Tietokoneen toimintaperiaatteet

Tietokone on laite, joka muistiin tallennetun ohjelman avulla mahdollistaa tiedon

• Varastoinnin.
• Käsittelyn

Tietokoneen viisi tärkeintä periaatetta on

1. Tiedon syöttö: Syöttölaitteilta esim. näppäimistöltä tai hiirellä syötetään mikrolle tietoa, jota se käsittelee tai annetaan sille käsky jonka se suorittaa.
2. Tiedon käsittely: Tiedon käsittely tapahtuu suorittimessa eli prosessorissa. Suoritin hakee tiedot muistista tai kiintolevyltä, käsittelee ne ja palauttaa arvon.
3. Tiedon varastointi: Tieto varastoidaan kiintolevylle ja muistiin. Muisti on elektronisesti toteutettu varasto, johon voi tallettaa

• tietoa eli dataa
• (kone)käskyjä

1. Tiedon tulostus: Tehtävä jonka olet antanut mikrolle palauttaa tuloksen kuvaruudulle tai tulostimelle (Tulostuslaitteet).
2. Toiminnan ohjaus: Prosessori huolehtii myös koko prosessin ohjauksesta.

Ohjelma on joukko muistiin tuotuja yksinkertaisia (kone)käskyjä, jotka kuvaavat kuinka joku tehtävä suoritetaan. Käskyjä ovat usein mm. yhteenlasku, lukujen vertailu, luvun muistista hakeminen jne.

Tehtävä on yksinkertaisia - harvoin monimutkaisempia kuin :

• Laske yhteen kaksi lukua
• Tarkista onko luku 0
• Siirrä tietoa tietokoneen muistista toiseen

Yksistään tietokone ei osaa mitään, vaan se toteuttaa ohjelman antamia toimenpiteitä.

TIETOKONElaitteisto

Tietokonelaitteisto on kokonaisuus, joka sisältää

• Keskusyksikön (suoritin, keskusmuisti, väylä, oheislaiteohjaimet ja liitännät oheislaitteille)

• Syöttölaitteet (näppäimistö ja hiiri)
• Tulostuslaitteet (näyttö ja kirjoitin)
• Apumuistit (levyke ja kiintolevy)

Emolevy on iso elektroninen piirikortti, johon kaikki mikron laiteet (prosessori, muisti, kovalevy, laiteohjaimet jne..) on yhdistetty joko suoraan siihen integroimalla (juottamalla), väyläpaikkaan liitettynä tai kaapelien välityksellä. Se sisältää suuren määrän elektronisia piirejä, jotka ohjaavat sen toimintaa. Sen lisäksi se sisältää paikan johon prosessori asennetaan, paikat muistipiireille, sekä ISA- ja PCI-väylän. Väyläpaikkoihin kytketään erilaisia laiteohjaimia, painamalla ne paikoilleen. PCI-väylä on 64-bittinen ja ISA-väylä 16-bittinen, eli PCI-väylä on huomattavasti nopeampi.
 
 

Oheislaitteiden eli IO-laitteiden, (IO=Input-Output=Syöttö-Tulostus) avulla tietokone voi olla yhteydessä ulkomaailmaan.

Syöttölaitteiden (esimerkiksi näppäimistö ja hiiri) avulla käyttäjä syöttää tietoa (dataa) koneelle ja antaa sille ohjauskomentoja. Keskusyksikössä sijaitsevaan keskusmuistiin ladataan käytettävä ohjelma (esimerkiksi tekstinkäsittelyohjelma), joka jää sitten odottamaan käyttäjän antamia komentoja ja syöttötietoja. Komentojen perusteella ohjelma käsittelee käyttäjän syöttämän tiedon ja jää odottamaan seuraavia toimenpiteitä.

Tulostuslaitteiden avulla voidaan välittää tietoa käyttäjälle. Tulostuslaitteita ovat mm. näyttö ja tulostin.

Väylää pitkin tiedot siirtyvät tietokoneen osasta toiseen, esimerkiksi keskusmuistista prosessoriin.

