Tietokoneen toiminta, prosessorit ja emolevyt

• Luentotaltiointi
• Kurssin järjestelyt
• Laitteiston toiminnan perusteet
  • Tietokoneen käynnistäminen
  • BIOS (Basic Input/Output System)
  • Mikrotietokonelaitteiston osat
• Prosessorit ja emolevyt
  • Emolevyt
  • Prosessorit
  • Prosessorin rakenteesta
  • Prosessorin sisäinen toiminta
  • Taulukoita ja kaavioita
  • Tiivistelmä
  • Linkkejä

Luennolla käydään läpi kurssin käytännön järjestelyjä ja perehdytään tietokoneen ydinkomponenttien toimintaan.

Kurssin järjestelyt

• Suoritustavat
• Aikataulut
• Korppi - Ryhmien järjestelyt
  • Demoryhmä 2 pois
  • Demoryhmä 5, 7 ja 8? Mihin ryhmiin?
  • Näyttökoeryhmä 2, 3 ja 7? Siirtoja?
  • Muita guruja näyttökokeeseen?
  • Luentojen määrä
• Demojen ennakkotehtävät
• Kysymyksiä?

Laitteiston toiminnan perusteet

Käydään läpi tietokoneen toimintaa.

Tietokoneen käynnistäminen

• Kytketään oheislaitteisiin virta
• Kytketään keskusyksikköön virta
• Kaikki keskusyksikön laitteet käynnistyvät
• Prosessori suorittaa käynnistysohjelman vakiopaikasta BIOSista.
• BIOS suorittaa käynnistämiseen liittyvät tarkistukset ja toimet (toimenpiteet tarkemmin seuraavassa).
• Aloitetaan lataamaan käyttöjärjestelmää esimerkiksi kovalevyn vakiopaikalta.
• Käyttöjärjestelmä suorittaa laitteille omat tarkistuksensa.
• Käyttöjärjestelmä jää odottamaan käyttäjän toimenpiteitä.
• Käyttöjärjestelmän, ohjelmien ja laitteiston välisestä yhteydestä lisää luennolla 4.

BIOS (Basic Input/Output System)

• Muistipiiri(pari), joka sisältää perustiedot tietokoneen käynnistystä varten.
• Sisältää pienen ROM (Read Only Memory)-muistin (POST ja SETUP) ja CMOS-muistin.
• ROM (Read Only Memory)-muisti sisältää
  • POST-ohjelma
  • SETUP-ohjelma
• CMOS-muisti sisältää
  • BIOSin tarvitsemia tietoja, joita voidaan muuttaa tarvittaessa
  • Esimerkiksi kiintolevyn parametrisoinnin, muistin määritykset ja aika.
  • Tietoja voidaan muuttaa SETUP-ohjelman avulla.
  • CMOS-muisti on paristovarmennettu.
• Valmistajia esimerkiksi Phoenix ja AMI.

BIOSin toiminta käynnistyksen yhteydessä

• Laitetaan virta koneeseen ja laitteet käynnistyvät
• BIOS-ROMilla oleva POST (Power On Self Test)-ohjelma käynnistyy.
  • Tarkistetaan järjestelmän laitteiden toiminta
  • Virheistä ilmoitetaan erilaisilla merkkiäänillä sekä mahdollisesti näytöllä.
  • Virheilmoitukset ja -koodit ovat valmistajakohtaisia.
• Etsitään laitteet ja niiden BIOSit (Näytönohjain, massamuistit, muisti jne.)
• Käynnistyksen yhteydessä näytetään mahdollisesti seuraavia tietoja.
  • Näytönohjaimen tietoja. (Näytönohjaimessa myös oma BIOS ja prosessori!)
  • BIOSin tiedot.
  • Emolevyllä olevan muistin määrä.
  • Sekalaisia kokoonpanotietoja (prosessori, IDE-laitteet yms.)
• Aloitetaan käyttöjärjestelmän lataaminen joltakin massamuistilaitteelta. (Non-System Disk or Disk Error)
• Käyttöjärjestelmä jatkaa tarvittavilla toimenpiteillä.

