Jakso 1: Laitteisto

3. Tietokoneen sisäinen elämä

Luulenpa että suurin osa harjaantuneistakin tietokoneen käyttäjistä tekee koneellaan sujuvasti töitä tajuamatta yhtään mitään biteistä, kiloista tai megahertseistä. Joillakin voi tosin olla jotain hajua siitä, mihin ne liittyvät mutta tuskin kovinkaan moni omaa tarkempaa tietoa termien alkuperästä ja merkityksestä. Vaikka näiden asioiden ymmärtäminen ei olekaan välttämätöntä tekstinkäsittelyn tai piirtämisen hallitsemiseksi, kuuluu muutamien peruskäsitteiden tunteminen osana atk-yleissivistykseen.

3.1 Kaikki on numeroita

Tietokone on oikeastaan hyvin yksinkertainen laite, sillä pohjimmiltaan se ymmärtää vain ja ainoastaan numeroita. Värit, kirjaimet ja hiiren liikuttelut täytyy jotenkin muuttaa numeeriseen muotoon, jotta se kykenisi niitä jotenkin käsittelemään. Kun kirjoitamme tekstiä, tietokone muuttaa syöttämämme kirjaimet numeroiksi: pientä a:ta vastaa luku 97, isoa 'B':tä 66, pientä s-kirjainta 115, pilkkua luku 44 ja niin edelleen.

Esimerkiksi sana kissa muodostuu viidestä numerosta seuraavalla tavalla:

k	i	s	s	a
107	105	115	115	97

Vastaavasti tietokoneen ruudulla oleva kuva koostuu joukosta pienen pieniä pisteitä, joista jokaisella on jokin väri. Tätä väriä tietokone kuvaa jälleen numerolla: olkoon musta 0, valkoinen 1, sininen 2 ja niin edelleen. Seuraavissa kuvissa näet, kuinka T-kirjainta vastaava merkki muodostetaan kuvaruudulle pienistä erivärisistä pisteistä ja millainen on tätä symbolia vastaava "värikartta" numeroina esitettynä.

Copyright: Tanya Linden & Mark Mackowiak©UMTC, 1996-1997

Merkki 't' kuvaruudun pisteinä

Copyright: Tanya Linden & Mark Mackowiak©UMTC, 1996-1997

Edellinen numeerisena esityksenä

Yleisesti laitteita jotka käyttävät toiminnassaan yksinomaan numeerista informaatiota kutsutaan digitaalisiksi (engl. digit = numero).

Digital

Seuraavaksi käydään bitin kimppuun. Vaikka suoranaisesti tämän käsitteen ymmärtäminen ei paranna kenenkään tietokoneen käyttötaitoja, auttaa se meitä myöhemmin käsittämään, miten tietokone toimii ja mitä tarkoittaa esimerkiksi 16-bittinen äänikortti. Tämän kappaleen jälkeen tiedät, mitä tarkoittaa kuvan bittisyys eli bittien lukumäärä, mihin se todellisuudessa vaikuttaa ja mitä merkitystä näillä asioilla ylipäätään on.

3.2 Pikkuinen bitti

Hyvin syvälle tietokoneen sisälle mentäessä emme oikeastaan löydä numeroita vaan mikroskooppisen pieniä sähköisiä komponentteja, jotka pystyvät varastoimaan sähköä. Sähkövarauksen sisältävä komponentti on varattu ja varaukseton vapaa. Yhtä hyvin voitaisiin ajatella tämän komponentin olevan pienen pieni sähkökytkin (vrt. valojen katkaisija). Kun sammutamme huoneesta valot, vaihdamme kytkimen asennon off-asentoon (ei sähkövarausta) ja päinvastoin.

Yhdellä tällaisella komponentilla voidaan siis ilmaista tietoa, jolla on tasan kaksi arvoa: päällä/pois, tosi/epätosi, musta tai valkoinen. Tätä pienen pientä tietoyksikköä kutsutaan bitiksi (engl. bit). Täällä ihmisten maailmassa tämän sähkökytkimen "päällä/pois"-tilojen symboleina käytetään ykköstä ja nollaa.

