Termipankki
  1. A
    1. Abstraktio
    2. Alias
    3. Alustaminen
    4. Ankkatyypitys
    5. Argumentti
    6. Arvo
    7. Asetuslippu
    8. Avainsana
  2. B
    1. Binääriluku
    2. Binääritiedosto
    3. Bitti
    4. Bittinegaatio
    5. Bittioperaatio
  3. C
    1. C-funktio
    2. C-kirjasto
    3. C-muuttuja
  4. E
    1. Ehtolause
    2. Ehtorakenne
    3. Esikääntäjä
    4. Esikääntäjädirektiivi
    5. Esittely
    6. Etumerkitön
  5. H
    1. Heksadesimaali
  6. K
    1. Kirjasto
    2. Kommentti
    3. Komplementti
    4. Konekieli
    5. Koodilohko
    6. Käskykanta
    7. Kääntäjä
  7. L
    1. Lause
    2. Looginen operaatio
  8. M
    1. Makro
    2. Merkki
    3. Merkkijono
    4. Metodi
    5. Muisti
    6. Muuntumaton
    7. main-funktio
  9. O
    1. Objekti
    2. Ohjausrakenne
    3. Optimointi
    4. Osoitin
    5. Otsikkotiedot
  10. P
    1. Paikanpidin
    2. Paluuarvo
    3. Parametri
    4. Poikkeus
    5. Prototyyppi
    6. Python-format
    7. Python-funktio
    8. Python-import
    9. Python-konsoli
    10. Python-lista
    11. Python-muuttuja
    12. Python-pääohjelma
    13. Python-tulkki
    14. Pääfunktio
    15. printf
  11. R
    1. Resurssi
  12. S
    1. Staattinen tyypitys
    2. Syntaksi
  13. T
    1. Taulukko
    2. Tavu
    3. Terminaali
    4. Tietorakenne
    5. Tyyppi
    6. Tyyppimuunnos
  14. V
    1. Varoitusviesti
    2. Virheviesti
  15. W
    1. while
Ratkaistu: / tehtävää

Liukuhihnaprosessori

Osaamistavoitteet: Suorittimen liukuhihnatoteutuksen periaatteet sekä käskyjen ja datan riippuvuuksien aiheuttamista ongelmatilanteista selviäminen. Liukuhihnan suorituskyky.
Aiemmin esittelimme sekventiaalisen prosessorin, jossa jokainen käsky suoritetaan yhden kellojakson aikana. Tässä on kuitenkin haittana se, että koko käskyn suoritusaika määrittää kellojakson pituuden. Esimerkiksi von Neumann-arkkitehtuureissa pitää tehdä (teoriassa) kaksi erillistä muistiosoitusta per käsky: käsky ja data. Lisäksi sekventiaalisen prosessorin eri vaiheita toteuttavat osajärjestelmät ovat suurimman osan kellojaksosta tekemättä mitään.
Prosessorin toiminnan tehostamiseksi on esitetty osajärjestelmien liukuhihnoittamista (engl. pipeline), jossa osajärjestelmät ovat kokoajan käytössä, suorittaen peräkkäisten käskyjen eri vaiheita. Kun käskyt etenevät vaiheesta toiseen, niitä seuraava käsky etenee nykyisen käskyn edelliseen vaiheeseen. Liukuhihnoitusta käytetään nykyisin paljon sulautettujen järjestelmien tai signaalikäsittely (DSP)-prosessoreissa.
Kuvassa alla esimerkki liukuhihnasta y86-prosessorissa. Kirjaimet viittaavat käskyn suorituksen eri vaiheisiin. Huomataan, ettei PC update-vaihetta enää ole, josta lisää hetken päästä.
Pipeline
Nyt kolme käskyä sekventiaalisessa prosessorissa veisivät 15 (3 x 5) aikayksikköä. Liukuhihnalla ne saadaan suoritetuksi 7:ssa aikayksikössä. Aika merkittävä parannus ohjelman suoritusaikaan!
Mutta ongelmaksi tulee, kun liukuhihnan idea viedään mikroarkkitehtuuriin asti, että osajärjestelmät käyttäisivät eri käskyjen eri vaiheissa samoja signaaleja. Esimerkiksi y86:sessa Fetch-vaiheen valC-signaali (vakioarvo) menee käskystä riippuen Execute-vaiheeseen saakka. Seuraava käsky Fetch-vaiheessa voi myös tarvita valC-rekisteriä vakioarvon välittämiseen. Samoin Decode-vaiheessa asetetaan jokaiselle käskylle sen input- ja output-rekisterit.
Likuhihnatoteutuksissa tämä ongelma hoituu asettamalla liukuhihnarekistereitä vaiheiden väliin, joihin joka vaiheessa saadut output-arvot tallentuvat ja joita käytetään seuraavan vaiheen sisääntuloina synkronoidusti. Näin välitulokset seuraavat käskyä vaihe vaiheelta ilman, että ne sotkeutuisivat muiden käskyjen vastaaviin signaaleihin. Nyt useaa eri käskyä voidaan suorittaa samanaikaisesti samassa mikroarkkitehtuurissa. Kuvassa alla jokaista vaihetta edeltää sen oma liukuhihnarekisteri.
Pipeline
Ihan vielä emme kaivaudu y86:sen liukuhihnatoteutukseen, vaan katsotaan ensin millaisia vaikutuksia liukuhihnoituksella on yleisesti ohjelmien suoritukseen. Käskyjen peräkkäinen suoritus samassa mikroarkkitehtuurissa kun ei ole ihan ongelmatonta.

Hasardit

Liukuhihnatoteutuksissa yleinen ongelma on, että eri käskyjen välillä on riippuvuuksia. Kun riippuvuuksia on käskyjen operadien välillä, puhutaan data-hasardista (engl. data hazard). Esimerkiksi toisen käskyn output voi olla toisen input. Kun riippuvuuksia on käskyjen välillä, puhutaan kontrolli-hasardista (engl. control hazard). (Käytämme parempien suomenkielisten termien puitteissa väännöksiä englanninkielestä.) Seuraavaksi katsotaan tarkemmin millaisia riippuvuuksia tyypillisesti on ja miten niistä selvitään.

