1	581305-6 Tietokoneen toiminta (Computer Organization I) Teemu Kerola Helsingin yliopisto Tietojenkäsittelytieteen laitos Kevät 2007
2	Tietokoneen toiminta Kurssin aihepiiri ja tavoitteet Kurssin suoritusmuoto opintopiirityöskentely verkkokurssi Ttk-91 esimerkkitietokone Titokone simulaattori Titotrainer ympäristö Tietokoneen toiminta –kurssi vs. Tietokoneen rakenne –kurssi
3	Oppimistavoitteet Ymmärtää tietokonejärjestelmän keskeiset piirteet sillä suoritettavan ohjelman näkökulmasta Ymmärtää, miten tietokonejärjestelmä suorittaa sille annettua ohjelmaa Ymmärtää ohjelmakoodin/datan talletustavan ja sijainnin laitteistossa Ymmärtää ohjelman suoritusaikaisen esitysmuodon Ymmärtää käyttöjärjestelmän roolin ja perustoiminnot Tavoite on oppiminen, ei opintopisteet tai läpipääsy aloittakaa kurssikuulusteluun valmistautuminen nyt!
4	Mitä hyötyä tästä on? Ohjelman suoritusnopeus perustuu suorittimen (CPU) suorittamiin konekäskyihin eikä ohjelman korkean tason kielen (C, Pascal, Java) esitysmuotoon Ylemmän tason asioiden ymmärtäminen on helpompaa/mahdollista, kun ymmärtää alemman tason (ohjelman suoritus konekielen tasolla) asiat
5	Aihepiirien välisiä riippuvuuksia
6	Kurssien välisiä riippuvuuksia
7	TiTo (4 op), suoritusmuodot Opintopiireihin perustuva verkkokurssi aloitusluento, yhteenvetoluento verkkoluennot, oppikirjat, kertauskysymykset Titokone, TitoTrainer opintopiirissä harjoitustehtävät, keskustelutehtävät, projektit ryhmätapaamiset (ohjatut ja muut), verkkokeskustelut, chatit (vertaisopiskelijat, ohjaajat) kurssikuulustelu uusintakuulustelu vain kurssikuulustelusta hyvällä syyllä poissaolleille Erilliskuulustelu oppikirjoista [Stal06 ja Tane06] kurssikuvauksessa mainitut osat ohjelmointi ttk-91 symbolisella konekielellä Titokone, TitoTrainer
8	Opintopiirityöskentely Ryhmätyöskentelyn muoto ryhmässä on parempi opiskella kuin yksin vertaisopiskelijoiden tuki opintopiirit muodostetaan 1. viikon ryhmätapaamisessa Opiskelijakeskeinen oppiminen vastuu oppimisesta on opiskelijalla ohjaajat edistävät opiskelijan oppimista ohjaajat luovat puitteet oppimiselle Neljän tyyppistä ryhmätyötä harjoitustehtävien ratkaisu itsenäisesti ja niistä keskustelu ryhmässä keskustelutehtävien käsittely verkossa projektien työstäminen ryhmätyönä muu vapaamuotoinen yhteistyö
9	Opintopiirien muodostaminen Ehkä suurin ongelma opintopiiriperustaisessa kurssissa ”Jaska lupasi, mutta ei tehnyt eikä häneen saanut yhteyttä. Ja sitten Maija teki pääosan työstä. Tämä ei ole oikein! Vääryys!” Opintopiirit muodostetaan 1. viikon ryhmätapaamisessa opintopiirin tavoitteet (& lähtötaso) saisivat olla samansuuntaisia helppoa työelämässä: ”projekti saatava valmiiksi tai …” miettikää tavoitteitanne valmiiksi ennen ryhmätapaamista haluanko tehdä ylimääräisen projektin? onko tavoitteenani hyvä asioiden oppiminen vai läpipääsy? keskustelkaa ja sopikaa yhteisistä tavoitteista opintopiirin jäsenten kanssa ennen ryhmän muodostamista allekirjoittakaa lopulta ”Opintopiirisopimus” Pitäkää kiinni sovituista asioista ilmoittakaa heti opintopiirille, jos ette jatka työskentelyä siinä irtautukaa nopeasti opiskelijoista, jotka eivät noudata sopimusta