Bitti ja sitä vastaavia merkityksiä:

	totuusarvo	ääni	väri	merkki
0	tosi	pois	musta	'a'
1	epätosi	päällä	valkoinen	'b'

Jos esimerkkibittimme ohjaa vaikkapa äänitorven toimintaa, tarkoittaa 0 torven off-asentoa eli hiljaisuutta ja 1 meteliä. Tällä tavoin emme kuitenkaan voi mitenkään ilmaista äänen voimakkuutta: torvi joko soi tai sitten se on hiljaa. Käyttämällä kahta bittiä kerrallaan voimme ilmaista enemmän asioita (Huom! bittien järjestys lasketaan oikealta vasemmalle):

	2. bitti	1. bitti	lopputulos
00	ääni pois	hiljainen	hiljaisuus
01	ääni pois	voimakas	hiljaisuus
10	ääni päällä	hiljainen	hiljainen ääni
11	ääni päällä	voimakas	voimakas ääni

Bitti numero 2 (tuo tuossa vasemmalla) määrää, onko äänisignaali päällä vai ei. Bitti numero 1 (edellisen vieressä oikealla, se joka hymyilee) kuvastaa äänen voimakkuutta: 0=hiljainen ja 1=voimakas. Meillä on siis käytössä 3 eri äänen voimakkuusasetta (hiljaisuus mukaan luettuna), sillä kaksi ensimmäistä vaihtoehtoa ovat käytännössä samat: kun ääni on pois päältä niin äänen voimakkuudella ei ole merkitystä.

Kahdella bitillä saamme kumminkin aikaiseksi 4 erilaista nolla-yksi -kombinaatiota. Jos nyt järjestämme asiat hieman toisin ja pistämme bitit tiiviimpään yhteistyöhön, saamme kaikki 4 vaihtoehtoa hyödynnettyä. Tarkoituksena olisi saada aikaan kolme eri töräysvoimakkuutta ja sitten olisi vielä se hiljaisuuskin.

Binääriluku

binääri	desimaali	ääni	väri	merkki
00	0	pois	musta	'a'
01	1	hiljaa	valkoinen	'b'
10	2	keski	punainen	'c'
11	3	voimakas	sininen	'd'

Äänitorven "ääni pois/ääni päällä"- toimintoa ei nyt ohjaakaan enää yksi bitti yksinään vaan sen mykistämiseen tarvitaan molempia: vasta kun molemmat bitit ovat nollia (00), on torvi hiljaa. Jos bitti numero 1 (se hymyilevä oikealla) näyttää ykköstä ja toinen yhä nollaa (01), soi torvi hiljaisella voimakkuudella. Päinvastaisessa tilanteessa soitetaan keskivoimakkaasti (bitit 10). Ja kun molemmat näyttävät reippaasti ykköstä, soi torvi täysiä (11). Oleellista ei enää olekaan yhden yksittäisen bitin toiminta vaan se kombinaatio, jonka nämä kaksi bittiä yhdessä muodostavat. Yhdellä bitillä oli kaksi vaihtoehtoa. Toisen bitin lisäys kaksinkertaisti vaihtoehtojen määrän. Kolmella bitillä voimme ilmaista edelliset 4 kombinaatiota kahteen kertaan, ensin nollalla ja sitten ykkösellä varustettuna:

bin	des	väri	merkki
000	0	musta	'a'
001	1	valkoinen	'b'
010	2	punainen	'c'
011	3	sininen	'd'
---
100	4	vihreä	'e'
101	5	keltainen	'f'
110	6	oranssi	'g'
111	7	violetti	'h'

Neljällä bitillä voimme ilmaista 2*2*2*2=16 eri vaihtoehtoa ja viidellä jälleen kaksi kertaa enemmän eli 32 vaihtoehtoa. Jokaisen bitin lisäys kaksinkertaistaa vaihtoehtojen määrän. Lyhyesti sanottuna:

mitä enemmän bittejä sitä enemmän vaihtoehtoja

(värejä, erilaisia symboleja, äänenvoimakkuuksia, lukuja tms.).

16-bittinen näytönohjain tarkoittaa, että yhden pisteen värin ilmaisemiseen se voi käyttää maksimissaan 16 bittiä. Niiden avulla se voi määritellä yli 65.000 erilaista vaihtoehtoa - siis kymmeniä tuhansia eri värejä. Vastaavasti 8-bittisessä kuvassa jokaisen pisteen väri ilmaistaan kahdeksalla bitillä. Tällöin eri värejä on maksimissaan 256.