Datankäsittelyn hasardit

Tarkastellaan esimerkkikoodia, jossa ei sekventiaalisella prosessorilla suoritettaessa ole mitään ihmeellistä.
irmovq $10,%rdx  # rdx=10
irmovq $3,%rax   # rax=3
addq %rdx,%rax   # rax=rax+rdx
halt
Kun koodi ajetaan liukuhihnaprosessorissa, kohtaamme ongelman. Kaksi ensimmäistä käskyä eivät ehdi Write back-vaiheeseen, jossa niiden arvot kirjoitettaisiin kohderekistereihin, ennenkuin kolmas käsky tarvitsee niiden arvoja Decode-vaiheessa.
(Kuvassa vihreä väri tarkoittaa, että milloin arvo on saatavilla ja punainen milloin sitä tarvittaisiin.)
Data-hasardien selvittämiseksi on onneksi käytössä useita keinoja.

Viivyttäminen

Käskyn suoritusta voidaan viivyttää (engl. delay) lisäämällä väliin nop-käskyjä, kunnes inputit ovat saatavilla. nop-käsky on tässä kätevä, koska se ei muuta suorittimen rekisterien sisältöjä mitenkään.
Lisäämällä väliin 3 nop-käskyä, saadaan kahden käskyn Write Back-vaiheet suoritettua ennenkuin arvoja tarvitaan kolmannen käskyn Decode-vaiheessa.

Stalling

Tässä käsky jää kontrollilogiikan ohjaamana suorittamaan Decode-vaihetta kunnes sen inputit ovat saatavilla. Tämä voidaan tehdä kontrollilogiikalla jäädyttämällä PC-rekisterin arvo ja lisäämällä ohjelmaan väliin bubbleja, jotka samoin kuin nop, eivät muuta rekisterien arvoja. Erona on se, ettei bubble ole käsky. (Emme voi palata aiempaan kellojaksoon, jossa bubblea vastaavan käskyn Fetch-vaihe olisi suoritettavana.)
Kuvassa siis addq-käskyn suorituksessa havaitaan etteivät inputit ole vielä saatavilla kellojaksolla 4, joten jäädytetään PC ja lisätään väliin bubble:ja alkaen kellojaksosta 5. Seurauksena on, että kaikki muutkin tätä seuraavat käskyt jäävät suorittamaan sen hetkistä vaihettaan.

Forwarding

Haittana aiemmissa keinoissa on, että lisäämällä väliin tyhjiä käskyjä suorittimen suorituskyky ei ole optimaalinen, vaan kellojaksoja hukataan.
Forwarding (tai bypassing) pyrkii viiveestä eroon siten, että kontrollilogiikka yhdistää edellisten käskyjen välitulokset nykyisen käskyn input-signaaleihin. Toisinsanoen, jos käskyn inputtia ei ole vielä saatavilla, tarkistetaan olisiko tulos jossain liukuhihnalla jo laskettu!
Tietenkin tämä voidaan tehdä vain saman kellonjakson aikana tarjolla oleville signaaleille.
Kuvassa siis ensimmäisen ja toisen käskyn välitulokset kellojaksosta 4 on kytketty addq-käskyn Decode-vaiheen input-signaaleiksi. Koska input-arvoja käytetään vasta Execute-vaiheessa, ne ehditään tässä kohti lukea.
Verrattuna muihin keinoihin Forwarding edellyttää vaativampaa kontrollilogiikan toteutusta.

Load / Use-hasardi

Kun käsky tekee muistiosoituksia hakeakseen inputin rekisterikutsujen sijaan, voi syntyä load/use-hasardi.
Nyt addq-kutsulle ei saada asetettua molempia operandeja kellojaksossa 7. Neljännen käskyn (irmovq) output on saatavilla, mutta viidennen käskyn output saadaan vasta Memory-vaiheen jälkeen.
Emme siis voi käyttää Forwarding:ia, koska inputtien pitäisi olla saatavilla kellojaksolla 7. Nyt mrmovq-käskyn output on tarjolla vasta kellojaksolla 8, josta emme voi siirtyä ajassa taaksepäin kellojaksoon 7.
Tilanne ratkaistaan yhdistämällä Stalling ja Forwarding. Eli addq-käsky suorittaisi Decode-vaihettaan, kunnes molemmat inputit on saatavilla Forwarding:iä varten.

Liukuhihnan kontrollivirheet

Kontrolli-hasardi (engl. control hazard) tarkoittaa sitä, että käskyjen välillä on riippuvuuksia (engl. control dependency). Riippuvuus tässä tarkoittaa, että käskyn tulos vaikuttaa siihen, mistä koodin suoritusta jatketaan. Eli mikä on seuraavan käskyn muistiosoite.

Aliohjelmahasardi

Tarkastellaan ret-kutsusta johtuvaa mahdollista hasardia koodiesimerkin kautta.
    call funktio
    irmovq $10,%rdx
    halt
funktio:
    irmovq $3, %&rcx
    ret
Alla ohjelman suoritus liukuhihnalla.
Nyt, aliohjelmaan hypätään jokatapauksessa. Mutta, paluuosoite on tiedossa vasta ret-käskyn Write back-vaiheessa.
Ratkaisu tässäkin on lisätä väliin nop-käskyjä, kunnes voidaan hyödyntää Forwarding:ia Fetch-vaiheeseen.

