Structured Computer Organization

1. Tietokoneet on rakennettu hierarkkisesti, ja jokaisella tasolla on oma erityinen tehtävänsä.

Tämän kirjan kolme ensimmäistä painosta perustui ajatukseen, että tietokonetta voidaan pitää hierarkiana, jossa jokainen taso suorittaa hyvin määritellyn tehtävän.

Kerrostettu Abstraktio. Tietokonesysteemi ei ole monoliittinen kokonaisuus, vaan sarja kerroksia, joista jokainen rakentuu edellisen päälle. Tämä kerroksellinen lähestymistapa yksinkertaistaa suunnittelua ja ymmärtämistä, jolloin insinöörit voivat keskittyä tiettyihin tasoihin ilman, että heidän tarvitsee hallita koko järjestelmää kerralla. Jokainen taso tarjoaa virtuaalikoneen, joka abstrahoi alempien tasojen monimutkaisuudet.

Hierarkian Tasot. Kirja korostaa keskeisiä tasoja:

• Digitaalisen Logiikan Taso: Perusta, joka käsittelee portteja ja piirejä.
• Mikroarkkitehtuurin Taso: Toteuttaa ISA:n datapolkujen ja ohjaussignaalien avulla.
• Käskyjoukon Arkkitehtuuri (ISA) Taso: Määrittelee konekielen.
• Käyttöjärjestelmän Taso: Hallitsee resursseja ja tarjoaa palveluja sovelluksille.
• Kokoamis- ja Konekielitason Taso: Ihmisen luettavissa oleva esitys konekoodista.
• Ongelmalähtöisten Kielten Taso: Korkean tason kielet, kuten Java tai C++.

Hierarkkisen Mallin Hyödyt. Tämä rakenne mahdollistaa modulaarisuuden, mikä helpottaa komponenttien päivittämistä tai vaihtamista yhdellä tasolla ilman, että se vaikuttaa muihin. Se mahdollistaa myös työnjaon, jossa eri tiimit keskittyvät järjestelmän eri osa-alueisiin. Tämä abstraktio on ratkaisevan tärkeä nykyaikaisten tietokoneiden monimutkaisuuden hallitsemiseksi.

2. Tietokonearkkitehtuuri on kehittynyt erilaisten sukupolvien kautta, joista jokainen on merkitty teknologisilla edistysaskelilla.

Nykyaikainen tietokonehistoria alkaa tästä.

Mekaaniset Alut. Varhaisimmat laskentayritykset sisälsivät mekaanisia laitteita, kuten Babbagen Analyyttisen Moottorin (1834), joka, vaikka ei koskaan täysin toteutunut, loi perustan digitaalisille tietokoneille. Nämä koneet käyttivät vaihteita ja vipuja laskentatehtävien suorittamiseen, mikä edusti merkittävää käsitteellistä hyppyä.

Vakuumiputkiaika. Ensimmäinen sukupolvi elektronisia tietokoneita (1945-1955) nojasi vakuumiputkiin. COLOSSUS (1943) ja ENIAC (1946) olivat uraauurtavia esimerkkejä, mutta ne olivat suuria, paljon energiaa kuluttavia ja alttiita vioille. EDSAC (1949) merkitsi tärkeää askelta toteuttamalla tallennetun ohjelman käsitteen.

Transistorit ja Integroitu Piiritekniikka. Toinen (1955-1965) ja kolmas (1965-1980) sukupolvi toivat mukanaan transistorit ja integroidut piirit. Nämä innovaatiot johtivat pienempiin, luotettavampiin ja energiatehokkaampiin tietokoneisiin. IBM 360 (1964) oli merkkipaalu, joka vakiinnutti tuoteperheen käsitteen.

VLSI ja Sen Yli. Neljäs sukupolvi (1980-nykyhetki) on luonteenomaista erittäin suurille integroiduille piireille (VLSI), jotka mahdollistavat mikroprosessorien ja henkilökohtaisten tietokoneiden luomisen. Mooren laki ennusti transistorien määrän eksponentiaalista kasvua sirulla, mikä vauhditti jatkuvia edistysaskelia laskentatehossa.

3. Tietokone "eläintarha" kattaa laajan valikoiman laitteita, jotka on räätälöity erityisiin tarpeisiin ja taloudellisiin rajoituksiin.