10	Verkkokurssi Merkittävä osa kurssin materiaalista ja toiminnoista verkossa tai verkon avulla verkkoluennot, kertauskysymykset, TitoTrainer tehtävät keskusteluryhmät, chatit (vertaisopiskelijat, ohjaajat) tiedotus, kalvokopiot, tehtävät, tulokset Verkkokurssi ≠ etäopiskelu aloitus- ja yhteenvetoluennot auditoriossa viikoittaiset opintopiirien ryhmätapaamiset TKTL’llä muut opintopiirin tapaamiset TKTL’llä osa kurssin osioista voidaan tehdä verkon avulla etäopiskeluna
11	Verkkoluennot Itseopiskelumateriaalia verkossa, luennot 2-11 kuten luennolla, mutta omaan tahtiin kuten kirja, mutta ääniä ja animaatioita materiaalin käytöstä ei pidetä kirjaa materiaalin käytöstä ei saa arvosanaan vaikuttavia pisteitä Materiaalin tuotanto Teemu Kerola 2004-2005 Macromedia Authorware -ohjelmistolla Käyttö selaimen liitospalikka Windows-ympäristössä TKTL, koti TKTL’n Linux-ympäristöissä Windows-palvelimella
12	Kertaustehtävät Kertaustehtävät itsearviointia tehdään vasta aihepiiriin perehtymisen jälkeen osaanko jo tämän asian? testaa vain osan aihepiiriä, ei takaa osaamista materiaalin käyttö ei vaikuta suoraan arvosanaan materiaalin käytöstä ei pidetä kirjaa materiaalin käytöstä ei saa arvosanaan vaikuttavia pisteitä
13	Harjoitustehtävät Kuten tavanomaiset laskuharjoitukset Oppiminen tapahtuu tehtäviä ratkaistaessa ja niistä keskusteltaessa opiskele aihepiirin asiat ennen tehtävien työstämistä itsenäisesti työstä tehtäviä itsenäisesti ennen niistä käytävää keskustelua valmiin vastauksen lukeminen tai toiselle antaminen on hyvän oppimistilaisuuden hukkaan heittämistä! Harjoitustehtävistä keskustellaan opintopiirin omassa palaverissa ennen ryhmätapaamista ryhmätapaamisessa ohjaajan läsnäollessa sillä tarkkuudella kun tarvitaan opintopiirit esittelevät ratkaisuja läsnäoleville Vaikuttavat arvosanaan tehdyistä tehtävistä saa harjoitustehtäväpisteitä (htp) vain ryhmätapaamisessa läsnäoleville
14	Ttk-91 esimerkkitietokone Auvo Häkkinen, 1991 Tietokoneen toiminta –kurssi 1991 Yksinkertainen tietokonearkkitehtuuri määrittelytaso juuri tälle kurssille sopiva Yksinkertainen (symbolinen) konekieli helppo oppia, ei liikaa konekäskyjä sopiva tämän kurssin tavoitteisiin Tavoitteet ymmärtää, minkälaista koodia suoritin käyttää ymmärtää, miten järjestelmä suorittaa ohjelmaa
15	Titokone Java-ohjelma, joka simuloi Auvo Häkkisen suunnittelemaa ttk-91 tietokonetta ja sen käyttöjärjestelmää toimii siis samalla tavalla kuin laitteistolla toteutettu ttk-91 kone ja sen käyttöjärjestelmä alkuperäinen suunnittelu ja toteutus Ohjelmistotuotantoprojekti Koski, kevät 2004 Sisältää ttk-91 symbolisen konekielen kääntäjän ttk-91 emulaattorin, joka suorittaa käännettyjä ttk-91 konekielisiä ohjelmia Ohjelmistonkehitysympäristö sisäänrakennettuna emulaattorissa animaattorin, joka visualisoi käskyjen suoritusta ttk-91 arkkitehtuurin laitteistossa graafisen käyttöliittymän
