Teemu Kerola
TIETOKONEEN TOIMINTA (COMPUTER ORGANIZATION I)
Tietokoneen ja sen käyttöjärjestelmän toiminta pääasiassa yhden ohjelman suorituksen näkökulmasta.
(Computer and OS operation)
Kurssilla perehdytään tietokoneohjelman suoritukseen, tietokonelaitteiston komponentteihin sekä laitteiston ja käyttöjärjestelmän luomaan ohjelman suoritusympäristöön.
Syksyn monimuotokurssi sisältää normaaleja luentoja, valinnaisia verkkoluentoja, harjoitustehtäviä ja Tito-Trainer tehtävien tekemistä sekä Tito-pajassa että itsenäisesti. Kurssilla on luentojen aikana neljä minikoetta, joista minikoe 3 käsittelee konekielistä ohjelmointia.
Kevään itseopiskelukurssi tapahtuu pääsääntöisesti itsenäisellä opiskelulla, vaikka kurssiin sisältyy aloitusluento ja viikottaiset harjoitustilaisuudet. Itsenäinen opiskelu tehdään oppikirjan, verkkoluentojen ja TitoTrainerin avulla.
Esitiedot: Ohjelmoinnin perusteet.
Kurssikirja: Stallings W., Computer Organization and Architecture (10th ed.), Pearson, 2016.
--
Course introduces how computer programs are executed in hardware, what components a computer system includes, and what is the program execution environment created by hardware and operating system.
Autumn course contains normal lectures, elective web-lectures, home works, as well as practicing assembly language programming in Tito-paja and independently with TitoTrainer. The course has four mini exams during lectures, of which mini exam 3 covers assembly language programming.
Spring course is similar but it does not have normal lectures (except the starting lecture).
Preliminary courses: Introduction to Programming.
Text book: Stallings W., Computer Organization and Architecture (10th ed.), Pearson, 2016.
Viestit
Aikataulu
Materiaalit
KIRJALLISUUS JA MATERIAALIT (LITERATURE AND MATERIALS)
William Stallings, Computer Organization and Architecture (10th ed.), Prentice Hall, 2016.
Kirjan aikaisemmat versiot (8th ed., 2010 tai 9th ed, 2013) sopivat myös hyvin käytettäväksi.
E-kirja, Helka (https://helka.finna.fi)
Vuokraa oma verkkokirja: VitalSource £26.64-37.00 (https://www.vitalsource.com, 7.9.2017)
Andrew S. Tanenbaum & Todd Austin, Structured Computer Organization, 6th ed, Pearson, 2013. Luku 4.2.
Kirjan aikaisempi versio (Tanenbaum, 5th ed., 2010) sopii myös hyvin käytettäväksi.
(Ei tarvitse hankkia, ks. verkkoluennot ja luentomateriaali)
Verkkoluennot: Itseopiskeluun suunniteltu verkkomateriaali, jonka läpikäynti muistuttaa luennolla olemista. Verkkoluennot flash ja pdf-muodossa
Titokone: Ohjelmisto, jonka avulla voidaan kääntää ja suorittaa symbolisella konekielellä kirjoitettuja ohjelmia opetuskäyttöä varten suunnitellulle tietokoneelle. Ohjelmistoon sisältyy ohjelmistonkehitysympäristö, suorituksen simulaattori ja suorituksen animaattori.
TitoTrainer: Ohjelmisto, jonka avulla voidaan automaattisesti tarkistaa tehtäväksi annettujen Titokone-ohjelmien oikeellisuus.
Kurssilla on IRC-kanava #tito ja Telegram-ryhmä tkt-tito. Nämä on tarkoitettu opiskelijoiden vertaistuen foorumeiksi.
Luentomateriaalit
Muu
Kurssin suorittaminen
(Info in English at the end)
YLEISTÄ
Kurssilla käytetään monimuotoisia oppimistapoja. Luentojen asiasisältö on myös verkkoluentoina (Authorware, flash, pdf), joita opiskelijat voivat käydä läpi tavanomaisten luentojen rinnalla. Tavanomaiset luennot ovat kertaus- ja yhteenvetoluentoja, joissa opiskelijoiden otaksutaan perehtyneen aihepiiriin etukäteen verkkoluentojen ja oppikirjan avulla.
Kurssiviikolla 1 ei ole harjoituksia. Kurssiviikoilla 2-7 on harjoitukset salissa. Lisäksi kurssiviikoilla 5-6 voi olla konekielisen ohjelmoinnin ohjausta Tito-pajassa.