Ehdollinen hyppy

Ehdollinen hyppy on suorittimissa toteutettu kahdella tavalla ennakoivasti. Voidaan ajatella, että ehdollinen hyppy toteutuu aina tai hyppy ei toteudu. Ongelma molemmissa on se, että liukuhihnalle pyritään hakemaan etukäteen käskyjä, mutta riippuen ehdon tuloksesta saatetaan noutaa vääriä käskyjä, jos tulos on eri kuin ennustettu.
Koodiesimerkki ehdollisesta hypystä y86:sessa. 
0000: xorq %rax,%rax
0002: jne target         # Oletus: hyppy toteutuu aina!
000b: irmovq $1,%rax
0015: halt
0016: target:
0016:    irmopq $2,%rdx
0020:    irmovq $3,%rbx
002a:    ret
Ja koodin suoritus alla, punaiset käskyt on siis haettu ennustetusta seuraavasta osoitteesta.
Nyt, oikea hyppyosoite selviää vasta käskyn Execute-vaiheessa.
Ratkaisuna on ensin poistaa liukuhihnalta väärät käskyt ja sitten lisätä bubble:ja tilalle. Kuvassa harmaiden vaiheiden aikana suoritin ei voi tehdä mitään hyödyllistä muissa käskyissä eikä viedä väliin uusia nop-käskyjä.

Käskyjen uudelleenjärjestely

Joskus on mahdollista suorittimen (tai ohjelmoijan..) muokata tai muuttaa lennosta ohjelman suoritusta niin, että nop-käskyjen tai bubble:n tilalta suoritettaisiinkin ohjelman käskyjä, joissa ei ole riippuvuuksia jumiutuneisiin käskyihin. Kuten arvata saattaa, tämä vaatiikin jo varsin edistynyttä kontrolliosaa..

y86-liukuhihnatoteutus

Ok, hasardeista selvittyämme ymmärrämme (ja osaamme ehkä arvostaa..) y86-liukuhihnatoteutusta.

1. Fetch

Materiaalin ensimmäisessä kuvassa huomattiin, ettei liukuhihnasuorittimessa ole PC update-vaihetta. Nyt, toteutuksessa se siiretään Fetch-vaiheeseen, jotta seuraavan käskyn osoite haettaisiin mahdollisimman myöhään. Siitäkin huolimatta, liukuhihnaprosessoreissa tarvitaan muistiosoitteen ennustamista (engl. branch prediction) suorituskyvyn maksimoimiseksi.
Tätä varten tarvitaan liukuhihnarekisteri F:pred_PC, jonne arvaamme seuraavan käskyn muistiosoitteen:
  1. Jos käsky ei ole hyppy, seuraavan käskyn osoite on valP:ssa.
  2. Koska oletamme, että ehto toteutuu aina, rekisteriin on tallentunut edellisessä käskyssä annettu osoite signaaleista valC tai valP.
  3. Jos ehto ei toteudu, seuraava osoite saadaan edellisen käskyn signaaleista valA tai valM joko Memory- tai Write Back-vaiheista (valitaan vastaavan icode:n ja cnd:n perusteella).
Etuliite M_ tarkoittaa, että osoite tulee Memory-vaiheen käskyn signaalista ja W_ että osoite tulee Write back-vaiheesta.

2. Decode

Decode-vaihe on muuten sama kuin sekventiaalisessa prosessorissa, mutta kontrollilogiikassa on enemmän vaihtoehtoja signaaleille valA, valB, joka mahdollistaa aiempien käskyjen tulosten vaiheista Execute, Memory ja Write back käyttämisen nykyisen käskyn operandeina. Kuvassa x_ viittaa johonkin aiempaan vaiheeseen E,M tai W.
Ok, mutta mistä tiedetään mikä näistä signaaleista valitaan? y86-liukuhihnaprosessorissa on asetettu prioriteetti eri signaaleille ja sen mukaan valitaan arvo käskystä, jonka oma vaihe on lähinnä omaa vaihetta.
Esimerkiksi, jos tarjolla on arvot vaiheista Execute tai Memory, valitaan Execute-vaiheen käskyn signaalit, koska se on lähinnä omaa vaihetta Decode. Alla oleva koodi ei toimisi oikein, jos näin ei tehtäisi. 
irmovq $10,%rdx  # Vaihe M: -> M_valE = 10
irmovq $3,%rdx   # Vaihe E: -> E_valE = 3
rrmovq %rdx,%rax # Vaihe D: valA <- E_valE = 3

3. Execute

Tämä vaihe on identtinen sekventiaalisen prosessorin kanssa. Huomataan kuitenkin, että ulos lähtee enemmän signaaleja, joita voidaan käyttää seuraavien käskyjen operandeina takaisinkytkennän kautta.

4. Memory

Vaihe on myös identtinen sekventiaalisen prosessorin kanssa ja ulos lähtee enemmän signaaleja seuraavien käskyjen operandeiksi.

5. Write back

Vaihe on myös identtinen sekventiaalisen prosessorin kanssa ja ulos lähtee enemmän signaaleja seuraavien käskyjen operandeiksi.

Liukuhihnan suorituskyky

Liukuhihnaprosessorin suorituskyvylle voimme esittää kaksi laskennallista parametriä:
Voimme laatia erilaisia liukuhihnaratkaisuja, joissa maksimoidaan liukuhihnan suoritustehoa. Mikroarkkitehtuurissa voidaan jakaa käskyn suoritus niin moneen vaiheeseen (teoriassa) kun on tarpeen ja viedä väliin niin monta liukuhintarekisteriä kun vaiheita tarvitaan. Nykyisissä suoritintoteutuksissa esimerkiksi on 15 vaihetta!
Alla esimerkkivertailu sekventiaalisen ja liukuhihnaprosessorin suoritustehon erosta.
1. Sekventiaalinen prosessori
     1
---------- = 3,125 GIPS (giga-IPS)
320*10^-12
2. Liukuhihnaprosessori, jossa suoritus jaettu kolmeen vaiheeseen. 
     1
---------- = 8,333 GIPS 
120*10^-12
Nyt,
8,333 GIPS
---------- = 2,67 
3,125 GIPS
Tuloksista nähdään, että liukuhihnaprosessori oli huomattavasti suorituskykyisempi koko ohjelman suorituksen kannalta, vaikka käskyjen latenssit ovatkin hieman isompia: 360 / 320 = 1.125.

Lopuksi

Liukuhihnatoteutuksista on siis merkittävästi hyötyä suorittimen suorituskyvylle, mutta hintana on vaativampi kontrolliosan toteutus.
Suorituskykyä tarkastelemme vielä lisää myöhemmässä materiaalissa.

