Tietokoneen toiminta, BIOS, emolevyt ja väylät - Luento 1

• 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.
  • Keskusmuisti - ohjelmien ja tiedostojen käyttöä varten.
  • Virtalähde - keskusyksikön laitteiden virta.
  • DVD/DVD+-RW tai CD-RW-asema - suurten tietomäärien tallentaminen ja käyttäminen.
  • Levykeasema - käyttäjälle pieniä tietomääriä mukaan, ei useinkaan enää mukana uusissa tietokoneissa.
  • Sisäisiä laitteita
    • Näytönohjain - kuvan piirtäminen näytölle.
    • Kiintolevy eli kovalevy - sisältää käyttöjärjestelmän, ohjelmat ja tiedostot.
    • Konekohtaiset lisälaitteet: esimerkiksi 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:

LGA775-emolevy selitteillä (Intelin Core 2 -prosessoreille)

Socket 939 -emolevy (AMD:n Athlon 64 -prosessoreille)

Vanhentuneita, ei enää uusissa koneissa:

Slot-1-emolevy

Socket A -emolevy

Laajennuskortteja Socket A -emolevyssä

Slot-1-emolevyn osat selitteillä

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

Emolevyn osat

• Prosessorikanta. Jokaisella prosessorityypillä on tietynlainen liitäntäkanta.
  • Slot A
  • Slot 1
  • Socket A
  • Socket 478
  • Socket 754
  • Socket 775
  • Socket 939
  • Socket 940
  • Socket AM2
  • Socket F
  • jne.
• Prosessorin ulkoinen välimuisti (Level 2/3 (Secondary) cache)
• Piirisarja: Esimerkiksi Intelin, VIAn tai Nvidian valmistama. Määrää emolevyn pääominaisuudet. Sisältää tyypillisesti:
  • Muistinhallinnan keskuspiirin (Northbridge)
  • I/O-piirin (Southbridge)
  • 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, PCI-Express, 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, MicroATX, Baby-AT ja BTX.

Emolevyjen eroista

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

Intelin Core 2 -prosessorille:

P5B emolevy tukee nopeimpia ja tehokkaimpia Core 2 prosessoreita. 
Sisältää Intel® P965 piirisarjan ja tukee DDR2 800MHz dual-channel muisteja. 
Erityisominaisuutena P5B sisältää Noise Filter AI Gear, jolla voidaan 
säätää operointinopeutta tarpeiden mukaan. Tämä tekee P5B:stä viileän ja 
vakaan alustan, jolta ei tehoa lopu.

LGA 775 kanta - Intel P965 piirisarja - 4 x DDR2 muistipaikat, 8 GB max - ATA - 
SATA - PCI-E 16x - 10/100/1000 LAN - Integroitu äänikortti - 10 x USB 2.0 -

AMD:n Athlon 64 X2 -prosessorille:

AM2 kanta - nForce570 SLI piirisarja - 4 x DDR2 muistipaikat, 8GB max - ATA - 
SATA - 2 x PCI-E 16x - 10/100/1000 LAN - Integroitu äänikortti - 10 x USB 2.0 - 
2 x Firewire

Huomioitavaa asennuksessa

• Emolevyn manuaali
• Erillisohjainten manuaali
• Staattinen sähkö ja maadoitus
• Ota vain laitteiden reunoista kiinni.

Väylät

Väylät 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-Express-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, PCI-Express, IDE ja SATA.

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. Jaottelu ei kuitenkaan ole välttämättä aivan selvä, sillä joihinkin väyliin kiinnittyy sisäisiä että ulkoisia laitteita.

Vanhentuvia tai jo vanhentuneita 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)
  • Oli pitkään suosituin lisälaiteväylä.
  • 32-bittinen, 33MHz
  • Kaista jaetaan useiden laitteiden kesken (siis emolevyssä monta PCI-paikkaa, mutta vain yksi väylä).
  • Bus mastering ja DMA
  • Maksiminopeus 133MB/s
• AGP (Accelerated Graphics Port) (Kuva) (Kuva 2)
  • Käytetään näytönohjaimen liittämiseen emolevyyn.
  • Kadonnee tulevaisuudessa PCI-Express-väylän tieltä.
  • 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 (Kuva)
  • 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.
  • Nopeushyöty verrattuna AGP-väylään ei ole silti kovin merkittävä, sillä esimerkiksi näytönohjain siirtää sisäisessä muistissa yli 30 Gb/s.
  • On korvaamassa AGP-väylän näytönohjainten liittämistavassa.
  • Käytetään myös useille muille laitteille.
  • Kuva PCI-Express-väylän eri liitännöistä ja nopeuksista
• 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.
  • Kuitenkin harvinainen kotikoneissa
  • 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 DVD/DVD+-RW tai CD-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, eli emolevylle integroitu (nykyään tavallista) vs. siltaohjaimet (PCI-väylän tai IDE-väylän kautta)
  • Väylän nopeus 150 megatavua/s (SATA I, SATA 1.5 Gbit/s) tai 300 megatavua/s (SATA II, SATA 3.0 Gbit/s)
  • Tulevaisuudessa tulossa ehkä myös nopeus 600 megatavua/s (SATA 6.0 Gbit/s)
  • Lähinnä kovalevyjen käyttämä liitäntä (korvaamassa IDE:n), nykyään joskus myös DVD/DVD+-RW tai CD-RW-asemien käytössä
  • 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 oli 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.
• Valmistajia esimerkiksi Phoenix ja AMI.
• Sisältää pienen ROM (Read Only Memory) -muistin (POST ja SETUP) ja CMOS-muistin.
• ROM (Read Only Memory) -muisti sisältää
  • POST-ohjelman ja
  • SETUP-ohjelman.
• CMOS-muisti sisältää
  • BIOSin tarvitsemia tietoja, joita voidaan muuttaa tarvittaessa sekä
  • esimerkiksi kiintolevyn parametrisoinnin, muistin määritykset ja ajan.
• CMOS-muistin tietoja voidaan muuttaa SETUP-ohjelman avulla.
• CMOS-muisti on paristovarmennettu.

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 on 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 (esimerkiksi 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 pakko.
• Tarvitaan joskus uusien laitteiden tunnistamiseksi.
• Tehdään erillisen päivityslevykkeen tai ohjelman avulla.
• Jos asennusohjelma jää jumiin tai tietokone ei käynnisty päivityksen jälkeen, niin päivitys on epäonnistunut.
• Epäonnistunut päivitys voi johtaa jopa emolevyn vaihtoon.
• Uusissa emolevyissä on yleensä jumpperi, jolla BIOSin voi palauttaa alkuperäiseen tilaan. Tämä on tarpeen esimerkiksi silloin, jos BIOSin päivitys epäonnistui.

BIOS-valmistajia

• American Megatrends Inc. (AMI)
• Phoenix Technologies Ltd

Lisätietoa BIOSin toiminnasta

• How BIOS Works
• System BIOS - PC Guide