Tietokoneen toiminta, emolevyt ja väylät

• Luentotaltiointi
• Kurssin järjestelyt
• Mikrotietokonelaitteiston osat
• Emolevyt
  • Emolevyn osat
  • Emolevyjen eroista
  • Huomioitavaa asennuksessa
• Väylät
  • Sisä- ja emolevyliitännäiset väylät
  • Ulkoliitäntäisiä väyliä
  • Käsitekartta väylistä
• Laitteiston toiminnan perusteet
  • Tietokoneen käynnistäminen
  • BIOS (Basic Input/Output System)

Luennolla käydään läpi kurssin käytännön järjestelyjä ja perehdytään tietokoneen emolevyn ja sen väylien toimintaan.

Kurssin järjestelyt

• Kurssisivut
• Suorittaminen
• Korppi - Ryhmien järjestelyt
  • Luennot
  • Demoryhmät
• Kysymyksiä?

Mikrotietokonelaitteiston osat

Tarkastellaan yleisesti mitä osia mikrotietokonelaitteistossa on.

• Keskusyksikkö - sisältää käyttöön tarvittavan laitteiston.
  • Emolevy - eri osien liittäminen toisiinsa.
  • Prosessori - tiedon käsittelijä ja tietokoneen toiminnan ohjaus
  • Muisti - ohjelmien ja tiedostojen käyttöä varten.
  • Virtalähde - keskusyksikön laitteiden virta.
  • CD-RW-asema tai DVD/DVD+-RW - suurten tietomäärien tallentaminen ja käyttäminen.
  • Levykeasema - käyttäjälle pieniä tietomääriä mukaan.
  • Sisäisiä laitteita
    • Näytönohjain - kuvan piirtäminen näytölle.
    • Kiintolevy eli kovalevy - sisältää käyttöjärjestelmän ja ohjelmat.
    • Konekohtaiset lisälaitteet, esim. tv-kortti, verkkokortti, adsl-modeemi, äänikortti, firewire/usb-kortti jne.
• 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.

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.
• Prosessorin ulkoinen välimuisti (Level 2/3 (Secondary) cache)
• Piirisarja: Esimerkiksi Intelin, VIAn tai Nvidian valmistama. Määrää emolevyn pääominaisuudet. Sisältää tyypillisesti:
  • Muistinhallinnan keskuspiirin (north bridge)
  • I/O-piirin (south bridge)
  • Väylä näiden kahden välille.
  • Piireihin liittyvät väylät.
• BIOS-piirit - sisältävät tietokoneen perusasetukset.
• Liitännät - liitäntöjen ja laiteohjaimien avulla laite keskustelemaan prosessorin kanssa.
  • kovalevylle (IDE, SATA)
  • cd/dvd-asemalle (IDE)
  • levykeasemalle (Floppy)
  • sisäisille lisälaitteille (PCI, AGP)
  • muille ulkoisille lisälaitteille (sarja-, rinnakkais-, näppäimistö-, USB-, Firewire- ja verkkoliitäntä)
• Voi sisältää myös integroidun äänipiirin, näytönohjaimen, verkkolaitteen, nopean lisälaiteväylän ohjaimen jne.
• Paikat muistikammoille. Erityyppisiä liitäntöjä.
• Virtaliitin.
• 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.

Huomioitavaa asennuksessa

• Emolevyn manuaali.
• Erillisohjainten manuaali.
• Staattinen sähkö ja maadoitus.
• Ota vain laitteiden reunoista kiinni.
• Tietokonelaitteistot ovat herkkiä! :)

Väylät

Väylät on ovat laitteistojen eri osien tiedonsiirtoreittejä.

Väylä on standardoitu tapa välittää tietyntyyppisiä signaaleja, siis tietoa. Tähän tarvitaan sopivat johtimet (kytkennät), liitäntätavat ja protokolla (säännöt kuinka kommunikointi tapahtuu).

Tietokoneen sisällä on monenlaisia erilaisia väyliä. Tässä muutamia periaatekuvia miten väylät liittyvät toisiinsa:

• Perusarkkitehtuuri
• PCI-e-pohjainen arkkitehtuuri
• Kaavakuva NForce2-piirisarjasta.