Nykyinen tietokoneiden kirjo. Hinnat kannattaa ottaa suolan (tai vielä paremmin, metrisen tonnin) kanssa.

Monimuotoinen Maisema. Tietokoneiden markkinat eivät ole monoliittisia; ne ovat monimuotoinen ekosysteemi, jossa laitteet vaihtelevat kertakäyttöisistä tietokoneista onnittelukorteissa miljoonien dollarien supertietokoneisiin. Jokainen tyyppi palvelee erityisiä tarpeita, tasapainottaen suorituskykyä, kustannuksia ja kokoa.

Esimerkkejä Tietokonetyypeistä:

• Upotetut tietokoneet: Löytyy kelloista, autoista ja kodinkoneista.
• Pelitietokoneet: Kotivideopelikonsolit.
• Henkilökohtaiset tietokoneet: Pöytätietokoneet ja kannettavat tietokoneet.
• Palvelimet: Verkkopalvelimet yrityksille.
• Suurprosessoreita: Käytetään suurten organisaatioiden erädata prosessoinnissa.
• Supertietokoneet: Käsittelevät monimutkaisia tieteellisiä ja insinööriongelmia.

Teknologiset ja Taloudelliset Voimat. Tietokone "eläintarhan" kehitys on ohjattu teknologisista edistysaskelista ja taloudellisista näkökohdista. Mooren laki, joka ennustaa transistoritiheyden eksponentiaalista kasvua, on mahdollistanut yhä tehokkaampien ja edullisempien laitteiden luomisen. Markkinakysynnät ja kilpailupaineet muokkaavat edelleen maisemaa.

4. Prosessorit suorittavat käskyjä putkistojen kautta, parantaen suorituskykyä rinnakkaisuuden avulla.

Tyypillisen von Neumann -koneen datapolku.

Käskyjen Suoritusjakso. Prosessorit suorittavat käskyjä syklissä, joka sisältää hakemisen, purkamisen, operandin hakemisen, suorittamisen ja kirjoittamisen. Nykyaikaiset prosessorit käyttävät tekniikoita, kuten putkistamista ja rinnakkaisuutta, suorituskyvyn parantamiseksi.

Putkistaminen. Putkistaminen jakaa käskyjen suoritusjakson vaiheisiin, jolloin useita käskyjä voidaan käsitellä samanaikaisesti. Tämä lisää läpimenoa, mutta putkisto voi pysähtyä riippuvuuksien tai haarojen vuoksi.

Rinnakkaisuus. Nykyaikaiset prosessorit saavuttavat rinnakkaisuuden:

• Käskyjen Tason Rinnakkaisuus (ILP): Useiden käskyjen suorittaminen samanaikaisesti.
• Prosessorin Tason Rinnakkaisuus: Useiden prosessorien käyttäminen eri osien työskentelyyn.

RISC vs. CISC. Vähennetyn Käskyjoukon Laskenta (RISC) -arkkitehtuurit suosivat yksinkertaisia käskyjä, jotka voidaan suorittaa nopeasti, kun taas Monimutkainen Käskyjoukon Laskenta (CISC) -arkkitehtuurit käyttävät monimutkaisempia käskyjä, jotka voivat suorittaa enemmän työtä per käsky. Nykyaikaiset prosessorit yhdistävät usein molempien piirteitä.

5. Muisti on järjestetty hierarkkisesti, tasapainottaen nopeutta, kustannuksia ja kapasiteettia.

Viiden tason muistihierarkia.

Muistihierarkia. Tietokoneen muisti on rakennettu hierarkkisesti, ja jokainen taso tarjoaa erilaisen tasapainon nopeuden, kustannusten ja kapasiteetin välillä. Tämä hierarkia sisältää tyypillisesti:

• Rekisterit: Nopeimmat, kalleimmat ja pienimmät.
• Välimuisti: Nopea, suhteellisen kallis ja pieni.
• Päämuisti (RAM): Kohtalaisen nopea, kohtalaisen kallis ja keskikokoinen.
• Toissijainen Muisti (Levy): Hidas, edullinen ja suuri.
• Kolmas Muisti (Nauha, Optinen Levy): Erittäin hidas, erittäin edullinen ja erittäin suuri.