Kurssin harjoitusryhmät (11.10.2018) ovat
ti 9-11 Maria Efimova (ryhmä 2, Exact C222, Also in Engl)
ti 14-16 Harri Kähkönen (ryhmä 5, Exact B222)
to 10-12 Harri Kähkönen (ryhmä 7, Exact D123)
to 12-14 Maria Efimova (ryhmä 4, Phys E207)
pe 10-12 Maria Efimova (ryhmä 1, Exact C222)
pe 12-14 Harri Kähkönen (ryhmä 6, Exact D123)
pe 14-16 Maria Efimova (ryhmä 3, Exact B222)
HARJOITUKSET
Kotitehtävät tehdään itsenäisesti tai oman opintopiirin (kavereiden) kanssa yhdessä.
Oman työn ja opintopiirityöskentelyn voi yhdistää tehokkaasti siten, että kukin pohtii ensin tehtävät läpi itsenäisesti ja sitten niitä puidaan yhdessä opintopiirissä. Jokaisen tulisi oppia tehtävien asiat täydellisesti, mielellään jo ennen tehtävien käsittelyä viikoittaisessa ryhmätapaamisessa.
Harjoitustilaisuuksissa tehtävät käydään tehtäväkohtaisesti läpi opiskelijavetoisesti keskustellen. Ohjaaja jakaa opiskelijat harjoitustilaisuudessa pöytäkuntiin, joihin pyritään saamaan kuhunkin tehtävään ainakin yksi sen tehtävän ratkaissut opiskelija. Pöydissä voi otaksua, että opiskelijat ovat tutustuneet tehtäviin etukäteen ja ainakin yrittäneet ratkaista niitä. Jos opiskelija ei ole tutustunut tehtäviin etukäteen, hän ei pysty hyödyntämään harjoitustilaisuutta kunnolla. Harjoitustilaisuuden aika ei riitä kaikkien tehtävien huolelliseen läpikäyntiin, ellei tehtäviin ole perehdytty etukäteen. Tilaisuuden ohjaaja toimii konsulttina kaikille pöytäkunnille.
Englanninkielisessä ryhmässä pöytäkeskustelut ovat joko suomeksi tai englanniksi, mutta yhteiskeskustelut englanniksi (jos suomen kieltä osaamattomia on paikalla).
Harjoitustehtävistä annetaan harjoitustilaisuudessa oikeat ratkaisut sillä tarkkuudella, että pöytäkunnat voivat itse tarkistaa tekemiensä ratkaisujen oikeellisuuden. Oikeat ratkaisut tulevat myös verkkoon seuraavalla viikolla. Lopuksi käydään yhdessä läpi yksi tai vaikkapa kaikki tehtävien ratkaisut. Kaikki ovat paikalla tilaisuuden loppuun asti.
On erityisen opettavaista ja omaa oppimista tukevaa selittää asioita jollekin toiselle, joka myös on työskennellyt tehtävän ratkaisemiseksi. Muiden opiskelijoiden auttaminen hyödyntää kumpaakin osapuolta ja yleensä opastajaa enemmän. Älkää kuitenkaan pilatko harjoitustehtävän hyötyä toiselle antamalla sen vastausta suoraan. Eihän siitä juurikaan kostu kumpikaan. Hyvää oppimista saa aikaan vuorottelemalla (a) omaa opiskelua, (b) ongelmien ratkaisuja ja (c) keskusteluja ongelmista ja niiden ratkaisuista muiden opiskelijoiden kanssa.
Harjoitustehtävien tavoitteena on oppiminen, ei pinnojen kalastelu kurssin läpäisemiseksi tai paremman arvosanan saamiseksi. Oppiminen tapahtuu nimenomaan silloin, kun ajattelee ja tekee itse merkittävän osan ongelman ratkaisua sekä keskustelee ratkaisustaan ja ratkaisumenetelmästään muiden kanssa. Valmiiden vastausten lukemisella ei opi yhtä hyvin. Samanlaisia esimerkkejä on luennoilla ja kirjoissa, joten harjoitustehtävien valmiiden ratkaisujen käyttö pelkästään luettavina esimerkkeinä on oppimisen kannalta hyvien harjoitustehtävien hukkaan heittämistä.