3.3 Bittiä suurempi tavu

Viiden bitin kokoisella tietoyksiköllä voi olla 32 erilaista arvoa. Jos tällä kertaa tietoyksikkö tulkitaan kirjoitetun tekstin yhdeksi merkiksi, saamme tuohon 32 vaihtoehtoon mahtumaan kaikki suomen kielen kirjaimet A:sta Ö:hön (ja tilaa jää vielä parille merkille, vaikkapa pisteelle, huuto- ja kysymysmerkille). Käytämme kumminkin sekä pieniä että suuria kirjaimia, joten merkkivalikoima täytyy kaksinkertaistaa (aakkosissa 29 kirjainta, 2*29=58). Lisäksi käytämme välimerkkejä, erikoismerkkejä (huutomerkki, matemaattiset symbolit *+-/=%, heittomerkit jne.) sekä kontrollimerkkejä (rivinvaihto ja tabulaattori eli sarkain). Yhteensä merkkejä tarvitaan vähintään toista sataa ja kun mukaan lasketaan muiden kielten erikoismerkit päästään lähelle lukua 150. Tarvitsemme siis tietoyksikön, jolla voidaan ilmaista yli 150 erilaista arvoa. Tähän ei kuusi eikä ihan seitsemänkään bittiä riitä (2⁷=128). Niinpä yleiseen käyttöön on vakiintunut 8 bitin mittainen tietoyksikkö.

Tätä tietoyksikköä kutsutaan tavuksi (engl. byte). Yksi tavu vastaa pistettä ruudulla tai yhtä merkkiä tekstissä. Yhtä hyvin se voi merkitä hyvin lyhyttä pätkää ääntä tai yhtä tietokoneen ymmärtämää komentoa (esim. kasvata lukua yhdellä). Tavu on 8 bitin mittainen binääriluku ja sillä voi olla 256 eri arvoa (erilaista nolla-yksi -kombinaatiota).

Siirry tekemään harjoitus #3.

Poikkeuksellisesti tämä harjoitus on eri sivulla.

Usein muistimääristä puhuttaessa käytetään termejä kilotavu (eng. kilobyte eli kB) ja megatavu (MB).

1 ktavu = noin 1000 tavua
1 megatavu = noin 1000 ktavua = 1.000.000 tavua

Yhdelle A4-arkille mahtuu vajaa 4000 merkkiä tekstiä eli 4 kilotavua. Yhteen megatavuun mahtuu miljoona merkkiä eli noin 250 arkillista tekstiä.

Extra: Kilotavu tarkemmin määriteltynä

Tavu sisältää riittävän määrän vaihtoehtoja kaikkien merkkien ilmaisemiseen mutta valokuvatarkkoihin kuviin se ei ole tarpeeksi. Ihmisen silmä pystyy erottamaan tuhansia eri värisävyjä, joten yhden pisteen värin ilmaisemiseen tarvitaan vähintään 14-bittiä (16.384 sävyä). 16-bittinen värisyvyys tarjoaa reilut 65.000 väriä. Tällöin värien ilmaisemiseen tarvitaankin jo 2 tavua.

Extra: 16 bittiä: 2 tavua

Tähän mennessä on käynyt selväksi, että tietokone käyttää toiminnassaan vain ja ainoastaan numeroita sekä miten nuo luvut tietokoneen sisällä oikein esitetään (kts. binääriluvut). Lisäksi kilotavun ja megatavun pitäisi olla nyt jotenkin tuttuja. Seuraavaksi käydään läpi vähän tarkemmin mistä osista tietokoneen keskusyksikkö koostuu, mitä ne tekevät ja miksi.

3.4 Prosessori suorittaa

Miten sitten tietokone osaa tehdä kaikki ne kummalliset toimenpiteet, jotka ovat mullistaneet maailman? Tietokoneen sisällähän kaikki on yksinkertaisesti vain numeroita - miten pelkillä numeroilla saadaan aikaiseksi hienoja graafisia tehosteita tai monimutkaisia laskutoimituksia?

Tietokoneen ydin ja tärkein komponentti on prosessori eli suoritin. Se on noin 2 x 2 cm:n kokoinen piisiru, joka sijaitsee keskusyksikön kotelon sisällä olevalla emolevyllä.