Tekstipalaute

Huom, tämä laatikko on vain palautetta varten. Mikäli haluat esittää tehtäviin liittyviä kysymyksiä, ne kannattaa suunnata Slack-kanavalle, esittää assareille harjoituksissa tai kurssin sähköpostiin (computer-systems@ee.oulu.fi).
Käsittelemme palautteita luennoilla sekä tarpeen mukaan vastaamme niihin vastaussivulla.
Voit lähettää niin monta palauteviestiä kuin keksit aiheita!

Varoitus: Et ole kirjautunut sisään. Et voi vastata.
?
Abstraktiolla tarkoitetaan sitä kun raa'an konekielen käskyt "piilotetaan" korkeamman tason ohjelmointikielen käskyjen alle. Abstraktiotasosta riippuu miten laajaa tämä piilotus on - mitä korkeampi taso, sitä vaikeampi on suoraan sanoa miten monimutkaiseksi koodirakennelma muuttuu kun se kääntyy konekielelle. Esim. Pythonin abstraktiotaso on huomattavasti korkeampi kuin C:n (itse asiassa Python on tehty C:llä...).
Alias on esikääntäjävaiheessa käsiteltävä korvaus, jolla tietty merkkijono koodissa korvataan toisella. Toiminta vastaa siis tekstieditorin replace-toimintoa. Aliaksia määritellään #define-direktiivillä. Esim #define PI 3.1416
Muuttujan alustamisella tarkoitetaan sitä, kun sille asetetaan koodissa jokin alkuarvo. Hyvin yleinen esimerkki tästä on lukumuuttujien alustaminen nollaan. Alustus voidaan tehdä muuttujan esittelyn yhteydessä: int laskuri = 0; tai erikseen. Jos muuttujia ei alusteta, niiden sisältönä on mitä ikinä muistipaikkaan on aiemmin jäänyt.
Pythonin käyttämää tapaa käsitellä arvojen tyyppiä kutsutaan dynaamiseksi tyypitykseksi eli ankkatyypitykseksi. Nimitys perehtyy lauselmaan "Jos se ui kuin ankka, kävelee kuin ankka ja ääntelee kuin ankka, se on ankka." Toisin sanoen arvon kelvollisuus määritellään sen ominaisuuksien perusteella. Tämä eroaa staattisesta tyypityksestä, jossa arvon kelvollisuus määritellään sen tyypin perusteella.
Argumentti on funktiokutsussa käytettävä arvo, joka välitetään kutsuttavalle funktiolle. Funktion sisällä argumentit sijoitetaan parametreiksi kutsuttuihin muuttujiin. Esimerkiksi printf("%c", merkki); -lauseessa argumentteja ovat "%c"-tulostusmäärittely sekä merkki-muuttujan sisältö.
Alkeiskurssilla arvo-termiä käytettiin kaikista ohjelman käsittelemistä arvoista, oli kyse sitten muuttujista, lauseiden tuloksista tai mistä tahansa. Arvo on siis käytännössä tietokoneen muistissa olevaa dataa, johon muuttujat voivat viitata. C:ssä muuttujan ja sen arvon suhde on Pythonia tiiviimpi, koska muuttuja vastaa suoraan sitä muistialuetta johon arvo on talletettu.
Asetuslippuja käytetään kun suoritetaan ohjelmia komentoriviltä. Ne ohjaavat ohjelman toimintaa. Asetuslippu kirjoitetaan yleensä joko yhdellä viivalla ja sitä seuraavalla kirjaimella (esim. -o) tai kahdella viivalla ja kokonaisella sanalla (tai sanoilla, sanojen välissä viiva) (esim. --system. Jotkut liput ovat ns. boolean lippuja eli ne ovat vain päällä tai pois, toisille annetaan lisäksi parametri. Parametri on tyypillisesti lipun perässä joko välilyönnillä tai =-merkillä erotettuna (esim. -o hemuli.exe).
Avainsanat ovat ohjelmointikielessä kielen käyttöön valittuja sanoja, joilla on erityinen merkitys. Hyvät tekstieditorit tyypillisesti merkitsevät avainsanat muista nimistä eroavalla tavalla (esim. lihavointi). Avainsanat ovat yleensä suojattuja, eli samannimistä muuttujaa ei voi luoda. Yleisiä avainsanoja ovat esim ohjausrakenteisiin kuuluvat if ja else. Avainsanat ovat siis osa ohjelmointikielen kielioppia.
Binääriluku on luku, joka muodostuu biteistä, eli arvoista 0 ja 1. Tämä tekee siitä 2-kantaisen lukujärjestelmän. Binäärilukujen tulkintaa voit tutkailla lukujärjestelmiä käsittelevässä lisämateriaalissa.
Binääritiedosto on tiedosto, joka sisältää konekielisiä käskyjä binäärinä. Ne on tarkoitettu ainoastaan tietokoneen luettavaksi, ja tyypillisesti jos niitä avaa vahingossa esim. tekstieditorilla tuloksena on merkkisotkua editorin yrittäessä tulkita tiedoston sisältämiä bittejä merkeiksi. Useimmat tekstieditorit myös varoittavat asiasta erikseen.
Bitti on pienin informaation yksikkö, joka voi saada arvot 0 ja 1. Tietokoneen sisällä kaikki tapahtuu bitteinä. Tyypillisesti muistissa on bittijonoja, jotka muodostuvat useista biteistä.
Bittinegaatio on operaatio jossa bittijonon bitit käännetään siten, että nollat muutetaan ykkösiksi ja ykköset nolliksi. Operaattori on ~
Bittioperaatiot ovat oma operaatioluokkansa joiden yhteispiirre on se, että niissä käsitellään bittijonojen yksittäisiä bittejä. Kääntöoperaatiossa yhden jonon bitit käännetään nollista ykkösiksi ja toisin päin. Osa operaatioista suoritetaan kahden bittijonon välillä siten, että jonoissa samassa kohdassa olevat bitit vaikuttavat toisiinsa. Näitä ovat and (&), or (|) sekä xor (^). Lopuksi on vielä siirto-operaatiot (<< ja >>), joissa yhden bittijonon bittejä siirretään oikealle tai vasemmalle N askelta.
