Tietokoneen laitteisto

Tietokoneen laitteisto

• Tietokoneissa on kaksi pääosaa: laitteisto ja ohjelmisto
• Kuten piano (laitteisto) ja musiikki (ohjelmisto)
• Tässä osiossa: Laitteisto

Tietokone on hämmästyttävän käyttökelpoinen yleisteknologia siinä määrin, että nykyään kamerat, puhelimet, lämpömittarit ja monet muutkin asiat ovat nykyään pikkuisia tietokoneita. Tässä jaksossa esitellään tärkeimmät osat ja aiheet siitä, miten tietokonelaitteisto toimii. ”Laitteistolla” tarkoitetaan tietokoneen fyysisiä osia, ja ”ohjelmistolla” tarkoitetaan tietokoneella suoritettavaa koodia.

Sirut ja transistorit

• Transistori – elintärkeä elektroniikan rakennuspalikka
  -Transistorit ovat ”solid state” – ei liikkuvia osia
  -yksi historian tärkeimmistä keksinnöistä
  -”Kytkin”, jonka voimme kytkeä päälle/pois sähköisellä signaalilla
• Piipisiru – sormenkynnen kokoinen pala piitä
• Mikroskooppisen pienet transistorit syövytetään piisiruihin
• Sirut voivat sisältää miljardeja transistoreita
• Sirut pakataan muoviin, joissa on pienet metallijalat
• e.Esim. prosessorisirut, muistisirut, flash-sirut
• Piikki (metalloidi) vs. silikoni (keittoastioiden pehmeä aine)

Tässä on piisiru muovipakkauksensa sisällä. Vedin tämän Stanfordin CS-rakennuksen e-jätekasasta, joten se on luultavasti aika vanha. Tämä on pieni siru, jossa on vain muutama ”nasta” sähköliitäntää. Myöhemmin näemme isomman sirun, jossa on satoja nastoja.

Muovipakkauksen sisällä on sormenkynnen kokoinen piisiru, jonka pintaan on kaiverrettu transistoreita ja muita komponentteja. Pikkuruiset johdot yhdistävät sirun ulkopuolelle. (CC-lisensoitu määrite sharealke 3. Wikipedian käyttäjä Zephyris)

Nykyaikaisissa tietokoneissa käytetään pieniä elektronisia komponentteja, jotka voidaan syövyttää piisirun pintaan. (Katso: wikipedia siru) Huomaa, että pii (sirut, aurinkopaneelit) ja silikoni (pehmeä kumimainen materiaali) ovat eri asioita!

Yleisin elektroniikkakomponentti on ”transistori”, joka toimii eräänlaisena vahvistusventtiilinä elektronivirralle. Transistori on ”solid state” -laite, eli siinä ei ole liikkuvia osia. Se on perusrakennuspalikka, jota käytetään monimutkaisempien elektroniikkakomponenttien rakentamiseen. Erityisesti ”bitti” (alla) voidaan rakentaa 5 transistorin avulla. Transistori keksittiin 1950-luvun alussa ja se korvasi tyhjiöputken. Siitä lähtien transistoreista on tehty yhä pienempiä ja pienempiä, minkä ansiosta niitä on voitu syövyttää yhä enemmän piisirulle.

Mooren laki

• Transistorit pienenevät 2x noin 2 vuoden välein
  – joskus mainittu noin 18 kuukaudeksi
• Pystytään mahduttamaan kaksi kertaa enemmän transistoreja per siru
• Paremman sirujen syövytystekniikan ansiosta
  -Mutta huippuluokan sirutehdas maksaa yli miljardi dollaria
• Havainto vs. Tieteellinen ”laki”
• 2 Vaikutukset:
• a. sirujen kapasiteetti kaksinkertaistuu 2 vuoden välein
  Nopeus ei kaksinkertaistu, kapasiteetti kaksinkertaistuu, mikä on edelleen erittäin hyödyllistä
• b. tai pitää kapasiteetin vakiona, sirut pienenevät ja halpenevat 2 vuoden välein
• (b) on syy miksi tietokoneita on nykyään autoissa, termostaateissa, onnittelukorteissa
• Esimerkki: $50 MP3-soittimen kapasiteetti 2 vuoden välein: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Nyrkkisääntö: 8x kapasiteetti 6 vuoden välein
• 8x 6 vuodessa voi vastata puhelimen kapasiteetin kasvua
• Mooren laki ei varmaankaan jatku ikuisesti