Seuraavat yleiset käsitteet liittyvät väyliin:

• Sisäinen väylä hoitaa prosessorin sisällä tapahtuvan tietoliikenteen
• Osoiteväylä määrää kuinka paljon muistia prosessori pystyy maksimissaan osoittamaan ("näkemään")
• Ohjausväylä ajastaa väylän toimintaa.
• Muistiväylä (FSB, ulkoinen väylä), jonka kellotaajuus ja leveys määräävät kuinka nopeasti prosessori keskustelee muistin kanssa. Prosessorin kellotaajuus määrittyy yleensä ulkoisen väylän nopeuden monikertana.
• Liitäntä-/oheislaiteväylät liittävät erinäisiä laitteita emolevyyn, kuten esimerkiksi kovalevyn, näytönohjaimen ja tulostimen. Väyliä ovat mm. AGP, PCI ja IDE.

Väylän kapasiteetti

Väylän leveys (bittiä) ja kellotaajuus (MHz) määrittävät väylän nopeuden

16-bittiä leveä väylä, jonka kellotaajuus on 60 MHz:

32-bittiä leveä väylä, jonka kellotaajuus on 100 MHz:

• Väylän nopeuteen vaikuttaa väylän kapasiteetti (bandwidth, kaistanleveys) = datansiirtokyky, ilmaistaan megatavua/s-yksiköllä (tavu = 8 bittiä), riippuu seuraavista:
  • Väylän leveys (kuinka monta bittiä kulkee rinnakkain)
  • Väylän kellotaajuus (MHz)

Sisä- ja emolevyliitännäiset väylät

Eräs väylien luokittelutapa on jakaa väylät "sisä- ja ulkoliitäntäisiin" väyliin (ei mikään virallinen luokitus). Sisäliitäntäisiin väyliin menevät laitteet, jotka pysyvät tietokoneen kotelon sisällä. Ulkoliitännäiset väylät ovat tyypillisesti sellaisia, että väylään kytkeytyvä laite pysyy koneen ulkopuolella. Jaoittelu ei kuitenkaan ole välttämättä aivan selvä, sillä joihinkin väyliin kiinnittyy sisäisiä että ulkoisia laitteita.

Vanhentuvia väyliä

• ISA (Industry Standard Architecture) (Kuva)
  • Vanhentunut
  • Menneisyydessä runsaasti käytetty
  • 8- tai 16-bittinen, 8-12MHz
• AMR (Audio Modem Riser) (Kuva)
  • Tietyille modeemeille ja äänikorteille tarkoitettu liitäntä
• CNR (Communications Network Riser)
  • Tietyille modeemeille, äänikorteille ja verkkokorteille tarkoitettu liitäntä. Ei yhteensopiva AMR-korttien kanssa.
• ACR (Advanced Communications Riser)
  • Tietyille modeemeille, laajakaistamodeemeille, äänikorteille ja verkkokorteille tarkoitettu liitäntä. Yhteensopiva AMR-korttien kanssa. Käytetään VIA:n piirisarjoilla olevissa emolevyissä.

Lisälaiteväylät

• PCI (Peripheral Component Interconnect)(Kuva)(Kuva 2, PCI/AMR)
  • Suosituin lisälaiteväylä
  • 32-bittinen, 33MHz
  • Kaista jaetaan useiden laitteiden kesken
  • Bus mastering ja DMA
  • Maksiminopeus 133MB/s
• AGP (Accelerated Graphics Port)(Kuva)(Kuva 2)
  • Väylään mahtuu vain yksi laite
  • Mahdollistaa näytönohjaimelle normaalin keskusmuistin käyttämisen
  • 32-bittinen
  • AGP-väylien nopeuksia:
    

    	Kellotaajuus	Siirtokapasiteetti
    AGP 1X	66 MHz	266 MB/s
    AGP 2X	133 MHz	533 MB/s
    AGP 4X	266 MHz	1066 MB/s
    AGP 8X	533 MHz	2133 MB/s

• PCI Express
  • Sarjamuotoinen, pakettipohjainen ja 2-suuntainen.
  • Maksimissaan 20 kanavaa.
  • > 300 MB/s per kanava yhteen suuntaan.
  • Liitäntä voi käyttää 1/2/4/8/16X kanavaa.
  • PCI-e-laitteet liittyvät kytkimeen, joka välittää tiedon I/O-piirille.
  • PCI-e-laitteet voivat kommunikoida suoraan keskenään kytkimen kautta.
  • PCI - PCI-Express siltaukset.
  • Nopeushyöty ei ole silti merkittävä, sillä esimerkiksi näytönohjain siirtää sisäisessä muistissa yli 30Gb/s!
• PCI-X
  • Tavallisen PCI:n parenneltu versio.
  • Palvelimissa käytetty väylä.
  • 64-bittinen väylä.
  • 66/133/266/533 MHz
  • Hintava.