C:n funktiot ovat Pythonin funktioita staattisempia. Funktiolla voi olla vain yksi paluuarvo, jonka tyyppi määritellään funktion määrittelyssä. Samoin määritellään kaikkien parametrien tyypit. Funktiota kutsuttaessa argumenttien arvot sijoitetaan parametreille varattuihin muistipaikkoihin, joten funktio käsittelee eri arvoja kuin sitä kutsuva koodi.
Ulkopuolinen koodi sijaitsee C:ssä kirjastoissa (library), josta niitä voidaan ottaa käyttöön #include-direktiivillä. C:ssä on mukana sisäiset kirjastot sekä lisäksi voidaan käyttää ulkoisia kirjastoja - ne täytyy kuitenkin koodissa käyttöönoton lisäksi kertoa kääntäjälle käännösvaiheessa. Tyypillisesti kirjasto koostuu c-kooditiedostosta sekä otsikkotiedostosta (.h), joka kertoo mitä funktioita kirjastossa on.
C:n muuttujat ovat staattisesti tyypitettyjä, eli niiden tyyppi kiinnitetään esittelyn yhteydessä. Lisäksi C:ssä muuttuja on sidottu sille varattuun muistialueeseeen. Muuttuja ei voi myöskään muuttaa tyyppiään jälkikäteen.
Ehtolause on yksittäisen ehdon määrittelevä rivi koodissa, jota seuraa aaltosulkeilla merkitty koodilohko, joka määrittää miten ehdon toteutuessa tulee toimia. Varsinaisia ehtolauseita ovat if-lauseet, joka voi esiintyä myös else-avainsanan kanssa else if. Toisiinsa liitetyt ehtolauseet muodostavat ehtorakenteita.
Ehtorakenne on yhdestä tai useammasta toisiinsa liitetystä ehtolauseesta muodostuva rakenne, joka haarauttaa ohjelman suoritusta. Useimmissa ehtorakenteissa on vähintään kaksi haaraa: if ja else. Näiden välissä voi olla myös N kpl else if-lauseilla aloitettuja haaroja. On myös mahdollista, että ehtorakenteessa on pelkkä if-lause. Ehtorakenteessa kussakin haarassa on suoritettavaa koodia, joka kuvaa miten ohjelman tulee ehdon määrittelemässä tilanteessa toimia. Jokainen haara on oma koodilohkonsa, joka merkitään siis aaltosulkeilla.
Esikääntäjä on värkki joka käy koodin läpi suorittaen kaikki esikääntäjädirektiivit ennen varsinaista kääntämistä. Näihin kuuluvat mm. include-lauseet joilla koodiin lisätään siihen liitetyt kirjastot sekä define-lauseet joilla voidaan määritellä vakioita ja makroja.
Esikääntäjädirektiivit ovat ohjeita, jotka on tarkoitettu esikääntäjälle. Ne puretaan koodista pois ennen varsinaista kääntämistä. Esikääntäjädirektiivit alkavat #-merkillä. Yleisin näistä on include, joka vastaa Pythonin importia. Toinen yleinen on define, jolla tällä kurssilla määritetään vakioita.
Muuttujan esittely tarkoittaa sitä kun muuttujan olemassaolosta kerrotaan ensimmäistä kertaa. Tällöin määritetään muuttujan tyyppi ja nimi, esim. int luku;. Kun muuttuja esitellään, sille varataan paikka muistista, mutta muistiin ei vielä kirjoiteta mitään - muuttujassa on siis muistiin jäänyt arvo. Tästä syystä muuttujat on usein myös hyvä alustaa esittelyn yhteydessä.
Etumerkitön kokonaislukumuuttuja on kokonaisluku jonka kaikki arvot ovat positiivisia. Koska etumerkille ei tarvitse varata bittiä, etumerkittömällä kokonaisluvulla voidaan esittää itseisarvoltaan 2x suurempi luku kuin etumerkillisellä. Etumerkitön kokonaisluku määritetään lisäämällä kokonaislukumuuttujan esittelyyn unsigned-avainsana: unsigned int laskuri;
Heksadesimaaliluvut ovat 16-kantaisia lukuja, joita käytetään erityisesti muistiosoitteiden sekä muistin bittisisällön esittämiseen. Heksadesimaaliluvun edessä on tyypillisesti 0x, ja numeroiden lisäksi käytössä ovat kirjaimet A-F jotka vastaavat numeroja 10-15. Heksadesimaalilukuja käytetään koska yksi numero vastaa aina tasan neljää bittiä, joten muunnokset binääriin ja takaisin ovat helppoja.
Kirjasto on tyypillisesti yhteen rajattuun tarkoitukseen tehty työkalupakki, joka yleensä sisältää nipun funktioita. Kirjastot otetaan käyttöön include-esikääntäjädirektiivillä. Jos kirjasto ei kuulu C:n sisäänrakennettuihin, sen käyttöönotto täytyy myös kertoa kääntäjälle.
Kommentti on kooditiedostossa olevaa tekstiä, joka ohitetaan kun koodia suoritetaan. Kussakin kielessä on oma tapansa sille miten rivi merkitään kommentiksi. Pythonissa se on #-merkki, C:ssä //. Lisäksi C:ssä voi merkitä useita rivejä kommenteiksi kerralla - kommentti aloitetaan tällöin /*-merkkiparilla ja päätetään */-merkkiparilla. Kaikki näiden välissä tulkitaan kommentiksi.
Komplementti on negatiivisten lukujen esitystapa, jossa luvun etumerkki muutetaan kääntämällä sen kaikki bitit. Kahden komplementissa, jota tällä kurssilla käytetään, käännön jälkeen lisätään tulokseen 1. Tarkempaa tietoa löydät lukujärjestelmiä käsittelevästä oheismateriaalista.
Konekieli muodostuu käskyistä jotka laitteen prosessori ymmärtää. Konekieltä kutsutaan yleensä Assemblyksi ja se on alin taso jolla ihmisen on mielekästä antaa ohjeita tietokoneelle. Konekieltä käytetään tällä kurssilla loppuossa, joten siihen ei johdatuskurssia suorittavien tarvitse perehtyä.