Tehtävistä saa harjoitustehtäväpisteitä (htp) niiden vaativuuden mukaan, mutta vain tehdyistä tehtävistä ja vain harjoitustilaisuudessa koko ajan läsnäolleille. Harjoitustehtäväpisteet skaalataan lineaarisesti arvosanapisteiksi siten, että noin 5/6 (83%) max htp:stä saa maksimimäärän arvosanapisteitä.
KURSSIN SUORITUS
Kurssi suoritetaan osallistumalla aktiivisesti luennoille ja harjoituksiin sekä tekemällä ohjelmointitehtäviä Tito-pajassa ja itsenäisesti. Kurssilla edellytetään opiskelijalta oma-aloitteisuutta ja aikatauluttamista, jotta oppiminen tahdistuu viikkoaikataulun mukaisesti.
Luentojen yhteydessä (luentoaikana) järjestetään neljä suppeata (45 min,12 p) minikoetta, joiden koealue on koetta edeltävät luennot ja harjoitukset. Kaikki minikokeet voi uusia uusintakokeessa, joka on kurssin jälkeen seuraava erilliskoe.
Konekielistä ohjelmointia opiskellaan harjoituksissa, Tito-pajassa ja itsenäisesti TitoTrainer-ohjelmiston avulla. Konekielisen ohjelmoinnin osaaminen tentitään minikokeessa 3.
Kurssin arvosanaan vaikuttavat kokeiden (48 p) lisäksi harjoitustehtävien telkeminen ja harjoituksiin osallistuminen kurssiviikoilla 2-7 (12 p). Kurssin läpipääsyyn vaaditaan kokeista vähintään 24/48 pistettä ja yhteensä vähintään 30/60 pistettä.
Kurssikirjanpidossa (Tikli) on paikka kuudelle (6) harjoituskerralle (Harjoitukset) ja neljälle minikokeelle (Kokeet). Tarkistakaa aina aika ajoin, että omat pisteenne on kirjattu oikein.
==============================================================
INFORMATION FOR INTERNATIONAL STUDENTS
If you want to study the course in English, please contact the lecturer.
The information in English relating to this lecture course is given on these pages within the Finnish guidance. It is in a very concise form. If you have any questions, please contact the instructor.
GENERAL
The course uses many learning methods. Basic topics are also covered in web lectures, which students can use instead or in addition to normal lectures. Only web lectures 1-4 are in English. There is good text book in English.
Course week 1 has no practice sessions, Course weeks 2-7 have normal practice sessions. There may be also Tito-paja guidance for assembly language programming in course weeks 4-5.
Practice session times (11.10.2018) are
Tue 9-11 Maria Efimova (Exact C222, Also in English)
Tue 14-16 Harri Kähkönen (Exact B222)
Thu 10-12 Harri Kähkönen (Exact D123)
Thu 12-14 Maria Efimova (Phys E207)
Fri 10-12 Maria Efimova (Exact C222)
Fri 12-14 Harri Kähkönen (Exact D123)
Fri 14-16 Maria Efimova (Exact B222)
PRACTICE SESSIONS
Homeworks can be done alone or with your study circle (friends).
In homework sessions all problems are first discussed in each table. In this discussion you may assume that all students are familiar with problems and have at least tried to solve them. If you are not familiar with the problems in advance, you will not gain so much in the practice session as there is no time to cover each problem at that detail. The instructor present will consult each table as needed.
In the "also in English" practice session the table discussions are in English or Finnish, but common discussion is in English. Please sign up to that practice session group.
At the end of the practice session the instruction will give out model solutions, and there can be common discussion one some or all homework solutions. The model solutions will be collected back, but they will be available in the web the next week.
It is very helpful for your own learning to discuss and explain homework solutions to some other student, who has also worked on the same problem. Usually the student explaining the solution learns more than the student receiving help. However, please do not give other students your complete answer directly. They do not learn much from that. Good learning is achieved by alternating (a) your own studying, (b) solving practice problems, and (c) discussing problems and their various solutions with other students.
The goal of the homeworks is learning, not just getting points to pass the course or to get a better grade. Learning happens best when think about the problem, try to solve it your self, and then discuss your solution with other students. There are plenty of similar examples in lectures and text books. Using a homework problem solution only as readable example is a waste of good learning opportunity and a waste of a homework problem.
You will gain homework points from the practice session, but only for the problems you have done and only if you are present. You gain homework points (hwp) from the home works, based on how much work they involve. Those hwp's are then mapped to course points affecting your grade, so that some 5/6 (83%) of maximum hwp's gives you maximum points towards your grade.