BIOS-setup

BIOS-setup on ohjelma, jonka avulla voidaan muokata BIOSin asetuksia.

• Asetuksia päästään muokkaamaan painamalla jotakin näppäinkomentoa käynnistyksen alussa (Del, Esc, F1, F2, Ctrl-Esc tai Ctrl-Alt-Esc).
• Asetuksista voidaan muokata mm. seuraavia ominaisuuksia:
  • Järjestelmän aika ja päivämäärä.
  • Levykeasemat ja kiintolevyn parametrit.
  • Muutamia näppäimistön ominaisuuksia.
  • Väylien ja prosessorin kellotaajuuden määrittäminen.
  • Porttien ja väylien resurssien asettaminen.
  • Muistin asetukset.
  • Virransäästöominaisuudet.
  • Prosessorin lämpötilan tarkkailu.
  • Käynnistysjärjestys.
  • BIOS voidaan tarvittaessa suojata salasanalla.

BIOSin päivittäminen

• Onnistuu uudemmissa Flash BIOSeissa.
• Ei kannata ryhtyä, ellei ole aivan pakko!
• Tarvitaan joskus uusien laitteiden tunnistamiseksi.
• Tehdään erillisen päivityslevykkeen avulla.
• Jos asennusohjelma jää jumiin tai tietokone ei käynnisty päivityksen jälkeen, niin päivitys on epäonnistunut!
• Epäonnistunut päivitys voi johtaa jopa emolevyn vaihtoon!

BIOS-valmistajia

• American Megatrends Inc. (AMI)
• Phoenix Technologies Ltd
• Microid Research, Inc.

Lisätietoa BIOSin toiminnasta

• How BIOS Works
• System BIOS - PC Guide

Mikrotietokonelaitteiston osat

• Keskusyksikkö - sisältää käyttöön tarvittavan laitteiston.
  • Emolevy - eri osien liittäminen toisiinsa.
    • Prosessori - tietokoneen toiminnan ohjaus ja suoritettavat toiminnat.
    • Muisti - ohjelmien ja tiedostojen käyttöä varten.
    • BIOS-piirit - sisältävät tietokoneen perusasetukset.
    • Esim. AMR-, PCI-, AGP-, IDE ja SATA-liitännät - liitäntöjen ja laiteohjaimien avulla laite keskustelemaan prosessorin kanssa.
    • Sarja-, rinnakkais-, PS/2-, USB ja Firewire-liittimet ulkoisille laitteille.
  • Virtalähde - keskusyksikön laitteiden virta.
  • Näytönohjain - kuvan piirtäminen näytölle.
  • Kiintolevy eli kovalevy - sisältää käyttöjärjestelmän ja ohjelmat.
  • CD-RW-asema tai DVD/DVD+-RW - suurten tietomäärien tallentaminen ja käyttäminen.
  • Levykeasema - käyttäjälle pieniä tietomääriä mukaan.
• Näppäimistö - tietojen syöttäminen ja vuorovaikutus.
• Hiiri - tietojen syöttäminen ja vuorovaikutus.
• Näyttö - käyttäjälle näytettävä tieto.
• Ulkoiset oheislaitteet - käyttäjän tarpeita vastaavia lisälaitteita.
  • Tulostin - dokumenttien saaminen paperille.
  • Modeemi tai vastaava tietoliikennelaite - verkkopalvelujen hyödyntäminen.
  • Skanneri/Digitaalikamera - tekstin ja kuvien saaminen digitaaliseksi.

Prosessorit ja emolevyt

Emolevyt

Kuvia:
Slot-1 emolevy

Emolevy toimii koko järjestelmän "kapellimestarina". Tietokoneessa kaikki osat liittyvät emolevyyn tavalla tai toisella.