Mooren laki (Gordon Moore, Intelin toinen perustaja) sanoo, että transistorien tiheys sirussa kaksinkertaistuu noin 2 vuoden välein (joskus mainittu 18 kuukauden välein). Kasvu johtuu sirujen valmistustekniikan parantumisesta. Kyseessä ei ole tieteellinen laki, vaan vain yleinen ennuste, joka näyttää toimivan. Laajemmin ajateltuna se kuvaa ajatusta siitä, että tietokoneteknologia (ei vain transistorit) paranee eksponentiaalisesti dollaria kohden ajan mittaan. Tämä on melko selvää, jos tarkastelet omistamiesi tietokoneiden/kameroiden jne. kustannuksia tai suorituskykyä. Mooren laki johtaa sekä entistä suorituskykyisempiin tietokoneisiin (vertaa mitä iPhone 7 pystyy tekemään verrattuna alkuperäiseen iPhoneen) että halvempiin tietokoneisiin (vähemmän suorituskykyisiä tietokoneita on kaikkialla, kuten termostaateissa ja autoissa).

Tietokoneet elämässä: Ohjausjärjestelmät

• Säätöjärjestelmä: reagoi ulkoiseen tilaan
• esim. auton moottori: muuttaa polttoaineseosta lämpötilan perusteella
• esim. laukaisee turvatyynyn törmäyksen aiheuttaman suuren G-voiman vaikutuksesta
• Sirut ovat loistava, halpa tapa rakentaa ohjausjärjestelmiä
• Ennaltaehkäisevätietokoneiden ohjausjärjestelmät eivät toimineet niin hyvin
• Yksi syy siihen, miksi autot toimivat nykyään niin paljon paremmin

Säätöjärjestelmä / Mooren taskulampun demo

• Maglite XL200 taskulampussa on siru
• Esimerkki ohjausjärjestelmästä
• Mooren laki tekee tästä sirun sovelluksesta toteuttamiskelpoisen
• Taskulamppu muuntaa kulma-asennon kirkkaudeksi. (1-klikkaus)
• Myös kulma muuttuu vilkkumisnopeudeksi. (2-klikkaa)

Tietokoneen laitteisto – prosessori, RAM-muisti ja pysyvä tallennus

Puhutaan nyt kolmesta tärkeimmästä osasta, jotka muodostavat tietokoneen — prosessori, RAM-muisti ja pysyvä tallennus. Nämä kolme löytyvät kaikista tietokoneista: kannettavista tietokoneista, älypuhelimista ja tableteista.

CPU

• CPU – Keskusyksikkö
• Toimii kuin aivot: noudattaa koodin sisältämiä ohjeita
• ”yleiset” – kuvat, verkkoyhteydet, matematiikka… kaikki suorittimella
• Suorittaa laskutoimituksia, mm.esim. laskee yhteen kaksi lukua
• vs. RAM-muisti ja pysyvä tallennusmuisti, jotka vain tallentavat dataa
• ”gigahertsi” = 1 miljardi operaatiota sekunnissa
• ”2 gigahertsin” prosessori suorittaa 2 miljardia operaatiota sekunnissa

CPU – keskusyksikkö (Central Processing Unit) – kutsutaan vääjäämättä tietokoneiden ”aivoksi”. CPU suorittaa koodin aktiivisen ”suorittamisen” ja datan käsittelyn, kun taas muilla komponenteilla on passiivisempi rooli, kuten datan tallentaminen. Kun sanomme, että tietokone voi ”laskea yhteen kaksi lukua miljardi kertaa sekunnissa” … se on CPU. Kun painat Suorita-painiketta, suoritin lopulta ”ajaa” koodisi. Myöhemmin täydennämme kuvaa siitä, miten prosessori suorittaa Javascript-koodisi.

Sivut:

• Nykyaikaisissa suorittimissa on useita ”ytimiä”
• Jokainen ydin on puoliksi itsenäinen suoritin
• Avain: 4 ydintä ei ole 4x nopeampi kuin 1 ydin
• i.Esim. 4 autolla ei pääse perille nopeammin kuin 1 autolla
• Vähenevä tuotto
• Myös 4 ydintä on usein hyödytöntä

CPU Esimerkkejä

CPU Variant: GPU – Graphics Processing Unit

• Kuten CPU, mutta erikoistunut käsittelemään kuvia
• Tietokonepelit käyttävät GPU:ta paljon
• Nykyaikaiset CPU:t ovat useimmiten riittävän nopeita, enemmän energiaa menee näytönohjaimiin