Välimuisti. Välimuisti on pieni, nopea muisti, joka tallentaa usein käytettyjä tietoja, vähentäen tarpeen käyttää hitaampaa päämuistia. Välimuistin suorituskyky riippuu tekijöistä, kuten koosta, assosiatiivisuudesta ja korvauspolitiikasta.

Muistin Pakkaus ja Tyypit. Muisti on pakattu eri muodoissa, kuten SIMM- ja DIMM-muodoissa. Eri RAM-tyypit, kuten SRAM ja DRAM, tarjoavat erilaisia suorituskykyominaisuuksia.

6. Syöttö-/lähtöjärjestelmät (I/O) helpottavat viestintää tietokoneen ja ulkomaailman välillä.

Henkilökohtaisen tietokoneen fyysinen rakenne.

Bussit. I/O-laitteet yhdistetään tietokoneeseen bussien kautta, jotka ovat jaettuja viestintäpolkuja. Nykyaikaisissa järjestelmissä on usein useita busseja, mukaan lukien nopeita busseja, kuten PCI ja USB, sekä hitaampia busseja, kuten ISA.

Ohjaimet. Jokaisella I/O-laitteella on ohjain, joka hallitsee viestintää bussin ja itse laitteen välillä. Ohjaimet voivat käyttää Suoraa Muistisiirtoa (DMA) siirtääkseen tietoja suoraan muistiin ilman CPU:n väliintuloa.

Yleisiä I/O-laitteita:

• Terminaalit: Näppäimistöt ja näytöt käyttäjävuorovaikutukseen.
• Hiiret: Näyttöliittymien osoituslaitteet.
• Tulostimet: Tulostuslaitteet kovakopioiden tuottamiseen.
• Modeemit: Laitteet tietojen siirtämiseen puhelinlinjojen yli.

Merkistökoodit. Merkistökoodit, kuten ASCII ja Unicode, käytetään tekstimerkkien esittämiseen standardoidussa muodossa.

7. Digitaaliset logiikkaportit ja Boolen algebra muodostavat tietokoneen laitteiston perustan.

Transistorinvertteri.

Portit. Digitaaliset piirit rakentuvat logiikkaporteista, kuten AND, OR, NOT, NAND ja NOR porteista. Nämä portit suorittavat perus Boolen operaatioita binaaristen syötteiden perusteella.

Boolen Algebra. Boolen algebra tarjoaa matemaattisen kehyksen digitaalisten piirien analysoimiseen ja suunnitteluun. Se käyttää operaattoreita, kuten AND, OR ja NOT, binaaristen arvojen käsittelemiseen.

Perus Digitaaliset Logiikkapiirit. Yhdistelmät piirit, kuten yhdisteet ja monistimet, rakennetaan toisiinsa kytketyistä logiikkaporteista. Sekventiaaliset piirit, kuten flip-flopit ja rekisterit, käyttävät palautetta tilan tallentamiseen.

CPU-piirit ja Bussit. CPU-piirit sisältävät monimutkaisia digitaalisia logiikkapiirejä, mukaan lukien ALU:t, ohjausyksiköt ja rekisterit. Tietokonebusseilla on viestintäpolkuja CPU:n, muistin ja I/O-laitteiden välillä.

8. Mikroarkkitehtuuri toteuttaa käskyjoukon arkkitehtuurin (ISA) datapolkujen ja ohjaussignaalien avulla.

Esimerkin mikroarkkitehtuurin datapolku, jota käytetään tässä luvussa.

Datapolut. Mikroarkkitehtuurin taso toteuttaa ISA:n datapolkujen avulla, jotka ovat fyysisiä polkuja, joiden kautta tiedot kulkevat. Tyypillinen datapolku sisältää rekisterit, ALU:n ja siirtäjän.

Mikrokäskyt. Mikrokäskyt ohjaavat datapolun toimintaa. Jokainen mikrokäsky määrittelee, mitkä rekisterit luetaan, minkä ALU-toiminnon suorittaminen tapahtuu ja mihin rekisteriin tulos kirjoitetaan.

Mikrokäskyn Ohjaus. Mikrokäskyn ohjaus voidaan toteuttaa mikrosuunnittelulla, jossa ROM:iin tallennettu mikrosuunnitelma ohjaa mikrokäskyjen suorittamista.