Koodilohko on joukko koodirivejä, jotka kuuluvat jollain tavalla yhteen eli ne ovat samassa kontekstissa. Esimerkiksi ehtorakenteessa kunkin ehdon alla on oma koodilohkonsa. Samoin funktion sisältö on oma koodilohkonsa. Koodilohkot voivat sisältää muita koodilohkoja. Pythonissa koodilohkot erotetaan toisistaan sisennyksellä; C:ssä koodilohkon alku ja loppu merkitään aaltosulkeilla {}
Käskykanta määrittää mitä käskyjä laitteen prosessori osaa. Nämä käskyt muodostavat prosessoriarkkitehtuurin konekielen.
Kääntäjä on ohjelma, joka kääntää C-kielisen koodin konekieliseksi binääritiedostoksi, jonka tietokoneen prosessori osaa suorittaa. Kääntäjä myös tutkii koodin ja ilmoittaa siinä olevista virheistä sekä antaa varoituksia potentiaalisista ongelmista koodissa. Kääntäjän toimintaa voi ohjata lukuisilla asetuslipuilla.
Lause on ohjelmointikielessä nimitys yksittäiselle suoritettavalle asialle, joka on yleensä yksi koodirivi.
Looginen operaatio viittaa Boolen algebran operaatiohin, joissa käsitellään totuusarvoja. Tyypillisiä loogisia operaatioita ovat ehtolauseista tutut and, not ja or. C:ssä tunnetaan myös bittikohtaiset loogiset operaatiot jotka toimivat samalla logiikalla, mutta vaikuttavat jokaiseen bittiin erikseen.
Makro on alias, jolla määritetään tietty avainsana korvattavaksi koodinpätkällä. Hyvin käytettynä tällä voidaan joissain tilanteissa saada aikaan parempaa luettavuutta, mutta helposti käy toisin. Makroilla ei kannata tämän kurssin puitteissa leikkiä, kunhan tietää mistä on kyse jos niihin joskus törmää.
Merkki on nimensä mukaisesti yksi merkki. Merkki voidaan tulkita ASCII-merkkinä mutta sitä voidaan käyttää koodissa myös kokonaislukuna, koska se on pienin esitettävissä oleva kokonaisluku. Merkin koko on 1 tavu. Merkki merkitään yksinkertaisilla lainausmerkeillä, esim. 'c'.
Pythonissa kaikki teksti käsiteltiin merkkijonoissa, eikä siinä esim. ollut erillistä muuttujatyyppiä yksittäiselle merkille. C:ssä puolestaan ei ole varsinaista merkkijonomuuttujatyyppiä lainkaan - on ainoastaan merkeistä koostuvia taulukoita, joille on oma määrittelytapansa. Näillä taulukoilla on ennaltamäärätty pituus. "Merkkijonon" voi määritellä C:ssä char elain[5] = "aasi"; jossa numero kertoo merkkitaulukon koon ja on merkkien määrä + 1, koska lopetusmerkki '\0' lisätään tässä alustustavassa automaattisesti loppuun.
Metodi on funktio, joka on osa objektia eli objektin ominaisuus, jolla objekti usein muuttaa omaa tilaansa. Metodia kutsuttaessa käsiteltävä objekti tulee kutsun eteen: arvosanat.sort().
Kaikki suoritettavien ohjelmien käsittelemä data on tietokoneen muistissa ajon aikana. Tietokoneen muisti muodostuu muistipaikoista, joilla on muistiosoite sekä sisältö. Kaikki muistipaikat ovat saman kokoisia - jos talletettava tietomäärä on tätä suurempi, varataan useampi (peräkkäinen) muistipaikka.
Pythonissa objektit eroteltiin muuntuviin ja muuntumattomiin. Muuntumaton arvo oli sellainen, jonka sisältö ei voi muuttua - kaikki operaatiot jotka näennäisesti muuttavat arvoa tosiasiassa luovat siitä uuden kopion, joka yleensä sijaitsee uudessa muistipaikassa. Esimerkiksi merkkijonot olivat tyypillinen muuntumaton tyyppi Pythonissa. C:ssä tätä erottelua ei tarvita, koska muuttujien ja muistipaikkojen suhde on tiiviimpi - sama muuttuja osoittaa koko ohjelman suorituksen ajan tiettyyn muistipaikkaan.
Objekti, joskus myös olio, on Pythonissa yleistä terminologiaa. Kutsuimme objekteja pääasiassa arvoiksi alkeiskurssilla, mutta Pythonissa kaikkea voi käsitellä objekteina - tämä tarkoittaa, että mihin tahansa voidaan viitata muuttujilla (esim. funktion voi sijoittaa muuttujaan). Objekti-termiä käytetään tyypillisesti oliopohjaisissa kielissä (kuten Python). C ei kuulu tähän joukkoon.
Ohjausrakenne on yleisnimitys koodirakenteille, jotka hallitsevat jollain tavalla ohjelman suorituksen kulkua. Näihin rakenteisiin lukeutuvat ehtorakenteet sekä toistorakenteet. Myös poikkeusten käsittely voidaan lukea tähän joukkoon.
Koodin optimointi tarkoittaa sitä, että sen suorituskykyä parannetaan tyypillisesti joko vähentämällä aikaa, joka sen suoritukseen kuluu tai vähentämällä muistin käyttöä. Optimoinnista on hyvin tärkeää ymmärtää, että sitä ei koskaan kannata tehdä jos ei ole pakko - optimointia siis tehdään vasta kun koodi oikeasti toimii hitaasti tai kuluttaa liikaa muistia. Optimointia ei myöskään kannata tehdä sokkona - koodista tulee ensin tunnistaa mitkä ovat sen pullonkaulat eli ne osat jotka tuhlaavat eniten resursseja.