Käsitellyt tiedot voidaan tallenetaa magneettisesti apumuisteihin joita ovat mm. levykkeet ja kiintolevy. Lisäkortit liitetään väylään liittimien avulla. Lisäkorttien välityksellä ohjataan muiden laitteiden , kuten näytön tai CD –aseman toimintaa.. Näyttö ja kirjoitin ovat tulostuslaitteita, joiden avulla tietojenkäsittelyn aikaan saannokset saadaan näkyviin.

Tietokone on eräänlainen yleiskone: sen toiminta riippuu siitä, millainen ohjelma keskusmuistiin on kulloinkin tallennettu.

Keskusyksikkö

Keskusyksikkö (CPU, Central Processing Unit) on tietokoneen ydin. Sen voisi helpoimmin ymmärtää tietokoneen "aivoksi". Keskusyksikön muodostavat

• suoritin
• keskusmuisti
• väylä
• oheislaiteohjaimet ja liitännät oheislaitteille.

Keskusyksikön ulkopuolisia osia:

• näyttö eli monitori,
• näppäimistö,
• kovalevy
• hiiri
• tulostin
• kaiuttimet

Suoritin eli prosessori

Suorittimen tehtävänä on itse ohjelman sisältämien konekäskyjen suorittaminen. Normaalisti suoritin hakee muistin muistipaikoista konekäskyjä numeroinnin mukaisessa järjestyksessä ja suorittaa ne vuorollaan.

Suoritin koostuu seuraavista osista:

• Ohjaus- ja valvontayksikkö (CU) tarkkailee kaikkea tietokoneen toimintaa. Se noutaa käskyjä muistista ja suorittaa ne käyttäen apunaan rekistereitä ja ALU:a. Aritmeettislooginen yksikkö (ALU) toimii ohjausyksikön käskyjen alaisena ja suorittaa yksinkertaisia lasku- ja vertailutoimenpiteitä.
• Rekisterit ovat suorittimen välittömässä käytössä olevia nopeita tiedon väliaikaisia tallennuspaikkoja. Eräs näistä rekistereistä on ns. ohjausrekisteri, jonne tuodaan ne suoritettavat käskyt, jotka suoritin lähettää ALU:lle suoritettaksi.
• Suoritin eli prosessori suorittaa keskeisimmän tietojenkäsittelyn. Se ohjaa tietokoneen toimintaa ja on tietokoneen nopein osa. Prosessori siis suorittaa ohjelman konekielisiä käskyjä, jotka noudetaan yksi kerrallaan keskusmuistista. Muisti ja prosessori on yhdistetty toisiinsa väylällä.

Käskyn suorituksen vaiheet ovat:

• bittijonon (konekäskyn) nouto ja sen sen tulkinta
• ko. operandien (datan) nouto
• operaatioiden suoritus
• tulosten talletus
• tilakoodirekisterin (SR )tarkistus. .Tilarekisteristä suoritin tarkistaa voidaanko ohjelman suoritusta jatkaa vai keskeytetäänkö se. Siis SR:n tarkistuksessa todetaan mahdolliset ohjaus- tai keskeytyssignaalit. Keskeytyssignaali liittyy tavallisimmin I/O:n suoritukseen, palvelupyyntöön, virheeseen, tai prosessin vaihtamiseen.

Suorittimien nopeus

Prosessorien nopeus eli kellotaajuus ilmoitetaan megahertseinä (MHz). Jos suoritin toimii esimerkiksi 500 MHz kellotaajuudella, se voi parhaimmassa tapauksessa suorittaa sekunnin aikana 500 miljoonaa käskyä.

Mitä suurempi kellotaajuus sitä nopeampi tietokone ja miellyttävämpi työskennellä. Tietokoneen nopeuteen vaikuttavat kuitenkin myös muistin nopeus ja rakenne, välimuisti ja oheislaitteiden nopeudet.

Keskusmuisti

Keskusmuisti on joukko muistipaikkoja, johon voidaan tallettaa lukuja. Kukin muistipaikka kykenee kerrallaan sisältämään yhden kokonaisluvun, joka voi tarkoittaa esim. kirjainta tai konekäskyä.