Emolevy ja prosessorin sijainti

Prosessori

Prosessorin sisällä on muutamia sähköä varastoivia komponentteja lukujen tallentamista varten. Näitä bittivarastoja kutsutaan rekistereiksi. Ne voitaisiin ajatella prosessorin omaksi sisäiseksi muistiksi.

Prosessori kykenee mikroskooppisten sähköpiiriensä avulla laskemaan rekistereissään olevia lukuja yhteen ja vertaamaan niitä toisiinsa. Kaikki hienoimmatkin tietokoneen suorittamat operaatiot koostuvat joukosta erittäin yksinkertaisia operaatioita (esim. nouda luku muistista, kerro se neljällä ja jos tulos on suurempi kuin 100 niin tallenna se muistiin).

Prosessorin suorittamia operaatioita kutsutaan konekäskyiksi ja prosessorin sisällä ne esitetään bittijonoina. Konekäskytkin ovat siis numeroita: esimerkiksi luku 43 vastaa vaikkapa kertolaskua, 44 vähennyslaskua, lukuarvo 60 vertailua "erisuuri-kuin", 61 "suurempi-kuin" ja niin edelleen.

Esimerkki: kertolasku 4 x 18 olisi desimaalilukuina 43 04 18 ja konekielellä (ts. binäärilukuina)

00101011	00000100	00010010
=43	=4	=18

Erityyppisillä prosessoreilla on erilainen tapa tulkita numeroita komennoiksi: prosessori tyyppiä A voi tulkita numeron 15 jakolaskuksi ja toisenlainen prosessori kahden luvun vertaamiseksi. Siksi yksinkertaisimmatkaan Macintosh- ohjelmat eivät toimi PC-tietokoneissa, sillä niiden prosessorit käyttävät eri konekieltä.

Prosessorin toimintatapa on yksinkertainen: RAM-muistista haetaan yksi komento, jonka jälkeen se suoritetaan. Tämän jälkeen muistista haetaan seuraava komento ja se suoritetaan. Tietokoneen suorittama ohjelma koostuu siis suuresta määrästä peräkkäisiä (ja yksinkertaisia) konekielikomentoja.

Prosessorin suorittama ohjelma sijaitsee siis RAM-muistissa, josta se komento kerrallaan noudetaan prosessorin suoritettavaksi. Samaista muistia käytetään myös ohjelman käyttäjän syöttämien tietojen varastoimiseen (esimerkiksi salasana tai osoitetiedot) sekä monimutkaisempien laskutoimitusten välitulosten tallentamiseen. Kaikki tapahtuu muistin välityksellä: se sisältää työtilan, ohjelman sekä tarvittavan datan.

Konekäskyjen noutoa ja suoritusta prosessori tekee hirvittävällä nopeudella, nykyisissä tietokoneissa satoja miljoonia kertoja sekunnissa. Prosessorin keskeinen ominaisuus kellotaajuus tarkoittaakin konekäskyjen suoritustiheyttä: 500 megahertsin taajuudella toimiva prosessori suorittaa 500 miljoonaa käskyä sekunnissa. Näin vinha bittien pyörittely lämmittää prosessoria melkoisesti ja siksi se tarvitseekin ylikuumenemisen estämiseksi oman tuulettimen.

Tietokoneen ihmeellisyys perustuu oikeastaan vain sen suunnattomaan nopeuteen. Sen tekemät lasku- ja vertailuoperaatiot ovat hyvin pieniä ja yksinkertaisia, mutta koska se pystyy tekemään niitä satoja miljoonia sekunnissa, lopputulos vaikuttaa hämmästyttävältä

Tietokoneiden valtavaa hyväksikäyttöä mikrotietokonemaailman ulkopuolella kuvastaa se, että vain 10 % kaikista valmistetuista suorittimista päätyy kotitietokoneisiin - loput sijoittuvat laskimiin, autoihin, videoihin, kameroihin ja aparaatteihin.

Seuraavat ekstraosiot sisältävät hyvin teknistä tietoa prosessorin toiminnasta sekä jonkin verran konekieliohjelmoinnin alkeita. Ne on tarkoitettu vain niille, jotka todella haluavat kiusata päätään bitin viilauksella ja numeroiden pyörittämisellä. Jos kurssimateriaali on tähän mennessä tuntunut yhtään hankalalta niin ei ehkä kannata tutustua näihin. Voit siis huoleti siirtyä suoraan seuraavaan lukuun "Työmuisti eli RAM".