16	TitoTrainer Titokoneen “päälle” rakennettu ohjelmisto Toteutetaan Ttk-91 ohjelmia tai niiden osia Samoja ohjelmia voi myös ajaa Titokone’ella Vastauksen oikeellisuus tarkistetaan automaattisesti Vaikuttaa arvosanaan tehdyistä tehtävistä saa ylimääräisiä arvosanaan vaikuttavia pisteitä
17	Keskustelutehtävät Kuten tavanomaiset laskuharjoitustehtävät, mutta ne käsitellään opintopiirin sisäisessä verkkokeskustelussa Tavoitteena on oppiminen, joka saavutetaan keskustelulla oppiminen tapahtuu omia repliikkejä pohtiessa ja kirjoittaessa sekä toisten repliikkejä lukiessa Toteutetaan CSMoodlen opintopiirikohtaisilla keskusteluryhmillä keskusteluilla on ajallinen takaraja keskustelut taltioidaan ja ne ovat näkyvissä koko kurssin ajan Vaikuttavat arvosanaan ohjaaja arvostelee keskustelun käydyistä keskusteluista saa opiskelijakohtaisesti harjoitustehtäväpisteitä (htp)
18	Projektit Suurempia yhteistyötä vaativia projekteja uuden kertaustehtävän laadinta ohjelmiston suunnittelu tai artikkelin kirjoitus Tavoitteena syvällisempi oppiminen projektin aihepiiristä muut kurssin oppimisosiot taustatietoina verkkoluennot, oppikirjat, harjoitus- ja keskustelutehtävät Vaikuttavat arvosanaan ohjaaja arvostelee raportin perusteella projektipisteitä (pp) saa kolmesta eri osasta peruspisteet (3 pp) projektin saattamisesta loppuun (8 pp projektista) arvostelupisteet (1-5 pp) opintopiirin työn laadun mukaan osallistumispisteet (max ±2 pp) opiskelijan osallistumisen mukaan opintopiiri määrittelee jäsenten osallistumisasteen
19	Ylimääräinen projekti Vastaa oppimistavoitteeltaan kurssikokeen palautustilaisuutta palautustilaisuuteen ei ole osallistuttu, joten tenttejä ei ole käytetty oppimismenetelminä Arvioi ja reflektoi (mitä tehtiin, havaittiin, koettiin) kurssikuulustelua koko kurssia Vaikuttaa arvosanaan samalla tavalla kuin muutkin projektit pisteet täysin ylimääräisiä, kurssista voi saada erinomaisen arvosanan (5) myös ilman tätä projektia
20	Opintopiiriin perustuvan verkkokurssin suoritus Opiskele viikon asiat verkkoluennot itseopiskeluna opi perusasiat kunnolla luennolla lue oppikirjasta samat asiat vähän eri tavalla esitettynä Tarkista osaamisesi itsearvioinnilla tee kertaustehtäviä, harjoitustehtäviä, TitoTrainer-tehtäviä Osallistu opintopiirin toimintaan keskustele harjoitustehtävistä opintopiirin kanssa osallistu keskustelutehtävän keskusteluun verkossa osallistu ryhmätapaamiseen jatka projektityöskentelyä opintopiirikeskustelu kasvokkain tai verkossa Osallistu kurssikokeeseen tee ylimääräinen projekti opintopiirissäsi
21	Arviointi Itsearviointi kertaustehtävät joka luennon jälkeen eivät vaikuta arvosanaan Harjoitus-, keskustelu- ja TitoTrainer-tehtävien tekeminen viikoittain osaanko vai enkö? mitä vielä opittavaa ja miten sen opin? vaikuttavat arvosanaan Kurssikuulustelu tahdistaa oppimista kattaa kaikki kurssin tavoitteissa mainitut asiat asiat opittu itsenäisen työskentelyn ja opintopiirityöskentelyn avulla moninaisia oppimismenetelmiä käyttäen arvioi oppimista pääosa arvosanasta perustuu tähän läpipääsyleikkuri (50%) – ei uusintamahdollisuutta!
