1	Luento 7 Tiedon esitysmuodot (jatk) Tiedon muuttumattomuuden tarkistus Järjestelmän sisäinen muisti Ohjelman esitysmuoto Rakenteellinen tieto Pariteetti Hamming-koodi Välimuisti Tavallinen muisti Muistien historiaa
2	Konekäskyjen esitysmuoto muistissa (4) Konekohtainen, jokaisella omansa Käskyt ovat 1 tai useamman tavun mittaisia SPARC, kaikki käskyt: 1 sana eli 4 tavua PowerPC, kaikki käskyt: 1 sana eli 4 tavua Pentium II: 1-16 tavua, paljon variaatioita Käskyillä on yksi tai useampi muoto, kussakin tietty määrä erilaisia kenttiä opcode, Ri, Rj, Rk, osoitusmoodi pitkä tai lyhyt vakio
3	TTK-91 konekäskyn rakenne Käskyn esitys bittitasolla on aina:
4	Konekäskyn operandit ja tulos Tulos: rekisteri Rj paitsi WRITE- tai PUSH-käskyissä muistipaikan sisältö Ensimmäinen operandi: rekisteri Rj Toinen operandi laske ensin arvo Ri+ADDR ja käytä sitä sellaisenaan tai käytä sitä muistisoitteena arvo: Ri + ADDR muistipaikan M[Ri+ADDR] sisältö muistipaikan M[ M[Ri+ADDR] ] sisältö
5	Taulukkojen esitysmuoto Peräkkäisrakenteena, kuten esimerkit aikaisemmin Riveittäin tai sarakeittain Ei omia konekäskyjä, manipulointi aliohjelmilla tai loopeilla (paitsi ns. vektorikoneet, joilla on omia konekäskyjä vektorioperaatioita varten) Indeksoitu tiedonosoitusmoodi tukee 1-ulotteisten taulukoiden käyttöä
6	Tietueiden esitysmuoto Peräkkäisrakenteena Osoite on jonkin osoitemuuttujan arvo Ei omia konekäskyjä, manipulointi aliohjelmilla tai kääntäjän generoimien vakiolisäysten avulla Indeksoitu tiedonosoitusmoodi tukee tietueiden käyttöä
7	Olioiden esitysmuoto Kuten tietueet, yleensä varattu keosta (heap) Useat olion kentistä sisältävät vuorostaan osoitteen keosta suoritusaikana varattuun toiseen olioon Metodit ovat aliohjelmien osoitteita Ei omia konekäskyjä, manipulointi aliohjelmilla
8
9	Tiedon tarkistus (4) Tiedon oikeellisuutta ei voi tarkistaa yleisessä tapauksessa Laitteistovirheitä voidaan havaita ja joskus automaattisesti korjata bitti voi muuttua muistissa tai tiedon siirrossa muistipiirissä voi olla vika (staattinen vika) sopiva alkeishiukkanen voi muuttaa bitin tiedonsiirron aikana (transientti virhe) korjaamattomasta virheestä voi aiheutua häiriö Tietokannan eheys on eri asia!
10	Tiedon muuttumattomuus (2) Perusidea: otetaan mukaan ylimääräisiä bittejä, joiden avulla virheitä voidaan havaita ja ehkä myös korjata Järjestelmä suorittaa tarkistukset automaattisesti joko laitteistotasolla tai ohjelmiston avulla
11	Esimerkki ohjelmistotason tarkistusmerkistä (2) Henkilötunnus: 120464-121C Tarkistusmerkin avulla voidaan tarkistaa, että mikään yksi merkki ei ole väärin havaitsee yhden merkin virheen virhettä ei voi automaattisesti korjata!! Miksi? välimerkkiä (’-’) ei tarkasteta lainkaan!
12	Bittitason tarkistukset (5) Muistipiirit, levyt, väylät, tiedonsiirrot Monenko bitin muuttuminen havaitaan? Monenko bitin muuttuminen voidaan automaattisesti korjata? Havaitsemiseen ja/tai korjaamiseen tarvitaan enemmän (ylimääräisiä) bittejä lisämuistitilan tai levytilan tarve? lisäpiuhojen tarve väylällä? Tarkistukset/korjaukset laitteisto- vai SW-tasolla?