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Toimii kuin valkotaulu
• Väliaikaisia, toimivia tallennustietoja tavuja
• RAM:iin tallennetaan sekä koodia että dataa (väliaikaisesti)
• e.Esim. kuvan avaaminen Photoshopissa
  – kuvan data ladataan RAM:n tavuihin
• Esim. 2:n lisääminen numeroon laskimessa
  – tavujen manipulointi RAM:ssa
• ”pysyvää”
  -RAM ei ole pysyvää. Tila katoaa, kun virta katkaistaan
  – esim. työstät dokumenttia, sitten virta katkeaa ja menetät työsi (vs. ”Save”)

RAM – Random Access Memory, tai vain ”muisti”. RAM on työmuisti, jota tietokone käyttää tallentaakseen koodia ja tietoja, joita käytetään aktiivisesti. RAM-muisti on käytännössä keskusyksikön hallinnassa oleva tavujen varastointialue. RAM-muisti on suhteellisen nopea ja pystyy hakemaan minkä tahansa tavun arvon muutamassa nanosekunnissa (1 nanosekunti on sekunnin miljardisosa). RAM-muistin toinen pääominaisuus on se, että se säilyttää tilansa vain niin kauan kuin siihen syötetään virtaa – RAM-muisti ei ole ”pysyvä” tallennusmuisti.

Asettele, että työskentelet tietokoneellasi ja yhtäkkiä siitä katkeaa virta ja näyttö tyhjenee. Ymmärrät, että se mitä olit työstämässä, on poissa. RAM-muisti on pyyhkiytynyt tyhjäksi, ja jäljelle on jäänyt vain se, mitä olet viimeksi tallentanut levylle (alla).

RAM Esimerkkejä

• Sinulla on monta välilehteä auki selaimessasi
  – jokaisen välilehden tiedot ovat RAM-muistissa
• Ohjelma on käynnissä
  – ohjelman koodi on RAM-muistissa
• Ohjelma käsittelee isoa kuvaa
  – kuvan tiedot ovat RAM-muistissa
• e.g. RAM-muisti voi loppua kesken – ei voi avata uutta välilehteä tai ohjelmaa, koska kaikki RAM-muisti on käytössä
• Sivumuisti: nykyään puhelimissa on 2-4GB RAM-muistia … riittää useimpiin tarkoituksiin

Pysyvä tallennus:

Pysyvä tallennus tavuille

”Pysyvä” tarkoittaa, että se säilyy myös silloin, kun siihen ei kytketä virtaa

esim. Kiintolevy – tallentaa tavuja magneettisena kuviona pyörivälle levylle
– eli ”kovalevy”
– Korkea pyörivä ääni, jonka olet ehkä kuullut

Kiintolevyjä on käytetty pääasiallisena, pysyvänä tallennustekniikkana pitkään

MUTTA nykyään flash-levyjen käyttö yleistyy yhä enemmän.

Kiintolevyjen toimintatapoja Video (Webm on avoimen standardin omaava videomuoto, toimii Firefox- ja Chrome-selaimissa). 4:30 videossa näet bittien lukemista/kirjoittamista.

Persistentti tallennus, uudempi tekniikka: Flash

• ”Flash” on transistorin kaltainen pysyvä tallennustekniikka
  ”solid state” – ei liikkuvia osia
  -aka ”Flash drive”
  -aka ”Flash memory”
  -aka ”SSD”: Solid State Disk
• Flash on kiintolevyä parempi kaikin tavoin paitsi kustannuksiltaan – nopeampi, luotettavampi, vähemmän virtaa
• Flash on kalliimpi per tavu
• Formaatit:
• Flash oli ennen hyvin kallista, joten useimmat tietokoneet käyttivät kiintolevyjä
• Flash halpenee (Mooren laki)
• Kiintolevyt ovat kuitenkin edelleen huomattavasti halvempia tavua kohti
• Ei pidä sekoittaa ”Adobe Flashiin”, joka on oma mediaformaatti
• Varoitus: Flash ei säily ikuisesti. Se ei välttämättä säilytä bittejä yli 10 tai 20 vuotta. Kukaan ei tiedä varmasti

Pysyvä tallennus – tavujen pitkäaikainen tallennus tiedostoina ja kansioina. Pysyvä tarkoittaa, että tavut säilyvät, vaikka virta katkaistaisiinkin. Kannettava tietokone saattaa käyttää pyörivää kiintolevyä (tunnetaan myös nimellä ”kovalevy”) tiedostojen pysyvään tallentamiseen. Tai se voi käyttää flash-asemaa, joka tunnetaan myös nimellä Solid State Disk (SSD), tallentaakseen tavuja flash-siruille. Kiintolevy lukee ja kirjoittaa magneettikuvioita pyörivälle metallilevylle tavujen tallentamiseksi, kun taas flash-levy on ”solid state”: siinä ei ole liikkuvia osia, vain piisiruja, joissa on pieniä elektroniryhmiä tavujen tallentamiseksi. Kummassakin tapauksessa tallennus on pysyvää, eli se säilyttää tilansa, vaikka virta olisi katkaistu.