Massamuistiväyliä

• SCSI (Small Computer System Interface)(Kuva)
  • Yleinen lisälaiteväylä mm. kovalevyille, skannereille, printtereille jne.
  • Sisäisiä ja ulkoisia laitteita
  • Maksimissaan kahdeksan laitetta (Wide- ja Ultra3/160/320 16 laitetta)
  • Eri SCSI-versioiden nopeuksia
    

    Versio	Nopeus MB/s
    SCSI	5
    SCSI2	5
    Fast SCSI	10
    Wide SCSI	10
    Fast Wide SCSI	20
    Ultra SCSI	20
    SCSI3 (Ultra Wide SCSI)	40
    Ultra2 SCSI	40
    Ultra2 Wide SCSI	80
    Ultra3 SCSI	160
    Ultra160 SCSI	160
    Ultra160+ SCSI	160
    Ultra320 SCSI	320

• IDE (Integrated Drive Electronics / ATA eli Advanced Technology Attachment) (Kuva)
  • Kiintolevyjen ja CD-ROM/R/RW-asemien liittämiseen tarkoitettu väylä
  • Kaksi laitetta per liitäntä
  • RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disk)
    • Käytetään useaa kiintolevyä yhtenä kokonaisuutena.
    • Voidaan käyttää kiintolevyjä rinnakkain, jolloin saadaan lisää tallennusnopeutta.
    • Voidaan käyttää peilaamiseen, jolloin varmistetaan koko kiintolevyn sisältö.
    • Peilaaminen ja rinnakkaistoiminta yhdessä (3 levyä)
  • Eri IDE-väylän versioiden nopeuksia
    

    Versio	Nopeus MB/s
    IDE	8.3
    FastATA	13.3
    FastATA-2	16.6
    Ultra ATA/33	33
    Ultra ATA/66	66
    Ultra ATA/100	100
    Ultra ATA/133	133

• SATA (Serial Advanced Technology Attachment) (Kuva liittimestä, kaapelista)
  • Natiiviohjain (emolevylle integroitu) vs. siltaohjaimet (PCI-väylän tai IDE-väylän kautta).
  • Väylän nopeus 150 megatavua/s.
  • Lähinnä kovalevyjen käyttämä liitäntä.
  • Yksittäisen kovalevyn nopeus maksimissaan noin 50 megatavua/s!
  • Yksi laite per liitäntä. Yleensä ohjain tukee useampia laitteita.
  • RAID-tuki usein.

Muistin suorasaanti

Seuraavat käsitteet liittyvät myös väyliin:

• DMA
  • Tulee sanoista Direct Memory Access.
  • Väylällä toimiva laite pääsee lukemaan/kirjoittamaan muistiin ilman prosessoria. Tähän tarvitaan emolevyllä oleva erillinen DMA-piiri, joka hoitaa tiedonsiirron.
• Bus mastering
  • Väylällä toimiva laite hoitaa itse tiedonsiirron muistiin.
  • Tiedonsiirron yhteydessä laite saa väyläohjaimelta luvan hallita väylää.
  • Prosessorin ei tarvitse suorittaa siirtotapahtumaan liittyviä toimenpiteitä mikä vähentää kuormitusta ja vapauttaa aikaa muiden käskyjen suorittamiseen.
  • Tämä vaatii tukee väyläohjaimelta, käyttöjärjestelmältä, laiteajurilta ja itse laitteelta.
  • PCI-väylä on ensimmäinen bus mastering -ominaisuutta tukeva väylä.
  • IDE-kovalevyt, jotka hyödyntävät bus mastering -ominaisuutta, käyttävät tiedonsiirtoon PCI-väylää.

Ulkoliitäntäisiä väyliä

• PS/2
• Sarja- ja rinnakkaisliitännät
• USB
• Firewire
• Lisää luennolla 4.

Käsitekartta väylistä

Laitteiston toiminnan perusteet

Tarkastellaan miten tietokonelaitteisto toimii käynnistyksen yhteydessä.

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 5.

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