13	Pariteettibitti (9) Yksi ylimääräinen bitti per tietoalkio sana, tavu, tietoliikennepaketti Parillinen (pariton) pariteetti: 1-bittien lukumäärä on aina parillinen (pariton) Havaitsee: 1 bitti Korjaa: 0 bittiä Esimerkki (parillinen pariteetti)
14	Hamming etäisyys (3) Montako bittiä jossain koodijärjestelmässä (esim ISO Latin) esitetyllä koodilla (esim. ´A’ = 0x41 = 0100 0001) täytyy muuttua, että se muuttuu johonkin toiseen (mihin tahansa) lailliseen koodiin. ISO Latin-1:n Hamming etäisyys: 1 Pariteettibitin kanssa Hamming etäisyys: 2 mikä todennäköisyys 2 bitin (vs. 1 bitin) virheeseen?
15	Hamming koodi (4)
16	Hamming koodi (9) Käytetään useampia pariteettibittejä Havaitsee: 2:n bitin muuttuminen Korjaa: 1 bitin muuttuminen
17	Virheen korjaava Hamming koodi (8)
18	CRC - Cyclic Redundancy Code (7) Tiedonsiirrossa käytetty tarkistusmenetelmä Tarkistussumma (16 bittiä) isolle tietojoukolle laske CRC = f (viesti) % 2¹⁶ (ota 16 viimeistä bittiä) lähetä viesti ja CRC vastaanota viesti ja CRC laske CRC ja tarkista, oliko se sama kuin viestissä jos pielessä, niin pyydä uudelleenlähetystä
19	Virheiden tarkistusmenetelmien käyttöalueet Mitä lähempänä suoritinta, sitä tärkeämpää tiedon oikeellisuus on Sisäinen väylä, muistiväylä virheet korjaava Hamming koodi Paikallisverkko uudelleenlähetyksen vaativa CRC kun tulee virheitä, niin niitä tulee yleensä paljon Hamming koodi ei riitä kuitenkaan pariteettibitti päästää läpi (esim.) 2 virheen paketit
20	Laitteiden monistaminen (6) Monta muistipiiriä, samat tiedot monistettu Monta suoritinta, samat käskyjen suoritukset monistettu Monta laitteistoa, samat ohjelmat monistettu Eri tyyppiset laitteistot, samankaltaiset ohjelmat samat speksit, samat syötteet, eri ohjelmoijat Äänestysmenettely: enemmistö voittaa monimutkainen, hidas? virheelliseksi havaittu laitteisto suljetaan pois häiriköimästä automaattisesti?
21
22	Välimuisti
23	Välimuisti (cache) (3) Ongelma: keskusmuisti on aika kaukana suorittimesta Ratkaisu: välimuisti lähelle suoritinta pidetään siellä (kopioita) viime aikoina viitatuista keskusmuistin alueista Jokainen muistiviite on nyt seuraavanlainen jos data ei ole välimuistissa, niin hae se sinne suoritin odottaa tällä aikaa, laitteistototeutus! tee viittaus dataan (käskyyn) välimuistissa (talleta muutettu tieto keskusmuistiin)
24	Välimuisti (6) Tuntumaton suorittimelle jos viitattu tieto ei saatavilla, niin suoritin vain odottaa muutaman kellopulssin ajan… Toteutettu usein nopeammalla teknologialla kuin keskusmuisti (tavallinen muisti) Toteutettu nykyään usein samalla mikropiirillä kuin suoritin Silti iso aikaero: välimuisti 2X, muisti 10X TTK-91 koneessa ei ole välimuistia
25
26	Muistin toteutus (6) Eri teknologioita eri tasoisiin muisteihin RAM - Random-Access Semiconductor Memory anna osoite ja lue/kirjoita signaali mistä vaan voi lukea/kirjoittaa samassa ajassa virta pois Þ tiedot häviävät
27	RAM:n kaksi eri teknologiaa (2) DRAM: dynaaminen RAM, halvempi, hitaampi, tietoja pitää virkistää vähän väliä (esim. joka 2 ms) tavallinen keskusmuisti (1975-..) useimmissa koneissa toteutettu kondensaattoreilla, jotka ”vuotavat” … SRAM: staattinen RAM, kalliimpi (~10-20x), nopeampi (~10x), ei vaadi tietojen virkistämistä välimuisti useimmissa koneissa muisti superkoneissa (esim. Cray C-90) toteutettu samanlaisilla logiikkaporteilla (gate) kuin prosessorikin CMOS valmistusteknologia (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
28	ROM teknologia (8) ROM - Read-Only Memory tieto säilyy virran katkettua voi käytössä vain lukea, ei voi kirjoittaa esim. järjestelmän alustustiedot (BIOS) kirjoitus lastun valmistusaikana, Mask-ROM huono puoli: kerran väärin, aina väärin päivitys: laita valmistajalta saatu uusi lastu paikalleen tietoa voi lukea mistä vain samassa ajassa (random access) yleensä hitaampi kuin RAM (~10x)
