8.1 Maskinvare og datamaskinens oppbygning

Programvare er instruksjonene maskinvaren utfører: operativsystemet, nettleseren, Python-programmet du skriver.

Skillet er ikke helt skarpt — noen instruksjoner ligger permanent lagret i en brikke og kalles da fastvare (engelsk firmware) — men på eksamen holder hovedregelen: kan du miste det i gulvet, er det maskinvare.

En transistor er en elektronisk bryter uten bevegelige deler. Den slipper strøm gjennom eller stenger den av, styrt av et elektrisk signal på en tredje kontakt.

Transistoren er den minste byggesteinen i all moderne datamaskin-maskinvare. Én transistor er én bryter; en av/på-bryter er ett bit. Alt annet — regning, minne, logikk — er bygd av mange slike brytere koblet sammen.

Transistoren ble tatt i bruk fra slutten av 1940-tallet og erstattet vakuumrøret.

Bryteren som ble brukt i de aller første elektroniske datamaskinene, før transistoren. Et vakuumrør er en glasskolbe der strømmen styres gjennom lufttomt rom.

Rørene virket, men de var store som en lyspære, ble glovarme, brukte mye strøm og brant ut ofte. Derfor kunne de tidligste maskinene bare ha noen tusen brytere — og de fylte et helt rom.

På eksamen brukes vakuumrøret nesten alltid som kontrasten til transistoren: samme jobb, men langt større, varmere og mer upålitelig.

En integrert krets er mange transistorer laget samtidig på én sammenhengende plate av silisium, med ledningene mellom dem innebygd.

Poenget er ikke bare at det blir lite. Fordi transistorene og ledningene lages i samme arbeidsoperasjon, blir de også raskere, billigere per stykk og langt mer pålitelige enn om de skulle loddes sammen enkeltvis.

I dagligtale heter en integrert krets bare en brikke (engelsk chip).

Produksjonsmetoden som brikker lages med. Mønsteret til kretsen projiseres som lys ned på en silisiumplate dekket av et lysfølsomt lag, og der lyset traff, kan materialet etses bort. Steget gjentas i mange lag.

Fordi mønsteret trykkes med lys og ikke tegnes opp én transistor om gangen, koster det omtrent det samme å lage en brikke med milliarder transistorer som en med tusen. Det er dette som gjør elektronikk billig.

Merk sammenhengen med Moores lov: det er stadig finere lys og optikk som har gjort det mulig å presse mønsteret tettere sammen.

Observasjonen, formulert av Gordon Moore i 1965, om at antall transistorer på en brikke omtrent dobles hvert annet år ved samme produksjonskostnad.

Tre presiseringer som er selve eksamensfellen:

- Moores lov er en observasjon og en bransjeprognose, ikke en naturlov. Den kan brytes, og veksten har flatet ut.
- Den handler om antall transistorer (altså tetthet), ikke direkte om klokkehastighet, minnepris eller ytelse. Ytelsen har fulgt med på lasset historisk, men det er en følge, ikke innholdet i loven.
- Doblingen er hvert annet år i den vanlige formen. Alternativer som sier «hvert år» eller «hvert femte år» er nettopp de nære distraktorene.

Et datterkort (engelsk daughterboard, i praksis også expansion card) er et mindre kort som plugges inn i hovedkortet for å utvide maskinen — for eksempel et skjermkort eller et lydkort.

Retningen er alltid den samme: datterkortet plugges inn i hovedkortet, aldri omvendt.

En buss er et sett med ledninger som flere enheter deler for å sende data mellom seg — mellom prosessor, minne og lagring.

Bussen har en bredde (hvor mange bit den overfører samtidig, for eksempel 64) og en hastighet. Sammen bestemmer de hvor mye data som kan flyttes per sekund.

Bussen er ofte flaskehalsen: prosessoren kan regne fortere enn bussen rekker å hente nye data til den.

Fire oppgaver går igjen på eksamen:

- Dele prosessoren mellom flere programmer som kjører samtidig.
- Dele ut og holde orden på minnet hvert program får bruke.
- Håndtere filsystemet på disken.
- Snakke med enhetene (tastatur, skjerm, nett) gjennom drivere, så programmene slipper.

Når Python-programmet ditt kaller open('data.txt'), er det operativsystemet som faktisk finner fila på disken.