22	Arvostelu Hyvästä työstä palkitaan Ahkeruu-desta ja osaamisesta palkitaan Kurssin osioiden maksimi-pistemäärät
23	Oppimateriaali Luennot 0 ja 12 luentokalvojen pdf’t (verkossa) Luennot Torrent VCG –taltioina yliopiston palvelimella (verkossa) Authorware verkkoluennot 1-11 (verkossa) Oppikirjat Stallings: Computer Organization and Architecture, 7th Ed., 2006 Tanenbaum: Structured Computer Organization, 5th Ed, 2006 Kertaustehtävät (verkossa) Titokone simulaattori & TitoTrainer ympäristö (verkossa) Harjoitukset (verkossa) Keskustelutehtävät (verkossa) Projektit (verkossa) Aikataulusivu ja opintopiirityöskentelyn ohjeet (verkossa) CSMoodle keskusteluryhmät, chatit, projektien palautukset Kurssikuulustelu (tulokset verkkoon)
24	WWW Informaatio Kurssin kotisivu http://www.cs.helsinki.fi/Teemu.Kerola/tito/ Tämän kurssin aikataulu .../tito/k2007/aikataulu.html täältä löytyy kaikki tiedotus linkitettynä CSMoodle http://moodle.cs.helsinki.fi/ täältäkin löytyy kaikki tiedotus (aikataulusivu) linkitettynä TKTL-tunnus toimii myös CSMoodle-tunnuksena Osa materiaalista on TKTL Intranetissä verkkoluennot (Authorware) kertauskysymykset kurssin suoritustilastot (htp, pp, koepisteet) kaikki tarvitsevat TKTL tunnuksen sivuaineopiskelijoille tulee olla ensin Tietotekniikkaosaston UNIX-tunnus (eli cc-tunnus), haettuna oman pääainelaitoksen kautta
25	Kurssin sisältö Luento 0: Kurssin sisältö, rakenne ja suoritustapa Verkkoluento 1: Tietokonejärjestelmän rakenne Verkkoluento 2: TTK-91 -tietokone ja sen simulaattori Verkkoluento 3: Konekielinen ohjelmointi Verkkoluento 4: Aliohjelmien toteutus Verkkoluento 5: Suoritin ja väylä Verkkoluento 6: Tiedon esitysmuodot Verkkoluento 7: Tiedon muuttumattomuus ja muisti Verkkoluento 8: Ohjelman ja käyttöjärjestelmän toteutus Verkkoluento 9: Ulkoinen muisti ja I/O:n toteutus Verkkoluento 10: Käännös, linkitys ja lataus Verkkoluento 11: Tulkinta ja emulointi Luento 12: Yhteenveto
26
27	Suorittimen toteutushierarkia (2) Konekieliarkkitehtuuri ADD R1, R2 Moduulit adder, register, ALU Loogiset portit and, or Piirisuunnittelu virrankulutus, ajoitus, piuhojen sijoitus Toteutuslaitteisto elektroniputki, transistori, mikropiiri
28	Ohjelman suorituksen taso
29	Motto “Kunto ei nouse, jos ei tule hiki” (“It is not good exercise, if you do not sweat”) Ei tämä silti mikään maratoni ole! yhteensä n. 12 t / viikko (?) + kokeeseen valmistautuminen + koe yht. n. 80 t / 2 ov kurssi eli 2 työviikkoa yht. n. 107 t / 4 op kurssi