Muistipaikkaa voi ajatella liitutaululle piirretyksi laatikoksi, johon mahtuu kirjoittamaan yhden luvun.

Muistipaikat on numeroitu nollasta alkaen 0, 1, 2 jne. Muistipaikan numeroa sanotaan yleensä muistiosoitteeksi.

Muistipaikkoja on yleensä todella paljon. Jos tietokoneen muistin sanotaan olevan 64Mb, on muistipaikkoja tällöin 64 miljoonaa kappaletta.

Muistipaikan sisältämä luku voidaan tulkita esim. kirjaimeksi tai suorittimen konekäskyksi.

Keskusmuisti jakautuu kahteen osaan, lukumuistiin ja työmuistiin.

Lukumuisti ROM

Lukumuisti eli ROM (Read Only Memory) sisältää koneen käynnistystoimenpiteet ja muita lyhyitä toimintoja. Lukumuistin sisältö on pysyvää ja nimensä mukaisesti se on vain luettavissa eikä sen sisältöä voi muuttaa. ROM:issa sijaitseva BIOS-muisti sisältää koneen käynnistysrutiinit, se paikallistaa eri laitteet ja käynnistää käyttöjärjestelmän (Windows, Linux, tms.), kun mikro käynnistetään.

Työmuisti RAM

Suorasaantimuistia eli työmuisti eli RAM (Random Access Memory) toimii ohjelmien ja niiden tietojen tallennuspaikkana tietokoneen toiminnan aikana. Työmuisti on hieman nopeampaa kuin ROM-muisti ja sitä voidaan koska tahansa kirjoittaa tai lukea. Työmuistin sisältö katoaa sähkövirran katketessa. .

Muistin koon mittayksiköitä
 

Bitti	Luku 0 tai 1
tavu (byte,B)	8 bitin ryhmä = yksi merkki, esim. 01000001. 8:lla bitillä voidaan esittää 256 erilaista yhdistelmää eli 256 eri lukua. (28= 256)
kilotavu (kB)	1024 tavua (siis esim. 64 kB = 65536 B)
Megatavu (MB)	1024 kilotavua
gigatavu (GB)	1024 megatavua
teratavu (TB)	1024 gigatavua

Esimerkki: Tietokoneen toimintaa voidaan havainnollistaa vertaamalla sitä ihmiseen, joka suorittaa jotain laskutehtävää noudattaen paperilla annettuja ohjeita käyttäen taskulaskinta, kynää ja paperia. (Vaikkapa: ota syntymäpäiväsi, kerro se syntymäkuukautesi numerolla ja lisää lpputulokseen syntymävuotesi) Saamme seuraavat vastaavuudet:

Väylä on tietokoneen osien yhteiskäytössä oleva siirtotie. Sitä pitkin tieto liikkuu tietokoneen osasta toiseen. Väylä koostuu rinnakkaisista johtimista, joista kukin siirtää kerrallaan yhden bitin. Jokaista erilaista oheislaitetta varten tarvitaan oma ohjain. Ohjaimen tarkoitus on liittää oheislaite tietokoneeseen ja ohjata sen toimintaa.

APUmuistit

Massamuistien tarkoitus on tallentaa pysyvästi ohjelmat ja niiden sisältämä tieto keskusmuistista. Niiden avulla asennetaan uusia ohjelmia ja suoritetaan varmuuskopiointia (apumuistilaitteen sisällön kopiointi toiselle laitteelle). Massamuisteista yleisimpiä ovat kiintolevy, levykkeet ja CD-ROM.

Kiintolevy

Kiintolevylle varastoidaan kaikki tieto. Sovellusohjelmat, käyttöjärjestelmä omat työt ja muut tiedot on tallennettu sinne.

Kun käyttöjärjestelmä tai ohjelma käynnistetään kone lukee tiedot sieltä ja lataa ne työmuistiin. Kiintolevyllä oleva tieto pysyy myös virran ollessa sammuksissa toisin kuin muistissa. Kiintolevy perustuu tiedon tallentamiseen magneettiselle levypinnalle. Kiintolevyn tunnus on C:, D:, …. Jos levyjä on useampia tai levy on jaettu useampaan osaan(osio)jatkuvat osioiden tunnukset aakkosjärjestyksessä.