Flash-asema on nopeampi ja kuluttaa vähemmän virtaa kuin kiintolevy. Tavua kohti laskettuna flash-muisti on kuitenkin huomattavasti kalliimpaa kuin kiintolevytallennus. Flash on halventunut, joten se saattaa vallata markkinarakoja kiintolevyjen kustannuksella. Flash on paljon hitaampi kuin RAM-muisti, joten se ei ole hyvä RAM-muistin korvaaja. Huomaa, että Adobe Flash on asiaan liittymätön käsite; se on oma mediaformaatti.

Flash-tallennus on se, mikä on USB-muistitikkujen, kameroissa käytettävien SD-korttien tai tabletin tai puhelimen sisäänrakennetun tallennusmuistin perustana.

Tiedostojärjestelmä

• Miten pysyvän tallennusmuistin tavut on järjestetty?
• e.g. Tavuja muistitikulla?
• ”Tiedostojärjestelmä” – pysyvän tallennustilan tavujen, tiedostojen ja kansioiden järjestäminen
• ”Tiedosto” – nimi, kahva tavujen lohkolle
• e.g. ”kukat.jpg” viittaa 48KB:n suuruiseen kuvadatan tavuihin

Kovalevy- tai flash-levy tarjoaa pysyvää tallennustilaa litteänä tavuina ilman suurta rakennetta. Tyypillisesti kiintolevy tai flash-levy on alustettu ”tiedostojärjestelmällä”, joka järjestää tavut tuttuun tapaan tiedostojen ja hakemistojen muotoon, jossa jokaisella tiedostolla ja hakemistolla on jokseenkin käyttökelpoinen nimi, kuten ”resume.txt”. Kun levy kytketään tietokoneeseen, tietokone esittelee käyttäjälle levyn tiedostojärjestelmän, jonka avulla käyttäjä voi avata tiedostoja, siirtää tiedostoja jne.

Todennäköisesti jokainen tiedosto tiedostojärjestelmässä viittaa tavulohkoon, joten ”kukat.jpg”-nimi viittaa 48 kilotavun suuruiseen tavulohkoon, joka on kyseisen kuvan data. Käytännössä tiedostojärjestelmä antaa käyttäjälle nimen (ja luultavasti kuvakkeen) datatietolohkolle ja antaa käyttäjälle mahdollisuuden suorittaa kyseiselle datalle toimintoja, kuten siirtää tai kopioida sitä tai avata se ohjelmalla. Tiedostojärjestelmä myös seuraa tietoja tavuista: kuinka monta niitä on ja milloin niitä on viimeksi muutettu.

Microsoft käyttää omaa NTFS-tiedostojärjestelmää, ja Mac OS X:ssä on Applen oma HFS+-tiedostojärjestelmä. Monet laitteet (kamerat, MP3-soittimet) käyttävät hyvin vanhaa Microsoftin FAT32-tiedostojärjestelmää flash-korteillaan. FAT32 on vanha ja alkeellinen tiedostojärjestelmä, mutta se on hyvä silloin, kun laaja tuki on tärkeää.

Pysyvän tallennuksen esimerkkejä

• Tämä on helppo ymmärtää, koska olet käyttänyt tiedostoja ja tiedostojärjestelmiä
• esimerkiksi 100 erillistä 1 GB:n videotiedostoa … tarvitsevat 100 GB tallennuskapasiteettia

Kuvia laitteistosta

Alhaalla on kuvia edullisesta Shuttle-tietokoneesta, jossa on 1,8 ghz:n prosessori, 512 Mt RAM-muistia ja 160 Gt:n kiintolevy. Se maksoi noin 200 dollaria noin vuonna 2008. Se meni rikki, ja siitä tuli luokkahuoneen esimerkki.

Tässä on litteä ”emolevy”, joka on hieman pienempi kuin 8,5 x 11-kokoinen paperinpala ja johon eri komponentit liitetään. Keskellä on prosessori. Aivan oikealla on RAM-muisti. Aivan suorittimen oikealla puolella on pari tukisirua. Huomionarvoista on, että yksi siruista on peitetty kuparisella ”jäähdytyslevyllä”, joka painuu tiukasti sirua vasten ja haihduttaa sirun lämmön ympäröivään ilmaan. CPU:ssa oli myös erittäin suuri jäähdytyslevy, mutta se poistettiin, jotta CPU saatiin näkyviin.

