Tietokonetekniikka 3 Tietokoneen Rakenteen ja toiminnan perusteet Lhde

Tietokonetekniikka 3 Tietokoneen Rakenteen ja toiminnan perusteet Lähde: Haltsonen, S. , Rautanen, E. Pieka 22. 1. 2009 TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 1

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 2

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

Tietokoneen rakenne ja toiminnalliset osat sekä nimistöä TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 4

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=0 x 01; // Korkean tason ohjelmointikieli 00009 a e 0 e 1 LDI R 30, LOW(1) 00009 b bbe 7 OUT 0 x 17, R 30 Osoite | konekoodi | symbolinen konekoodi, ASM TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 5

Konekielisten käskyjen muodot Käskykanta, Instruction set TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 6

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 7

Kuva 3 -2. Käskyn haku TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 8

Kuva 3 -3. Muistiin viittaavan käskyn suorittaminen (a) ja (b) TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 9

TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 10

TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 11

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 12

Von Neumann -arkkitehtuuri TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 13

Kuva 3 -4. Von Neumann -arkkitehtuuri TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 14

von Neumann tietokonearkkitehtuuri Memory-mapped I/O Yhtenäinen muistiavaruus ohjelma- että työmuistin yhteys kulkee yhteisen väylän kautta. TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 15

Code. Vision. AVR GPR SRAM Memory Organisation sfrb Muistikartta Pino Katso CVAVR: n muistin jako stack 256 -> 512 Hardware Stack ! yleiset muuttujat SP Keko TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 16

Harvard TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 17

Kuva 3 -5. Hartvard -arkkitehtuuri TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 18

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 19

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 20

RISC –koneiden yhteisiä ominaisuuksia • Jokaisella kellojaksolla aloitetaan uuden käskyn suoritus. Yhden käskyn suoritus voi kestää useita kellojaksoja TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 21

RISC –koneiden yhteisiä ominaisuuksia TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 22

3. 6 Tietokoneen monitasomalli • Virtuaalikone ks. Kuva 3 -6 ! • Nelitasomalli ks. Kuva 3 -7 ! TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 23

TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 24

Kuva 3 -6. Monitasoinen tietokone TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 25

Kuva 3 -7. Nelitasoinen tietokone TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 26

TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 27

3. 7 Laitteiston ja ohjelmiston abstraktiotasot • Ks taulukko 3 -1. Laitteiston abstraktiotaso TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 28

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 29

3. 9 Tietokoneen tehokkuus • Tehokkuus (performance) eli laskentateho • Laitteisto ? • Käyttöjärjestelmä ? TK: n rakenteen ha toiminnan perusteet 30