COURSE COMPONENTS
Course is done by participating actively the lectures (or web lectures), reading the text book, doing homeworks and discussing them in the practice sessions, and learning ttk-91 programming in workshops and independently. You need to show own initiative and scheduling, so that your learning happens according to the weekly schedule.
During the (Finnish) lectures there are four small (45 min, 12 p) mini exams (also in English) covering topics in preceding lectures and homeworks. All mini exam can be redone in the replacement exam, which is the 1st separate exam following this course. Basic principle is, that each exam can be taken twice and the best result is used.
Students practice (symbolic) machine language programming in homeworks, Tito (ttk-91) workshops and independently with TitoTrainer environment. Mini exam 3 covers assembly language programming.
Course grade is based on mini exams (48 p) and homework sessions participation in course weeks 2-7 (12 p). To pass, you need at least 24/48 points from the exams, and at least 30/60 points overall.
Course bookkeeping (Tikli) has a place for six homework sessions (Exercises) and four mini exams (Exams). Please check every now and then, that your points are correctly marked.
Kuvaus
Tietojenkäsittelytieteen perusopintojen pakollinen opintojakso. Avoin kaikkien koulutusohjelmien opiskelijoille.
On suositeltavaa, että opiskelija osaa ohjelmoida korkean tason kielellä ennen kurssille osallistumista. Esimerkiksi kurssi Ohjelmoinnin perusteet antaa riittävät esitiedot.
Kurssit Tietokoneen rakenne, Tietoliikenteen perusteet ja Käyttöjärjestelmät.
Opintojakson suoritettuaan opiskelija
- Osaa selittää laitteistokomponenttien väliset suuret nopeuserot ja niiden vaikutukset järjestelmään.
- Osaa selittää prosessorin toiminnan (suoritussykli) konekäskyjen suorittajana.
- Osaa selittää väylä- ja muistihierarkian perusajatukset.
- Osaa selittää välimuistin ja virtuaalimuistin toiminnan perusteet.
- Osaa selittää prosessorin erilaiset suoritustilat ja erityisesti etuoikeutetun suoritustilan tarkoituksen.
- Osaa selittää, milloin ja miten prosessorin suoritustila vaihtuu.
- Osaa selittää keskeytysten merkityksen ja toteutuksen konekäskyjen suorituksen tasolla.
- Osaa selittää keskeytysjärjestelmän toiminnan.
- Osaa toteuttaa globaalien muuttujat, vakiot, tietueet ja yksinkertaiset taulukot ja selittää niiden tilanvarauksien toteutuksen käännöksen, latauksen tai suorituksen aikana.
- Osaa ohjelmoida valinta- ja toistorakenteet sekä toteuttaa aliohjelmien kutsut.
- Osaa selittää kokonais- ja liukulukujen esitysmuodot sekä merkkien ja merkkijonojen tallennuksen periaatteet.
- Osaa muuttaa kokonaislukujen esitysmuodot 2-, 8-, 16- ja 10-järjestelmien välillä.
- Osaa toteuttaa tietueiden, olioiden ja moniulotteisten taulukoiden (eri tavoin talletettuna) tilanvaraukset ja niihin viittaamisen.
- Osaa selittää globaalien ja paikallisten tietorakenteiden erot tilanvarauksessa ja niihin viittaamisessa ja osaa käyttää aktivointitietueita ja aktivointitietuepinoa (rekursiivisten) aliohjelmien toteutuksessa.
- Osaa selittää karkealla tasolla, kuinka (liikkuvat) kuvat ja äänet esitetään laitteistossa ja osaa selittää ja ottaa huomioon liukulukujen tarkkuuden muutokset laskennan aikana.
- Osaa käyttää tiedon muuttumattomuuden suojauksen perusmenetelmiä (pariteettibitti, Hamming-koodi).
- Osaa selittää prosessin käsitteen ja sen esitysmuodon käyttöjärjestelmässä sekä prosessin erilaiset tilat ja niiden väliset tilasiirtymät.
- Osaa selittää, milloin ja miten suorituksessa oleva prosessi vaihtuu.
- Osaa luetella käyttöjärjestelmän perustoiminnot (prosessien, muistin, tiedostojen, laitteiden ja verkon hallinta).
- Osaa selittää käännöksen, linkityksen ja latauksen perusideat.