• emolevy
• CPU:n metallipakkaus, jota vipu pitää paikallaan
• Kuparinen jäähdytyslevy

CUPERINEN JÄÄHDYTYSLEVY

CUPERI on pidetty tiukasti kiinni emolevyyn kiinni pienen vipumekanismin avulla. Tässä mekanismi vapautetaan, jotta suorittimen voi nostaa ylös. Sormenkynnen kokoinen prosessori on pakattu tämän metallikannen alle, joka auttaa johtamaan lämmön prosessorista sen jäähdytyselementtiin. Sirun metallikannessa oleva harmaa aine on ”lämpötahnaa”, materiaalia, joka auttaa johtamaan lämpöä sirun kotelosta sen (ei kuvassa) jäähdytyselementtiin.

• CPU-siru metallikotelossa
• Jäähdytyselementti on poistettu
• Kotelon pohja … monia liitäntöjä (pieniä johtoja)

Prosessorin kääntäminen ylösalaisin paljastaa prosessorin alareunassa olevat kultaiset pikkutyynyn. Kukin tyyny on liitetty hyvin hienolla johdolla piipiirin kohtaan.

Tässä on kuva toisesta piiristä, mutta sen yläpakkaus on poistettu. Näet keskellä pienen sormenkynnen kokoisen piisirun, johon on kaiverrettu transistorin pikkuruiset yksityiskohdat. Sirun reunassa näet hyvin ohuet johdot, jotka yhdistävät sirun osia ulkopuolisiin tyynyihin (CC-lisensoitu attribuutti sharealke 3. wikipedia-käyttäjä Zephyris)

Nyt sivulta katsottuna jäähdytyslevy ja RAM-muistikortti näkyvät selvemmin emolevystä ulkonevina.

• RAM-muistikortti
• Pistetään emolevyyn
• 512 megatavun kortti (4 sirua)

RAM-muisti rakentuu muutamasta sirusta, jotka on pakattu yhteen emolevyyn liitettävään pieneen korttiin, jota kutsutaan nimellä DIMM (dual inline memory module). Tässä näemme RAM DIMM -muistimoduulin irrotettuna emolevyliitännästä. Kyseessä on 512 Mt:n DIMM-muisti, joka koostuu neljästä sirusta. Muutamaa vuotta aiemmin tämä DIMM olisi saattanut vaatia 8 sirua 512 Mt:n tallentamiseen … Mooren laki toiminnassa.

Tässä on kiintolevy, joka liitetään emolevyyn näkyvällä standardilla SATA-liittimellä. Kyseessä on 160 Gt:n ”3,5 tuuman” kiintolevy, joka viittaa sen sisällä olevan pyörivän levyn halkaisijaan; koko kiintolevy on suunnilleen pienen pokkarin kokoinen. Tämä on pöytätietokoneen sisällä käytettävän levyn vakiokoko. Kannettavissa tietokoneissa käytetään 2,5 tuuman asemia, jotka ovat hieman pienempiä.

• 160 Gt:n kiintolevy (pysyvä tallennustila)
• e.e. pysyvä
• Kytkeytyy emolevyyn tavallisella SATA-kaapelilla

Tämä on USB-muistitikku, joka kiintolevyaseman tavoin tarjoaa pysyvää tallennustilaa tavuista. Tämä tunnetaan myös nimellä ”muistitikku” tai ”USB-avain”. Se on pohjimmiltaan USB-liitin, joka on kytketty flash-tallennussiruun, jossa on jonkin verran tukielektroniikkaa:

• Flash-asema (toisenlainen pysyvä tallennusmuisti)
• eli pysyvä
• Sisältää flash-sirun, puolijohdetekniikka
• SD-kortti, samanlainen ajatus

>

Kuvassa se on purettu erilleen, ja siinä näkyy flash-siru, joka varsinaisesti tallentaa tavuja. Tämä siru voi tallentaa noin 1 miljardi bittiä .. kuinka monta tavua se on? (Vastaus: 8 bittiä per tavu, joten se on noin 125 Mt)

Tässä on ”SD-kortti”, joka tarjoaa tallennustilaa kamerassa. Se on hyvin samanlainen kuin USB-muistitikku, vain eri muotoinen.

Mikrokontrolleri – halpa tietokoneen siru

• Mikrokontrolleri
• Kokonaisvaltainen tietokone yhdellä sirulla
• Pieni CPU, RAM, tallennustila (Mooren laki)
• Siru voi maksaa alle 1 dollarin
• Auto, mikroaaltouuni, termostaatti

Arduino Computer