Datamaman tietotekniikkablogin kesäteemana on tietokoneen perustoimintojen esittelyä.
Yritän kuvailla nykyihmisen ehkä tärkeimmän kumppanin rakennetta ja mahdollisesti sielunelämääkin reippaasti yksinkertaistaen sekä runsaan kuvituksen avulla.
Pahoittelen, jos yksinkertaistamisen aikana jää jokin asiaan paremmin perehtyneen mielestä tärkeä seikka mainitsematta.
Rohkaisen käyttämään kommenttipalstaa, mikäli lisättävää, täydennettävää tai korjattavaa on. Tarkoitus on tiedonjakamisen ohella oppia itsekin.
Prosessorien eli suorittimien evoluutiota voi tarkastella aina 1970-luvun alkupuolelta lähtien, jolloin ensimmäiset kaupalliseen tarkoitukseen valmistetut prosessorit lanseerattiin markkinoille. Tuolloin prosessorin teho perustui vain yhteen mikropiiriin, jossa oli kuutisentuhatta transistoria. Vuosien mittaan markkinoille on tuotu prosessoreita, joissa on useita ytimiä ja miljoonittain transistoreita.
Mikropiiri on oikeastaan pieni, ohut piisiru tai -lastu, johon prosessorin muodostavat transistorit on juotettu. Mikropiiri voi olla läpimitaltaan jopa runsaan kahden senttimetrin kokoinen ja sisältää kymmeniä miljoonia transistoreita.
Mikropiirejä.
Transistori on puolestaan kolmeliitoksinen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.
Erilaisia transistoreita.
PC-tietokoneiden alkuaikoina kaikki prosessorit kiinnittyivät emolevyyn ns. piikkihilamatriisin avulla (PGA, eli Pin Grid Array). Prosessorissa oli nimensä mukaisesti sarja näitä ”piikkejä”, jotka sopivat Socket 7 -nimiseen suoritinkantaan. Tuolloin kaikki prosessorit myös sopivat kaikkiin emolevyihin. Suoritinkantoja (sockets) on luokiteltu niiden piikkien määrän mukaan, kuten esim. Socket 478, Socket 754.
PGA, eli piikkihilamatriisi.
Nykyään yleisimmin käytössä on LGA-suoritinkanta (Land Grid Array), tai Socket T, jossa ”piikit” ovat suoritinkannassa eivätkä suorittimessa itsessään. Suorittimissa täytyisi nykyvaatimusten mukaan olla yhä enemmän piikkejä, jotta ne kykenisivät käsittelemään yhä enemmän ominaisuuksia aina vain nopeammin ja tehokkaammin. Siten tarvitaan myös paljon erilaisia suoritinkantoja.
LGA, tarkemmin Socket 775.
Tietynlaisen prosessorin hankintaa suunnittelevan kannattaa siis hankkia emolevy, johon suoritin sopii. Prosessori ei sovi suoritinkantaan eikä siten emolevyyn, jollei sen PGA (Pin Grid Array) ole yhteensopiva emolevyn suoritinkannan kanssa.
Prosessorin osat ovat
- rekisterit, jotka ovat pieniä, tilapäisiä muistipaikkoja, joihin mahtuu yksi merkki tai numero
- väylät, eli siirtotiet prosessorin sisäisen tiedosiirron toteuttamiseen esimerkiksi eri rekistereiden välillä
- aritmeettis-looginen yksikkö (ALU)
- ohjausosa, joka lukee käskyn, tulkitsee sen ja lähettää ohjaussignaalin ALU:lle
- kello, joka pitää toiminnot oikeassa järjestyksessä
Prosessorin toiminta perustuu laskutoimituksiin, joita sen aritmeettis-looginen yksikkö suorittaa. Mitä nopeammin ja useampia laskutoimituksia aritmeettis-looginen yksikkö kykenee suorittamaan, sitä nopeampi ja tehokkaampi on tietokone. Uusimmissa tietokoneissa on sisäänrakennettu matematiikkaprosessori (floating point processor), joka pystyy suorittamaan monimutkaisia laskutoimituksia suurilla liukuluvuilla. Tämä tarkoittaa tietenkin valtavan suurta prosessointitehoa.
Prosessorin toiminnan kannalta olennainen elementti on muisti.
Tavallisesti tietokoneessa on RAM- (Random Access Memory) eli luku- ja kirjoitusmuisti (tai keskusmuisti) sekä ROM- (Read Only Memory) eli pysyväismuisti. Tietokone voi periaatteessa toimia ilman RAM-muistia, mutta ei ilman ROM-muistia. Käytännössä tavallisen tietokoneen ROM-muisti sijaitsee sen BIOS:issa (Basic Input-/Output System). BIOS on puolestaan tietokoneohjelma, joka etsii ja lataa tietokoneen käyttöjärjestelmän keskusmuistiin, kun tietokone käynnistetään. RAM taas tyhjenee, kun tietokone käynnistetään uudelleen.
Prosessorin tehtävänä on huolehtia siitä, että muistin osat kommunikoivat keskenään väyliä pitkin. Kommunikaatio puolestaan perustuu laskutoimituksiin, joita prosessorin aritmeettis-looginen yksikkö suorittaa. Laskutoimitukset ovat yhteen-, vähennys-, kerto- ja jakolaskuja.
Tässä olennainen elementti on kellotaajuus. Muistin toimintaa ohjataan niin sanotuilla kellopulsseilla. Pulssi määrää milloin muisti voi lähettää tietoa ja milloin sen täytyy ottaa sitä vastaan. Kellopulssien välistä aikaa mitataan megahertseinä, eli kuinka monta miljoonaa kellopulssia tapahtuu sekunnissa. Mitä suurempi kellotaajuus on, sitä nopeampaa muisti on ja sitä enemmän operaatioita muisti suorittaa.
Prosessorin merkitys tietokoneelle on kuvaannollisesti sanoen sama kuin ihmiselle hänen sydämensä merkitys. Mitä nopeampi prosessori, sitä nopeampi tietokone. Prosessori tuottaa virtaa ja dataa emolevyn muille komponenteille ja pitää tietokoneen käynnissä. Prosessorin teho määrittelee, kuinka tehokkaasti tietokone toimii. Olennaista on, että prosessori on emolevyyn nähden oikeanlainen.
Prosessori on nimensä mukaisesti suoritin, joka suorittaa tietokoneelle annetut käskyt. Se on siksi tietokoneen tärkein osa.
Lähteitä:
http://computer.howstuffworks.com/microprocessor.htm
http://muropaketti.com/artikkelit/prosessorit/mikroprosessori-historia-ja-toiminta-osa-1
https://fi.wikipedia.org/wiki/Keskusmuisti
https://fi.wikipedia.org/wiki/BIOS
https://fi.wikipedia.org/wiki/Transistori
https://fi.wikipedia.org/wiki/Mikropiiri
lipas.uwasa.fi/~jt/tte_103/tietokoneen_rakenne.ppt
Datamaman tietotekniikkablogi 