29	Kirjoitettavia ROM-muisteja (6) PROM - Programmable ROM kerran kirjoitettava tiedon päivitys: ”polta” tiedot tyhjään PROM:iin EPROM - Erasable PROM tietoja ei voi päivittää sana kerrallaan vanhat tiedot voidaan (kaikki!) poistaa 20 min. UV-säteilyllä, jonka jälkeen päivitetyt tiedot voidaan ladata EEPROM - Electronically Erasable PROM tietojen pyyhkiminen tavukohtaisesti elektronisesti FLASH EEPROM memory tietojen pyyhkiminen nopeasti kerralla elektronisesti normaalijännitteellä, kaikki tai lohko kerrallaan nopeampi kuin EEPROM
30
31	Muistien historiaa Kondensaattorirumpu 1939, ABC, Atanasoff-Berry Computer, Iowa State College. lähinnä laskin, ei toiminut kondensattorit pyörivän rummun pinnalla
32	Muistien historiaa Elektroniputki logiikka, muisti ENIAC, 1945 Electronic Numerical Integrator and Computer J.W. Mauchly, J.P. Eckert, J. von Neumann 18,000 elektr. putkea 70,000 vastusta 5 milj. juotettua liitosta tykinammusten ja pommien radanlaskenta
33	Muistien historiaa Akustinen elohopeaviiveputki kvartsikide muutti sähkövirran akustiseksi signaaliksi (ja päin vastoin) pietsosähköisen ilmiön avulla 1000 bittiä per 1.45m putki W. Shockley & J.P. Eckert, 1946 M. Wilkes, EDSAC – Electronic Delay Storage Automatic Calculator, 1949 Mauchly & Eckert, UNIVAC, 1951 (ens. kaupallinen tietokone USA:ssa)
34	Muistien historiaa Akustinen nikkeliviiveputki magneettikenttä aiheuttaa pituussuuntaisen muodon- muutoksen tankoon ja siten vääntöpulssin johtimeen vähän ajan päästä muutos tuntuu toisessa päässä ja aiheuttaa magneettikentän muutoksen siellä Hazeltine Electronic Corp, 1950? Elliot 401, 1953 Canon 141 laskin, 1969 Sony Sobax 2500, 1970
35	Muistien historiaa Williams Tube 1946, Williams & Kilburn katodisädeputki ensimmäinen suuri ”RAM” muisti kallis: $1000 / 1 kk / putki Small Scale Experimental Machine (”Baby”), 1947 Ferranti Mark I, ensimmäi- nen yleiskäyttöinen kaupal-linen tietokone, 1951 (10000 bitin muisti) akustisen viiveteknologian kilpailija
36	Muistien historiaa Ferriittirengas (core) teknologia 1952, Jay Forrester & Bob Everett, MIT (Whirlwind) tieto säilyy ilman virtaa ei häiriinny säteilystä (avaruus, sotilasteknologia) 1955, valtaa muistimarkkinat Williams Tube’lta
37	Muistien historiaa Transistori (nopea, kestävä) J. Bardeen, W.B. Shockley ja W. Brattain, ATT Bell Labs, 1948 Nobel 1956 MIT TX-0, 1957, ensimmäinen transistoroitu tietokone
38	Muistien historiaa Integroitu piiri (ei enää johtoja) Jack Kilby, Texas Instruments, 1958 Nobel 2000 ensimmäinen käsikäyttöinen laskin Robert Noyce, Fairchild Semiconductor, 1959 ”planar process” valmistusmenet. perusti Intelin G. Mooren kanssa IBM S/360, 1964
39	Muistien historiaa DRAM Robert Dennard, IBM, 1966 (US) National Medal of Technology 1988 Intel 1103 (1970) John Reed 1 Kbit valtaa markkinat ferriitti-rengasmuisteilta 1972 SRAM 1970, Fairchild Corp
40	Muistiteknologian historiaa (7)
41	Muistiteknologian käyttöhistoriaa
42	Muistien historiaa Välimuisti (1965, Maurice Wilkes) IBM S/360 Model 85 1968 256 lohkoa á 64 tavua
43	Muistien historiaa PROM ??? EPROM 1971, Dov Frohman, Intel 1701 EEPROM, 1980, Intel 2816 Flash EEPROM 1984, Fujio Masuoka, Toshiba
44	Muistien historiaa OROM - optical ROM 1990, James Russell (Russell keksi myös CD-ROM:n) 1998, Wond-OROM-a 128 MB/kortti plus lukulaite ei liikkuvia osia sama nopeus kuin CD-ROM:lla (siis aika hidas!) pieni virrankulutus sopii kannettaviin laitteisiin hävisi Flash-muisteille
45