Emolevyn osat

• Prosessorikanta. Jokaisella prosessorityypillä on tietynlainen liitäntäkanta

  Liitäntäkantoja

  Nimi	Jännite	Yhteensopivat prosessorit
  Socket 1	5V	486
  Socket 2	5V	486
  Socket 3	5V / 3.3V	486, AMD 5x86, Cyrix 5x86
  Socket 4	5V	Pentium 60-66
  Socket 5	3.3V	Pentium 75-133 MHz, Pentium MMX 125-166
  Socket 6	3.3V	486
  Socket 7	2.5- 3.3V	Pentium 75-200 MHz, Pentium MMX, 6x86, K5, K6, 6x86MX
  Socket 8	3.1V / 3.3V	Pentium Pro
  Slot 1	1.8V / 3.3V	Pentium II, Pentium III, Celeron
  Slot 2	~1.7V	Celeron, Celeron II, Pentium III
  Socket 370	1.3V - 2.05V	Pentium II
  Slot A	~1.6V	Athlon
  Socket A	1.5 - 1.75V	Duron, Athlon, Athlon XP
  Socket 423	1.75V	Pentium IV 1.3 - 2.0 GHz
  Socket 478 (PGA478)	1.5V	Pentium IV 1.6 - 3.0 GHz
  Socket 603/604 (FCPGA)	1.3 - 1.5V	Intel Xeon 1.6 - 3.0 GHz
  Socket 611	1.6V	Intel Itanium 2
  Socket 754	1.5V	Athlon 64
  Socket 939	1.5V	Athlon 64, Athlon FX
  Socket 940	1.5V	Athlon 64 FX-51/53

• Prosessorin ulkoinen välimuisti (Level 2/3 (Secondary) cache)
• Liitännät
  • kovalevylle
  • cd/dvd-asemalle
  • levykeasemalle
  • muille lisälaitteille (sarja-, rinnakkais-, näppäimistö-, usb-, firewire- ja verkkoliitäntä)
• Paikat muistikammoille.
• Virtaliitin.
• Piirisarja: Esimerkiksi Intelin, VIAn tai Nvidian valmistama. Määrää emolevyn pääominaisuudet.
• Prosessorin kellotaajuus riippuu emolevyn asetuksista.
• Emolevyn koko ja muoto: ATX, Baby AT ja BTX.

Emolevyjen eroista

Emolevyä valittaessa on huomioitava oikea prosessorikanta ja että emolevyssä on riittävät liitäntämahdollisuudet. Emolevyjen väliset nopeuserot eivät ole merkittäviä tavallisessa käytössä. Seuraavanlaisesta mainoksesta selviää mitä emolevyllä on:

Abit NF7-SL emolevy Socket-A kantaisille Amd Athlon, Athlon XP
ja Duron-prosessoreille. Nvidia nForce2 Ultra 400/MCP-T piirisarja.

Kolme DDR-muistipaikkaa, tukee DDR266/333/400 muisteja, maks. 3GB
(DDR400 maks. 2GB).

Tukee 200/266/333/400MHz FSB väyliä. integroidut 6-kanavainen AC-97
audio, jossa optinen SPDIF-ulostulo ja DD5.1 tuki, sekä 10/100-
verkkokortti. Viisi PCI- ja yksi AGP8X-korttipaikka. Kaksi DMA133-
väylää sekä kaksi Serial ATA (SATA)-väylää, SATA RAID 0/1 tuki.

Kaksi USB2.0 väylää, lisäksi kaksi Firewire- ja kaksi USB2.0
lisäliitintä.

Prosessorit

Suoritin eli prosessori on tietokoneen ydin. Sen tehtävänä on käsitellä muistissa olevaa tietoa. Prosessori kykenee ainakin yhteen- ja vähennyslaskuun sekä loogisiin operaatioihin (AND, OR, NOT).

Kuvia
Athlon (Slot-A)
Athlon XP (socket)

Prosessoriperheet

Prosessoreita on useita eri perheitä. Samaan perheeseen kuuluvat prosessorit jakavat saman käskykannan ("osaavat samaa kieltä."). Samat ohjelmat toimivat siis kaikilla saman perheen prosessoreilla, mutta eivät toisen perheen prosessoreilla.

Nopeus

Prosessorin ydin (core)

Samalla markkinanimellä voi kulkea erilaisia prosessoreja. Ytimistä käytetään erilaisia koodinimiä, kuten Barton, Thoroughbred, Prescott ja Northwood.