Osoitin (pointer) on C:ssä erityinen muuttujatyyppi. Osoitinmuuttuja sisältää muistiosoitteen, josta varsinainen arvo löytyy - ne toimivat siis tietyllä tapaa kuin Pythonin muuttujat. Muuttuja määritellään osoittimeksi lisäämällä tyypin perään * esittelyrivillä, esim. int* luku_os luo luku_os-muuttujan, joka on osoitin int-tyyppiseen arvoon. Osoittimen osoittaman muistialueen sisällön voi hakea käyttöön merkinnällä *luku_os ja vastaavasti jonkin muuttujan muistipaikan osoitteen saa merkinnällä &luku. Osoittimille on omistettu kokonainen materiaali (4).
Otsikkotiedot ovat C-koodissa ja erityisesti kirjastojen yhteydessä eräänlainen muotti koodista. Tyypillisen otsikkotieto on funktion prototyyppi, jolla kerrotaan mitä funktio palauttaa ja mitä argumentteja sille annetaan. Rivi on sama kuin funktion varsinainen määrittely. Muita otsikkotietoja ovat mm. tietotyyppien ja vakioiden määrittelyt. Otsikkotiedot voivat sijaita kooditiedoston alussa, mutta erityisesti kirjastojen osalta ne ovat yleensä erillisessä .h-tiedostossa.
Paikanpidin on merkkijonojen muotoilussa käytetty termi, jolla esitetään kohta merkkijonossa, johon sijoitetaan esim. muuttujan arvo ohjelman suorituksen aikana. Pythonissa format-metodia käytettäessä paikanpitimiä merkittiin aaltosulkeilla (esim. {:.2f}). C:ssä käytetään %-merkkiä jota seuraa paikanpitimen määrittely, josta erityisen tärkeä osa on muuttujatyypin määrittely. Esimerkiksi "%c" ottaa vastaan char-tyyppisen muuttujan.
Paluuarvo on nimitys arvolle tai arvoille jotka funktio palauttaa kun sen suoritus päättyy. C:ssä funktioilla voi olla vain yksi paluuarvo, Pythonissa niitä voi olla useita. Koodia lukiessa paluuarvoa voi käsitellä päässään siten, että funktiokutsun paikalle sijoitetaan funktion paluuarvo sen jälkeen kun funktio on suoritettu.
Parametri on funktion määrittelyssä nimetty muuttuja. Parametreihin sijoitetaan funktion saamat argumentit. Parametri on siis nimitys jota käytetään kun puhutaan arvojen siirtymisestä funktion näkökulmasta. Tätä erottelua ei aina tehdä, vaan joskus puhutaan pelkästään argumenteista.
Poikkeus on ohjelmointikielessä määritelty virhetilanne. Poikkeuksella on tyyppi (esim. TypeError), jota voi käyttää poikkeuksen käsittelyssä ohjelman sisällä sekä myös apuna virhetilanteen ratkaisussa. Tyypillisesti poikkeukseen liitetään myös viesti, joka kertoo mistä ongelmassa on kyse.
Prototyyppi määrittelee funktion paluuarvon tyypin, nimen sekä kaikki argumentit ennen funktion varsinaista esittelyä. Kunkin funktion prototyypin tulisi löytyä joko kooditiedoston alusta tai erillisestä otsikkotiedostosta (.h). Prototyypin määrittely on kopio funktion varsinaisesti määrittelyrivistä.
Merkkijonojen format-metodi on Pythonissa tehokas tapa sisällyttää muuttujien arvoja tulostettavaan tai tallennettavaan tekstiin. Merkkijonoon määritetään paikanpitimiä (esim: {:.2f}) joihin sijoitetaan format-metodin argumentit.
Python-funktiolla voi olla valinnaisia parametreja, joilla on asetettu oletusarvo. Argumenttien arvot siirtyvät parametreihin viittauksen kautta, joten funktion sisällä käsitellyt arvot ovat samoja kuin sen ulkopuolella käsitellyt - niillä on vain eri nimet. Python-funktiolla voi olla useita paluuarvoja.
Pythonin import-lauseella otettiin käyttöön moduuleja/kirjastoja - joko Pythonin mukana tulevia, muualta ladattuja tai itsekirjoitettuja. Pythonin import-lauseelle erityistä on, että oletuksena tuotuihin funktioihin ym. päästään käsiksi moduulin nimen kautta (esim. math.sin. C:ssä importia vastaa include, ja se tuo nimet suoraan ohjelman omaan nimiavaruuteen.
Interaktiivinen Python-tulkki tai Python-konsoli on ohjelma, johon voi kirjoittaa Python-koodirivejä. Nimitys "interaktiivinen" tulee siitä, että koodirivi suoritetaan välittömästi sen syöttämisen jälkeen, ja ohjelma näyttää käyttäjälle koodirivin tuottaman paluuarvon (esim. matemaattisen operaation tuloksen).
Pythonin lista osoittautui Ohjelmoinnin alkeissa hyvin tehokkaaksi työkaluksi. Se on järjestetty kokoelma arvoja. Listan monikäyttöisyys johtuu siitä, että sen koko on dynaaminen (eli suorituksen aikana muuttuva) minkä lisäksi se voi sisältää mitä tahansa arvoja - myös sekaisin. Samassa listassa voi siis olla useita erityyppisiä arvoja. Listat voivat tietenkin sisältää myös listoja tai muita tietorakenteita jne.
Kuten Ohjelmoinnin alkeissa opittiin, Python-muuttuja on viittaus arvoon, eli yhteys muuttujan nimen ja tietokoneen muistissa olevan arvon välillä. Python-muuttujilla ei ole tyyppiä, mutta arvoilla on. Arvon kelpaavuus kokeillaan koodia suorittaessa tilannekohtaisesti. Tässä suhteessa ne siis eroavat toiminnaltaan C:n muuttujista, ja niiden toiminta muistuttaa usein enemmän C:n osoittimia.
Pythonissa pääohjelma on se osa koodia, joka suoritetaan kun ohjelma käynnistetään. Pääohjelma sijaitsee tyypillisesti koodin lopussa, ja useimmiten if __name__ == "__main__":-lauseen alla. C:ssä ei ole varsinaista pääohjelmaa, siinä suoritus aloitetaan oletuksena main-nimisestä funktiosta.