3.5 Työmuisti eli RAM

Prosessori hakee konekäskyt RAM-muistista, joka sijaitsee emolevyllä olevissa muistipiireissä.

Puhekielessä niitä kutsutaan muistikammoiksi niiden hiuskampaa muistuttavien kiinnitysantureiden vuoksi. Piirit sisältävät melkoisen määrän alussa mainittuja sähköä varaavia komponentteja, joista jokainen kykenee varastoimaan sähkövarauksena yhden bitin - kahdeksan komponentin rykelmällä voidaan tallentaa siis yksi tavu. Nykyään kaupassa myytävät muistipiirit ovat kapasiteetiltaan 32, 64 tai 128 megatavua.

Nippelitietoa: Mistä termi RAM?

Harjoitus #4:

Tämän tehtävän tarkoitus on ainoastaan havainnollistaa koneesi muistin määrää. Samalla opit erään reitin etsiä tietoa siitä, mitä tietokoneesi oikein pitää sisällään. Harjoituksen tekemiseksi sinun pitäisi tehdä pieni laskutoimitus: AARGH!!! Ei, turha ottaa vielä pulttia: lasku ei ole hankala ja voit käyttää apuna vaikka Windowsin laskinta. Ratkaisu löytyy tehtävän lopusta linkin takaa, sitä ei siis tarvitse palauttaa. Voit myös luntata vastauksen, jos laskutoimitusten tekeminen aiheuttaa ihottumaa tai on muutoin liian epämiellyttävää. Tehtävän tehtyäsi voit jatkaa eteenpäin seuraavaan lukuun tutustumaan välimuistiin.

Ohje:

Ota selvää kuinka paljon koneessasi on muistia. Se selviää mm. kaksoisklikkaamalla "Oma tietokone" -kuvaketta Alt-näppäimen ollessa pohjassa. Järjestelmän ominaisuudet -ikkuna koostuu kolmesta välilehdestä:

"Yleiset"-välilehdessä (General) nähdään käyttöjärjestelmän tyyppi ja versionumero, rekisteröity käyttäjä sekä prosessorityyppi ja RAM-muistin määrä. Muihin välilehtiin tutustumme myöhemmin tässä kurssissa - ne voit jättää toistaiseksi rauhaan.

Vinkki: Voit tarvita Windowsin versionumeroa silloin kun soitat johonkin atk-tukipalvelunumeroon kysyäksesi ratkaisua ongelmaan esim. jos jokin ostamasi ohjelma ei asennu tai toimi kunnolla. Vaikka käyttäjälle Windowsin eri versiot näyttävät samoilta, ovat ne ohjelmien toiminnan kannalta hyvinkin erilaisia. Vanhempia versioita voi päivittää uudemmaksi lataamalla Microsoftin kotisivuilta suurehkon päivityspaketin ja asentamalla sen koneeseensa. Samoilta sivuilta voi myös ladata Euro-päivityksen, jonka jälkeen tietokoneessa voi käyttää uuden euro-valuutan tunnusta.

Jos yhdelle A4-arkille mahtuu noin 4.000 merkkiä, niin kuinka monta arkillista mahtuu tietokoneesi muistiin (megatavu oli siis miljoona merkkiä)? Kuinka paksu pino siitä syntyy, jos yhden senttimetrin pinoon menee noin 70 arkkia? Jos haluat laskea tarkasti niin muista, että mega on 1024 x 1024 eli vähän yli miljoona. Voit toki käyttää tasalukuakin, ei tässä nyt niin tarkkoja tarvitse olla.

Vastaus

3.6 Välimuisti

Kuten aikaisemmin on käynyt ilmi prosessori hakee konekäskyjä ja lukuja muistista. Tämä tapahtuu sitä nopeammin mitä lähempänä haettava tieto on prosessoria. Tietokoneiden nopeuttamiseksi muistin ja prosessorin väliin sijoitetaan välimuisti (engl. cache, jargoniksi kassi), joka on tavallista RAM-muistia nopeampaa. Sitä ei kuitenkaan kannata lisätä ylettömiä määriä, sillä se on melkoisen kallista eikä (hämmästyttävää kyllä) yli 500 ktavun ylittävä osuus enää nopeuta konetta lainkaan. Väimuisti nopeuttaa koneen toimintaa noin 10%.