet RISC –koneiden yhteisiä ominai-suuksia TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.6 Tietokoneen monitasomalli Virtuaalikone ks. Kuva 3-6 ! Nelitasomalli ks. Kuva 3-7 ! TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-6. Monitasoinen tietokone TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

Kuva 3-7. Nelitasoinen tietokone TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.7 Laitteiston ja ohjelmiston abstraktiotasot Ks taulukko 3-1. Laitteiston abstraktiotaso TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.8 Tietokoneen arkkitehtuuri ja organisaatio Tietokoneen arkkitehtuuri tarkoittaa Ohjelmoijalle näkyviä ominaisuuksia ja niitä ominaisuuksia, joita ohjelmoija hyödyntää ohjelmaa kirjoittaessaan. Tietokoneen organisaatio puolestaan ohjelmoijalle näkymättömiä tietokoneen ominaisuuksia eli toimintayksikön sisäisiä rakenneratkaisuja ja yksiköiden välisiä liitäntöjä. TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet

3.9 Tietokoneen tehokkuus Tehokkuus (performance) eli laskentateho Laitteisto ? Käyttöjärjestelmä ? TK:n rakenteen ha toiminnan perusteet