CPU-en er maskinens regne- og styringsenhet. Den består av tre ting du må kunne skille:

- ALU-en, som regner.
- Kontrollenheten, som styrer.
- Registrene, som holder på verdiene mens de brukes.

CPU-en gjør bare én ting: den utfører instruksjoner, én av gangen, i fetch-execute-syklusen.

- Aritmetikk: addisjon, subtraksjon, og på moderne prosessorer multiplikasjon og divisjon.
- Logikk: OG, ELLER, IKKE, og sammenligninger som «er $a$ større enn $b$?».

ALU-en tar imot to operander, får beskjed om hvilken operasjon som skal gjøres, og leverer ett resultat pluss noen statusflagg (ble resultatet null? ble det negativt?).

Fellen: ALU-en bestemmer ikke hva som skal gjøres. Den bare gjør det. Beslutningen ligger i kontrollenheten.

Delen av prosessoren som styrer rekkefølgen: den henter neste instruksjon fra minnet, tolker hva den betyr, og sender de riktige styresignalene til ALU-en, registrene og minnet.

Kontrollenheten regner ikke selv. Den dirigerer.

Kontrollenhet mot ALU er en fast eksamensfelle. Huskeregelen: kontrollenheten bestemmer, ALU-en utfører.

Et register er en bitte liten lagerplass inne i selve prosessoren, typisk 32 eller 64 bit — akkurat stor nok til ett tall eller én adresse.

Registrene er den raskeste lagringen i hele maskinen, fordi de ligger der regningen skjer. En prosessor har bare noen titalls av dem.

Rekkefølgen fra raskest og minst til tregest og størst er verdt å pugge:

register $\to$ cache $\to$ RAM $\to$ SSD/harddisk

Å blande register, cache og RAM er den vanligste maskinvarefeilen på eksamen.

Et navngitt register som holder adressen til neste instruksjon som skal utføres. På engelsk program counter, forkortet PC (ikke til å forveksle med «PC» som i personlig datamaskin).

Etter at en instruksjon er hentet, økes programtelleren automatisk så den peker på den neste. Det er dette som gjør at et program kjøres ovenfra og ned uten at noen holder styr på det.

Et hopp i programmet — en if eller en løkke i Python-koden din — ender til slutt opp som en instruksjon som skriver en ny verdi inn i programtelleren.

Et navngitt register som holder selve instruksjonen som utføres akkurat nå, etter at den er hentet fra minnet.

Skillet mot programtelleren er presist og blir spurt om:

- Programtelleren holder adressen til neste instruksjon — altså hvor den ligger.
- Instruksjonsregisteret holder instruksjonen som gjelder nå — altså hva som skal gjøres.

Rytmen prosessoren arbeider i. Den gjentas for hver eneste instruksjon, i fem steg:

1. Hent instruksjonen (fetch) fra minnet, på adressen programtelleren peker på.
2. Dekod instruksjonen (decode) — kontrollenheten tolker hva den betyr.
3. Hent operandene — verdiene instruksjonen skal arbeide på, fra registre eller minne.
4. Utfør (execute) — ALU-en gjør operasjonen.
5. Lagre resultatet (store) tilbake i et register eller i minnet.

Deretter begynner syklusen på nytt med den instruksjonen programtelleren nå peker på.

Figur i ord: tenk deg en sirkel med fem bokser etter hverandre — hent, dekod, hent operander, utfør, lagre — og en pil fra den siste boksen tilbake til den første. Programtelleren står som en liten teller ved siden av første boks og økes hver runde.

Fellen er tallet fem. Alternativer med tre eller fire steg (som slår sammen «hent operander» med «utfør», eller dropper «lagre») er nettopp de nære distraktorene.

Takten prosessoren arbeider i, målt i hertz: 3 GHz betyr tre milliarder klokkeslag i sekundet. Hvert klokkeslag driver arbeidet ett hakk videre.

To presiseringer:

- Ett klokkeslag er ikke det samme som én ferdig instruksjon. En instruksjon kan trenge flere klokkeslag, og med pipelining kan flere instruksjoner være underveis samtidig.
- Klokkehastighet kan derfor bare sammenlignes direkte mellom prosessorer av samme type. En 3 GHz-prosessor fra i år gjør mer per klokkeslag enn en 3 GHz-prosessor fra 2005.

Å la stegene i fetch-execute-syklusen overlappe for flere instruksjoner samtidig, slik at hvert steg i prosessoren alltid har noe å gjøre.