Kiintolevyjen koko ilmoitetaan nykyään gigatavuissa. Peruskokoonpanojenkin kiintolevyt alkavat olla 15Gt:n luokkaa. Kiintolevy on nopein yleinen apumuistityyppi.. Kiintolevyn siirtonopeus voi olla esim. 800 kB/s. Levyltä luku on paljon hitaampaa kuin keskusmuistista luku.

Kiintolevyn ohjain

Kiintolevyn ohjain on yleensä integroitu suoraan emolevylle. Yleisin on IDE- tyyppinen ohjain. Siihen voidaan kytkeä kaksi laitetta yhteen ohjaimeen. Kaksi kiintolevyä tai kiintolevy ja CD-ROM asema.

Levykkeet

Levykkeet toimivat kuin kiintolevy, mutta ovat vaihdettavia ja pienempiä tallennuskapasiteetiltaan. Levykkeet ovat pienikokoisia ja niitä on helppo kuljettaa. Nykyisin levykkeet ovat kaksipuoleisia ja kooltaan 3,5". Tallennuskapasiteettia niillä on useimmiten 1,44MB. Levykeaseman tunnus on A:

CD-ROM

CD-ROM on yleisin optinen apumuistilaite. CD-ROM on ainoastaan luettavissa, sille ei voi itse tallentaa mitään. Kapasiteetti on nykyisin 553 MB tai 635 MB tallennustavasta riippuen. Lukunopeus on 150-900 kB/s. Kuvassa vasemmalla CD-ROM-levy ja oikealla 3,5" levykkeitä. Katso lisätiedoista levykkeistä ja tallenusstandardeista. CD- aseman tunnus on yleensä D: tai E:

Tavallisimmat levykekoot ovat 3,5" (korppu) ja 5,25" (lerppu). Tallennustiheyksiä on neljä erilaista: yksinkertainen (Single Density), kaksinkertainen (Double Density), korkea (High Density) ja erityiskorkea (Extra High Density). Tallennuskapasiteetti 3,5" levykkeillä vaihtelee sen mukaan, ovatko levykkeet yksipuoleisia (SS) vai kaksipuoleisia (DS) ja mikä niiden tallennustiheys on. SSDD:n kapasiteetti on 360kB tai 400kB, DSDD:n 720kB tai 800kB, DSHD:n 1,44MB ja DSED:n 2,88MB. Siirtonopeudet ovat 31 kB/s (DD), 62 kB/s (HD) tai 125 kb/s (ED). Uusimpien ns. ZIP-levyasemissa käytettävien levykkeiden tallennuskapasitetti on 100 MB tai 250MB. Ääni-CD:t ovat 1X CD:eitä eli yksinopeuksisia. Niiden lukunopeus on 150 kB/s. 4X eli nelinopeuksisen.

CD-ROM-aseman lukunopeus on 4*150 kB/s = 600 kB/s.

Standardeja

• CD-DA (ääni-CD)
• CD-ROM (tietokonelevy)
• CD-ROM/XA (sekä ohjelmia että ääntä)
• CD-I (vuorovaikutteinen CD-laite: pelit, opetusohjelmat)
• CD-R (kirjoittava CD-asema)
• Kodak Photo CD (valokuvien tallennus)
• DVD (tallennuskapasiteetti 3,5 GB - 18 GB)

Syöttölaitteet

Yleisimmin käytetyt syöttötavat ovat:

• näppäimistöltä kirjoittaminen
• osoitinlaitteella kohdistaminen. Osoitinlaitteita ovat hiiri, osoituskynä, kosketusnäyttö ja peliohjain
• optinen lukeminen. Optiset lukijoita on esim. skanneri ja viivakoodilukijat
• puhuminen. Puhesyötössä tietokone tunnistaa puhutun tekstin ja muuttaa sen merkkijonoksi tietokoneen
• mittausanturit ja -tutkaimet. Antureita käytetään teollisuudessa ohjaus-, valvonta- ja säätö.