Suunnittelun Kauppasuhteet. Mikroarkkitehtuurin suunnittelu sisältää nopeuden ja kustannusten välisiä kauppasuhteita. Tekniikat, kuten putkistaminen ja välimuisti, voivat parantaa suorituskykyä, mutta ne lisäävät myös monimutkaisuutta ja kustannuksia.

9. Käskyjoukon arkkitehtuuri (ISA) määrittelee konekielen ja sen ominaisuudet.

ISA-tason ominaisuudet.

ISA Ominaisuudet. ISA-taso määrittelee konekielen, mukaan lukien käskyjoukon, muistimallin, rekisterit ja tietotyypit. Se tarjoaa abstraktion taustalla olevasta laitteistosta, jolloin ohjelmoijat voivat kirjoittaa koodia ilman, että heidän tarvitsee tuntea mikroarkkitehtuurin yksityiskohtia.

Muistimallit. ISA määrittelee muistimallin, mukaan lukien sen, miten muistia osoitetaan ja järjestetään. Yleisiä muistimalleja ovat lineaarinen osoittaminen ja segmentoituminen.

Rekisterit. ISA määrittelee ohjelmoijille käytettävissä olevien rekisterien määrän ja tyypit. Rekistereitä käytetään tietojen ja osoitteiden tallentamiseen ohjelman suorituksen aikana.

Käskymuodot. ISA määrittelee konekäskyjen muodon, mukaan lukien op-koodin ja operandit. Käskymuodot voivat olla kiinteän tai vaihteleva pituuden omaavia.

10. Käyttöjärjestelmät hallitsevat virtuaalimuistia, I/O:ta ja rinnakkaista prosessointia.

Käyttöjärjestelmän koneen tason sijoittaminen.

Virtuaalimuisti. Käyttöjärjestelmät toteuttavat virtuaalimuistin, joka mahdollistaa prosessien pääsyn suurempaan muistiin kuin fyysisesti on saatavilla. Virtuaalimuisti käyttää tekniikoita, kuten sivutusta ja segmentointia, virtuaaliosoitteiden kartoittamiseksi fyysisiin osoitteisiin.

Virtuaaliset I/O-käskyt. Käyttöjärjestelmät tarjoavat virtuaalisia I/O-käskyjä, jotka mahdollistavat prosessien pääsyn I/O-laitteisiin laite-riippumattomalla tavalla. Tämä sisältää tiedostojen, hakemistojen ja laiteohjainten hallinnan.

Virtuaaliset Käskyt Rinnakkaiseen Prosessointiin. Käyttöjärjestelmät tarjoavat mekanismeja prosessien luomiseen ja synkronointiin, mahdollistaen rinnakkaisen prosessoinnin. Tämä sisältää prosessien luomisen, kilpailutilanteiden välttämisen ja prosessien synkronoinnin käyttämällä semaforeja.

Esimerkkejä Käyttöjärjestelmistä. UNIX ja Windows NT ovat kaksi laajasti käytettyä käyttöjärjestelmää, jotka tarjoavat näitä palveluja.

11. Kokoamiskieli tarjoaa ihmisen luettavan käyttöliittymän konekoodille.

Valikoima Pentium II:n kokonaislukuohjeita.

Kokoamiskielen Perusteet. Kokoamiskieli on matalan tason ohjelmointikieli, joka tarjoaa symbolisen esityksen konekoodista. Se käyttää mnemonisia merkkejä edustamaan käskyjä ja etikettejä edustamaan muistiosoitteita.

Kokoamiskielen Lauseet. Kokoamiskielen lauseet koostuvat tyypillisesti etiketistä, op-koodista ja operandeista. Pseudokäskyjä käytetään kokoamisprosessin ohjaamiseen.

Makrot. Makrot ovat tapa määritellä uudelleenkäytettäviä koodijaksoja kokoamiskielessä. Niitä voidaan käyttää ohjelmoinnin yksinkertaistamiseen ja koodin luettavuuden parantamiseen.

Kokoamisprosessi. Kokoamisprosessi sisältää kaksi vaihetta: ensimmäinen vaihe, joka rakentaa symbolitaulukon, ja toinen vaihe, joka tuottaa konekoodin.

12. Rinnakkaiset tietokonearkkitehtuurit käsittelevät suorituskykyä erilaisten viestintäm

Viimeksi päivitetty: April 7, 2025