Mens instruksjon nummer 1 utføres, dekodes nummer 2, og nummer 3 hentes. Det er samlebåndsprinsippet.

Presist hva pipelining gjør og ikke gjør:

- Den korter ikke ned tiden én enkelt instruksjon bruker fra start til slutt.
- Den øker gjennomstrømningen — antall instruksjoner som blir ferdige per sekund.

Sammenligningen: å vaske og tørke fem maskiner klær går ikke fortere for den første maskinen, men du blir ferdig med alle fem langt raskere hvis du tørker maskin 1 mens maskin 2 vaskes.

Latency må ikke blandes med båndbredde (hvor mye som kan overføres per sekund). En treg, bred forbindelse kan flytte enormt mye data, men bruke lang tid på det første svaret.

Bildet: latency er hvor lenge du står i kø i kassa; båndbredde er hvor mange varer som får plass i handlekurven.

Sekundærminnet er lagringen prosessoren ikke når direkte, men må be operativsystemet hente fra: harddisk, SSD, minnepinne, nettlagring. Det er tregt, stort og ikke-flyktig.

Et program må ligge i primærminnet for å kjøre. Derfor er «å åpne et program» i praksis å kopiere det fra sekundærminnet til primærminnet.

«Random access» betyr at tilgangstiden er den samme uansett hvilken adresse du ber om. Å hente byte nummer 3 tar like lang tid som å hente byte nummer 3 milliarder. Ordet «random» sier altså ikke at innholdet er tilfeldig, og ikke at maskinen velger tilfeldig — det er en presisering av at det ikke finnes noen rekkefølge du må følge.

Kontrasten er en magnetbåndspole, der du må spole gjennom alt foran for å komme til det du vil ha. Det er sekvensiell tilgang.

RAM er flyktig: innholdet forsvinner når strømmen går.

Ikke-flyktig minne beholder innholdet uten strøm. Harddisk, SSD, minnepinne og ROM er ikke-flyktige.

Dette er årsaken til at «lagre» er en handling i alle programmer: å lagre betyr å flytte noe fra flyktig til ikke-flyktig minne.

Fellen: et alternativ som sier at RAM beholder innholdet uten strøm er gal, men den formuleres ofte pent — for eksempel «RAM lagrer data permanent så programmene starter raskere neste gang». Det siste leddet er sant om cache-mekanismer, det første er galt om RAM.

ROM er ikke-flyktig og inneholder oppstartskoden maskinen trenger før den kan lese noe som helst fra disken. Uten ROM ville maskinen ikke visst hvordan den skulle finne operativsystemet.

Moderne varianter kan skrives om med et eget verktøy, men ikke av programmer som kjører.

Cachen inneholder kopier av de dataene som nylig er brukt, ut fra antakelsen om at de brukes igjen snart. Finner prosessoren det den trenger i cachen, slipper den den lange turen til RAM.

Størrelsesorden: noen megabyte cache mot mange gigabyte RAM. Cache er flyktig, som RAM.

Skillet mot RAM: cachen er ikke et sted du selv legger noe. Den fylles automatisk av maskinvaren, og programmet ditt vet ikke om den.

Lagringen i en datamaskin ligger i lag, der hvert lag utenfor er større, billigere per byte og tregere enn laget innenfor:

En harddisk lagrer data magnetisk på roterende metallplater, med et lesehode som beveger seg inn og ut over platen.

Fordi noe må rotere og noe må flytte seg fysisk, har harddisken relativt høy latency — den må vente på at riktig sted kommer under hodet. Til gjengjeld er den billig per lagret byte, og den brukes fortsatt der det er mye data og lav pris som teller.

Harddisken er ikke-flyktig og hører til sekundærminnet.

En SSD (solid state drive) lagrer data i flash-minne — halvlederbrikker uten bevegelige deler.

Sammenlignet med en harddisk er en SSD raskere (særlig på latency, siden ingenting skal rotere på plass), mer støtsikker, mer stillegående og dyrere per lagret byte.

En SSD er ikke-flyktig, som harddisken, og hører også til sekundærminnet.

Fellen: at en SSD er bygd av brikker gjør den ikke til RAM. Både brikker og plater kan være ikke-flyktige — det avgjørende er teknologien, ikke om det finnes bevegelige deler.