Tietokoneen rakenne matalalla tasolla KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Jarkko Ansamäki, kevät 2002

Tieto  Nykypäivän tietojenkäsittely pitää sisällään kaikenlaista tietoa. –teksti, kuva, video, ääni, …  Tiedolla on jokin sovittu esitysmuoto, ja sitä voidaan toistaa, muokata, siirtää ja tallentaa.  Analoginen data –portaatonta  Digitaalinen data –Joukko lukuja, mahdolliset arvopisteet

Lukujärjestelmät  Usein käytettyjä lukujärjestelmiä: –2- eli binäärijärjestelmä 0,1 –8- eli oktaalijärjestelmä 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 –10- eli desimaalijärjestelmä 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 –16- eli heksadesimaalijärjestelmä 0, 1, …, 9, A, B, C, D, E, F

Muuntokaavoja  k->10 –Muutetaan kannassa k oleva luku X(=(X m X m-1 … X 0.X -1 …) k )10-järjestelmään: X 10 =X m k m +X m-1 k m-1 + … +X 0 +X -1 k -1 + …  10->k –Kokonaisosa (ko=kokonaisosa): A(ko)=X(ko)/k, jakojäännöksistä muodostuu k-kannan luvun kokonaisosa oikealta vasemmalle. Seuraavaksi A 2 (ko)=A/k, jne. –Desimaaliosa (de=desimaaliosa): A=X(de)*k : A:n kokonaisosasta muodostuulopullisen luvun desimaaliosa vasemmalta oikealle. A 2 =A(de)*k, jne.

Binääriset kokonaisluvut  Tärkein esitystapa ns. kahden komplementtiesitys.  Positiiviset luvut normaalisti: –0000, 0001, 0010, 0011, 0100, …  Negatiiviset luvut vastaavista positiivisista luvuista vaihtamalla luvusta nollat ja ykköset ja sen jälkeen lisäämällä tulokseen 1. –+3 = 0011, -3 = = 1101  Yli- ja alivuoto

Liukuluvut  Desimaalilukujen esittämistä varten (esim. c- kielessä varataan muistia float-muuttujaa varten (floating point, liukuluku), mutta käsittely tapahtuu kooditasolla kuitenkin reaalilukujen tapaan.  m*2 k  mantissa (m) esittää merkitseviä numeroita  eksponentti (k) kertoo kuinka paljon desimaalipistettä on siirrettävä (mantissan vasemmalta puolelta), jotta saadaan oikea arvo.

Boolen algebra  0+0=0, 0+1=1+0=1+1=1 (or)  0*0=0*1=1*0=0, 1*1=1 (and)  ī=0, ō=1 (not)  Assosiatiivisuus: x+(y+z)=(x+y)+z, x(yz)= (xy)z  Kommutatiivisuus: x+y=y+x, xy=yx  Distributiivisuus: x(y+z)=xy+xz, x+yz=(x+y)(x+z) (voimassa molempiin suuntiin)  x+0=x, x+1=1, x*1=x, x*0=0  Absorptiolait: x+xy=x, x(x+y)=x  de Morgan: not(x+y)=not(x)*not(y), not(xy)=not(x)+not(y)

Puolijohteet  n-aine –negatiivisia varauksenkuljettajia, elektroneja  p-aine –positiivisia varauksenkuljettajia, elektroniaukkoja  np-liitos –diffuusio aiheuttaa varautuneen yhtymäkohdan ja liitos saavuttaa tasapainotilan.

Transistori  Kannan (B) ja emitterin (E) välillä olevalla virralla voidaan ohjata kollektorin © ja emitterin välillä olevaa virtaa.  Käytetään virtavahvistimena ja digitaalielektroniikassa kytkimenä.

Loogiset piirit  NOT arvo vaihtuu toiseksi  AND1 kun syötteet ovat 1  OR1 kun ainakin joku syötteistä on 1  NAND0 kun syötteet ovat 1  NOR1 kun syötteet ovat 0  XOR1 kun vain toinen syötteistä on 0  EQV1 kun syötteet ovat samat  Seuraavaksi opetellaan piirtomerkit ja yksinkertaisten logiikkapiirien suunnittelua.

Porttien toteutukset transistoreja käyttäen  Edellisen dian yksinkertaiset portit voidaan toteuttaa esimerkiksi transistorien avulla.  Vieressä kaksi yksinkertaista transistorikytkentää: –NOT Lähdössä perusjännite, ellei se pääse purkautumaan transistorin kautta. –AND Virran pitää päästä kummankin transistorin lävitse.

Perusporttien piirrosmerkit  JA (AND)  TAI (OR)  EI (NOT)

Funktio ja piirikaavio  Yllä oleva piiri saa kolme syötettä ja piiristä on yksi ulostulo.  Oikealla olevassa taulussa on esitetty piirikaavion kaikki tilat (totuustaulu).

Tehtäviä  Kirjoita vieressä olevia piirikaavioita vastaavat funktiot ja totuustaulut  Piirrä piirikaaviona: F=XY+not(X)Y

Tietokoneen komponentteja  Tietokone on periaatteessa kasa loogisia portteja.  Koneessa tarvittavia komponentteja ovat mm.: –Aritmeettinen yksikkö, peruslaskutoimituksia varten –Muisti, esim. kiikkujen avulla toteutetut rekisterit –Väylät, tiedon (tieto, ohjaus, osoite) siirtoon koneen sisällä –Loogiset piirit, valintarakenteiden ja toiston toteutukseen matalalla tasolla –Kello, koneen komponenttien toiminnan tahdistamiseen –Syöttö ja tulostus