Näppäimistö

Näppäimistön avulla syötetään tietokoneelle informaatiota. Kirjainnäppäinten lisäksi näppäimistöstä löytyy monia muita tärkeitä näppäimiä. Ylärivissä ovat funktionäppäimet, joita monissa ohjelmissa käytetään apuna. Tärkeitä näppäimiä ovat erityisesti Enter/Return-, Control- ja Shift-näppäimet. Näitä tarvitaan jatkuvasti tietokoneella työskennellessä. Muita erikoisnäppäimiä ovat mm. Alt-, Escape-, Tab-, Insert- ja Delete-näppäimet. Nuolinäppäimillä pystyt helposti liikkumaan tekstin sisällä.

Hiiri

Napsauttaminen - Hiiren osoitin siirretään halutun kohteen päälle ja painetaan kerran hiiren vasenta nappia, joka päästetään painamisen jälkeen ylös. Kaksoisnapsauttaminen - Kuten napsauttaminen, mutta vasenta nappia painetaan kaksi kertaa nopeasti peräkkäin hiirtä liikuttamatta. Raahaaminen - Hiiren osoitin siirretään halutun kohteen päälle ja painetaan vasen nappi pohjaan. Tämän jälkeen hiiri siirretään nappi pohjassa haluttuun paikkaan ja päästetään nappi ylös.

Tulostuslaitteet

Näyttö

Näytön kautta voidaan välittää tietoa käyttäjälle. Näyttöjen tärkeimpiä ominaisuuksia ovat pikselin eli kuvapisteen koko (esim. 0,26 mm), resoluutio, kaistanleveys (kHz) ja virkistystaajuus (Hz). Nämä määräävät sen, kuinka tarkkaa näyttötilaa on mahdollista monitorilla käyttää. Nykyisissä monitoreissa värien määrä ei yleensä vaikuta käytettävään tarkkuuteen.

Kaistanleveys (kHz) määrää mahdolliset näyttötilat. Kaistanleveyden tarve riippuu käytettävän näyttötilan tarkkuudesta ja kuvan virkistystaajuudesta. Virkistystaajuus (Hz) tarkoittaa kuvan päivitysnopeutta sekunnissa. Hyvä arvo on välillä 72-90 Hz. Liian pieni virkistystaajuus saa näytön välkkymään. Resoluutio kertoo montako pikseliä kuvaruudulla on. Mitä tiheämmässä pisteet ovat, sitä tarkempi näyttö on.

Näytönohjaimet

Näytönohjaimen tehtävänä on piirtää kuvat näytölle, ja näytönohjaimen muistin koosta riippuu miten suuria resoluutioita ja värimääriä näytöllä voidaan esittää. Suurin osa nykyisistä näytönohjaimista on SuperVGA(Video Graphics Array)-ohjaimia, joilla on mahdollisuus esittää suurilla resoluutioilla 256 väriä tai enemmän. SuperVGA:ta edeltävä VGA kykenee esittämään 640x480 pisteen grafiikkaa 16-värisenä ja 320x200 pisteen grafiikkaa 256 värisenä.

Kirjoittimet

Mustesuihkukirjoittimet ovat edullisia, hiljaisia ja tarkkoja tulostimia. Ne ovat korvanneet 90-luvulla matriisikirjoittimet kotikäytössä. Mustesuihkukirjoittimista on olemassa myös edullisia väriversioita. Muste on useimmiten vesiliukoista, joten tulosteet eivät aina ole arkistointikelpoisia. Tarkkuus on yleensä 300 tai 600 pistettä tuumalla (dpi, dots per inch). Laserkirjoittimet ovat tavallisimmista kirjoittimista laadukkaimpia. Ne ovat sivukirjoittimia, eli koko sivu ladataan kerralla kirjoittimen muistiin. Nopeus on usein 4, 8, 16 tai 20 sivua minuutissa. Toimintaperiaatteeltaan ne ovat lähellä valokopiokonetta: lasersäde muodostaa tulostettavan sivun rummulle, josta se siirretään kopiotekniikalla paperille. Laserkirjoittimien tarkkuus on yleensä 300, 600 tai 1200 dpi. Painokelpoista tulosteiden jälki on tarkkuuden ollessa 600 dpi.