- Osaa selittää käyttöjärjestelmän tavoitteet ja perustoiminnot sekä käyttäjän näkökulmasta että käyttöjärjestelmän ylläpitäjän näkökulmasta. Osaa selittää käyttöjärjestelmäpalvelujen toteutusmekanismin erilaisten (etuoikeutettujen) aliohjelmien tai prosessien avulla. Osaa selittää staattisen ja dynaamisen linkityksen edut ja haitat.
- Osaa selittää käyttöjärjestelmän laitteistorajapinnan toteutuksen laiteajurien ja keskeytyskäsittelijöiden avulla. Osaa selittää tiedostopalvelimen ja tiedostovälimuistin perusidean.
- Osaa selittää levymuistin rakenteen ja toiminnan sekä laskea levymuistiin talletetun tiedoston saantiajan.
- Osaa luokitella erilaiset I/O-menetelmät.
- Osaa selittää Java-ohjelmien erilaiset suoritustavat ja niiden eroavaisuudet.
- Osaa selittää Java-virtuaalikoneen (JVM) perusrakenteen ja toiminnan sekä valita tiettyyn sovellukseen sopivan Java-ohjelmien suoritustavan. Osaa selittää JIT-kääntämisen perusidean.
Ensimmäisen opiskeluvuoden kevät, ensimmäisen ohjelmointikurssin jälkeen
Järjestetään syyslukukaudella periodissa 2 normaalina luentokurssina ja kevätlukukaudella ohjattuna itseopiskelukurssina
- Tietokonejärjestelmän rakenne
- TTK-91 -tietokone ja sen simulaattori, konekielinen ohjelmointi, aliohjelmien toteutus
- Suoritin ja väylä, tiedon esitysmuodot, tiedon muuttumattomuus ja muisti
- Ohjelman ja käyttöjärjestelmän toteutus, ulkoinen muisti ja I/O:n toteutus
- Käännös, linkitys ja lataus, tulkinta ja emulointi
- William Stallings, Computer Organization and Architecture (10th ed.), Prentice Hall, 2016.
- Andrew S. Tanenbaum & Todd Austin, Structured Computer Organization, 6th ed, Pearson, 2013.
- Stallings’in kirja olisi hyvä olla käytettävissä, mutta Tanenbaumin kirjaa ei kannata tätä kurssia varten hankkia.
- Oppikirjojen uudempia painoksia voidaan ottaa käyttöön heti niiden julkaisun jälkeen.
- Verkkoluentoja (Teemu Kerola, 2005) voi käyttää tavanomaisten luentojen tukena tai asemesta.
- Titokone ja TitoTrainer -ohjelmistojen käyttö on välttämätöntä konekielisen ohjelmoinnin oppimiseksi.
Opiskelija: luennot ja niissä tapahtuva pienryhmäkeskustelu, verkkoluennot, itsenäisesti tehtävät harjoitustehtävät ja niiden yhdessä läpikäynti harjoituksissa, pajaohjaus konekielen ohjelmointiin Titokone-ohjelmiston avulla, itsenäinen konekielen ohjelmoinnin harjoittelu TitoTrainer-ohjelmiston avulla ja minikokeet.
Opettaja ja ohjaajat: luentomateriaalin laadinta, luennot, minikokeiden valvonta, harjoitustehtävät ja niiden ratkaisut, harjoitustilaisuuksien ohjaus, koetehtävien ja niiden ratkaisut, kokeiden arviointi, assistenttien valvonta, verkkotiedotuksen ylläpito, kurssisuoritteiden kirjaus, kurssin arviointi.
Kurssin arviointi perustuu kokeissa osaamiseen, harjoitustehtävien tekemiseen ja niiden ratkaisuista keskustelemiseen harjoitustilaisuuksissa. Kurssi arvioidaan asteikolla 0-5.
Luentokurssi sisältää luentoja, harjoitustilaisuuksia, kokeita sekä itsenäistä ja ohjattua ohjelmistojen käyttöä. Harjoitustilaisuuksissa ja kokeissa on oltava läsnä. Kurssi suoritetaan neljällä minikokeella luentojen yhteydessä ja osallistumalla harjoituksiin.
Ohjatulla itseopiskelukurssilla luentojen asemesta on verkkoluentoja. Muutoin sisältö on sama kuin luentokurssilla. Harjoituksissa ja kokeissa on oltava läsnä, mutta muutoin kurssin voi suorittaa etänä.
Erilliskokeella suoritettuna kurssin arvosana perustuu ainoastaan kokeeseen.