Python-tulkki on ohjelma, joka muuttaa Python-koodin tietokoneelle annettaviksi ohjeiksi. Se vastaa niin kooditiedostojen kuin myös interaktiiviseen Python-tulkkiin kirjoitettujen komentojen suorittamisesta. Tällä kurssilla sanalla tulkki viitataan kuitenkin useimmiten nimenomaan interaktiiviseen Python-tulkkiin.
Pääfunktio on C:ssä ohjelman aloituspiste ja se korvaa Pythonista tutun pääohjelman. Oletuksena pääfunktion nimi on main ja se määritellään yksinkertaisimmillaan int main().
Resurssi viittaa laitteiston käytössä olevaan prosessoritehoon, muistiin, oheislaitteet jne. Se käsittää siis kaikki rajoitteet sille millaista ohjelmakoodia voidaan ajaa sekä sen, mitä ohjelmakoodilla voidaan tehdä. Tietokoneilla resurssit ovat ohjelmointiopiskelijan näkökulmasta aika rajattomat, mutta sulautetuilla järjestelmillä rajat voivat hyvinkin tulla vastaan.
C käyttää staattista tyypitystä. Se tarkoittaa sitä, että muuttujien tyypit määritellään kun ne luodaan ja muuttujaan ei voida sijoittaa erityyppistä arvoa. Lisäksi arvon kelvollisuus määritellään koodia suorittaessa sen tyypin perusteella (tai oikeastaan tämä tehdään jo käännösvaiheessa). Pythonissa taas käytetään dynaamista eli ankkatyypistystä.
Syntaksi (engl. syntax) on koodin kielioppi. Esimerkiksi Pythonin syntaksi määrittää, millainen teksti on tulkittavissa Python-koodiksi. Jos teksti ei noudata koodin syntaksia, sitä ei voida suorittaa tai C:n tapauksessa kääntää. Syntaksi antaa myös koodaajalle tietoa siitä, missä muodossa halutunlainen ohje tulee antaa.
Taulukko (array) on ohjelmointikielissä yleinen tietorakenne, joka sisältää useita (yleensä) samantyyppisiä arvoja. C:n taulukot ovat staattisia - niiden koko tulee määritellä taulukon esittelyn yhteydessä - ja taulukossa voi olla vain samantyyppisiä muuttujia (myös tyyppi määritellään esittelyssä).
Yhden muistipaikan koko on yksi tavu (byte) - tyypillisesti 8 bittiä. Tavu on siis pienin yksikkö joka voidaan osoittaa tietokoneen muistista. Muuttujien tyyppien varaamat muistialueet lasketaan tavuissa.
Terminaali, komentokehote ja komentorivi ovat eri nimiä käyttöjärjestelmän tekstipohjaiselle käyttöikkunalle. Windowsissa komentoriville pääsee kun kirjoittaa suorita...-ikkunaan cmd. Komentorivillä annetaan tekstikomentoja käyttöjärjestelmälle. Tällä kurssilla pääasiassa siirrytään cd-komennolla hakemistosta toiseen ja käytetään kääntäjää kooditiedostojen kääntämiseen sekä suoritetaan käännettyjä koodeja.
Tietorakenne on yleisnimitys kokoelmille jotka sisältävät useita arvoja. Pythonissa näitä olivat mm. lista, monikko ja sanakirja. C:ssä taas yleisimmät tietorakenteet ovat taulukot (array) ja tietueet (struct).
Tietokoneen muistissa oleva data on pelkästään bittejä, mutta muuttujilla on tyyppi. Tyyppi kertoo millä tavalla muistissa olevat bitit pitää tulkita. Se kertoo myös kuinka suuresta määrästä bittejä muuttujan arvo muodostuu. Tyyppejä ovat esim int, float ja char.
Tyyppimuunnos on operaatio jossa muuttuja muutetaan toisentyyppiseksi. Alkeiskurssilla tätä tehtiin pääasiassa int- ja float-funktioilla. C:ssä tyyppimuunnos merkitään hieman toisin: liukuluku = (float) kokonaisluku. Huomioitavaa on myös, että operaation tulos voidaan tallentaa ainoastaan muuttujaan jonka tyyppi on kohdetyyppiä (esimerkissä float). Pythonissa nähdyt luku = int(luku)-temput eivät siis onnistu.
Varoitusviesti on ilmoitus siitä, että ohjelman suorituksessa tai - erityisesti tällä kurssilla - sen kääntämisessä kohdattiin jotain epäilyttävää, joka saattaa johtaa virhetilanteisiin, mutta ei suoraan estä ohjelman käyttöä. Yleisesti ottaen kaikki varoitukset on syytä korjata ohjelman toiminnan vakauttamiseksi.
Virheviestiksi kutsutaan tietokoneen antamaa virheilmoitusta joko koodia kääntäessä tai ohjelmaa suorittaessa. Virheviesti tyypillisesti sisältää tietoa kohdatusta ongelmasta ja sen sijainnista.
C:ssä main-funktio on ohjelman suorituksen aloituspiste kun ohjelma käynnistetään. Ohjelman komentoriviargumentit tulevat main-funktiolle (mutta niitä ei ole pakko vastaanottaa), ja sen palautusarvon tyyppi on int. Lyhimmillään main-funktion voi siis määritellä: int main().
C:ssä yksi tulostustapa on printf-funktio, joka muistuttaa pääasiassa Pythonin print-funktiota. Sille annetaan tulostettava merkkijono, sekä lisäksi merkkijonoon sijoitettavat arvot mikäli on käytetty paikanpitimiä. Toisin kuin Pythonin print, printf ei automaattisesti lisää rivinvaihtoa, joten loppuun on yleensä syytä lisätä \n.
Silmukoista while pohjautuu toistoon ehdon tarkastelun kautta - silmukan sisällä olevaa koodilohkoa suoritetaan niin kauan kuin silmukalle annettu ehto on tosi. Ehto määritetään samalla tavalla kuin ehtolauseissa, esim: while (summa < 21).