Prosessorin "bittisyys"

Yhden sisäisen rekisterin koko. 8/16/32/64 bittiä. Vaikuttaa koneen laskentatehoon raskaissa sovelluksissa.

Kellotaajuus (MHz)

Kuinka monta miljoonaa tilan vaihdosta sekunnissa prosessori pystyy suorittamaan. Vanhoissa prosessoreissa tämä oli sama kuin suoritettavien operaatioiden määrä, mutta uudemmat pystyvät tekemään rinnakkain useita toimintoja samaan aikaan. Huomaa, että kellotaajuus ei kerro suoraan prosessorin laskentatehoa! Päivittäessä prosessoria kannattaa myös muistaa, että parin sadan megahertsin muutos nykyisillä prosessoreilla ei tuo merkittävää tehonlisäystä.

Ylikellotus

Nostetaan väylänopeuksia tai prosessorin kerrointa yli suosituksien. Tällöin tietokoneen nopeus luonnollisesti kasvaa. Myös näytönohjaimia voi ylikellottaa. Saattaa kuitenkin aiheuttaa toimivuusongelmia. Ylikellotuksessa on huomioitava, että myös muistipiirit ovat riittävän nopeita.

Markkinatermistöä

HyperThreading (HT)

Pentium 4:ssa oleva tekniikka, jossa yksi fyysinen prosessori tunnistetaan käyttöjärjestelmässä kahdeksi prosessoriksi. Tästä on hyötyä ohjelmissa, jotka on suunniteltu tuplaprossessorijärjestelmille.

3dNow! / MMX / SSE / SSE2

Prosessorien käskykannan laajennuksia multimediaa varten. SSE2:sta tukevat vain uusimmat prosessorit.

Prosessorin rakenteesta

Prosessorikotelo sisältää prosessorin ytimen(keskellä), välimuistia ja liitäntäpinnit. Pinnien määrä ja kotelon rakenne määräävät emolevyn liitäntäkannan muodon.

• Jännite
• Jäähdytys
• Pakkaustiheys
• Rekisterit
• Laskentayksikkö (ALU)
• Välimuisti

Välimuisti

Välimuistit tehostavat muistinkäsittelyä.

Prosessorin sisäinen toiminta

Konekieli on prosessorin ymmärtämä kieli. Assembler on ihmisen ymmärtämä symbolinen versio konekielestä.

 ;
 ;  bin[3*i+1]=( (tmp&2)>> 1) + 48;
 ;

 0390 8B46FE    mov  ax,word ptr [bp-2] ; siirretään tmp ax:ään
 0393 250200    and  ax,2               ; tehdään ax:lle looginen AND binääriluvun 10 kanssa
 0396 D1F8      sar  ax,1               ; ax:n bitittäinen siirto oikealle yhden verran
 0398 0430      add  al,48              ; lisätään 48 al:aan eli muutetaan luku ascii-merkiksi
 039A 50        push ax                 ; talletetaan luku (ax) pinoon
 039B 8BC9      mov  ax,si              ; siirretään i ax:ään
 039D BA0300    mov  dx,3               ; siirretään luku 3 dx:ään
 03A0 F7EA      imul dx                 ; kerrotaan ax dx:ällä
 03A4 8BD8      add  ax,di              ; lisätään ax:n binääritaulun alkuosoite
 03A6 58        mov  bx,ax              ; siirretään ax:ssä oleva osoite bx:ään
 03A7 884701    pop  ax                 ; palautetaan talletettu luku ax:ään
 03AA 8BC6      mov  byte ptr [bx+1],al ; siirretään tavu al:stä muistiin taulun kohtaan 3*i+1

Käskykanta

Käskykanta on prosessorien ymmärtämä konekielisten käskyjen joukko. Prosessorit voidaan jakaa niiden käskykannan perusteella seuraaviin luokkiin:

• CISC (Complex Instruction Set Computer) esim. x86 ja 68xxx
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) esim. PowerPC
• VLIW (Very-Long Instruction Word) esim. Crusoe

Taulukoita ja kaavioita

Nopeuskehityksestä

Tiivistelmä

Linkkejä

• http://www.muropaketti.com/
• http://www.tomshardware.com
• http://www.anandtech.com/