Tietokone
Tietokoneen toiminta

Matematiikan professori Charles Babbage kehitti jo 1800-luvulla mekaanisen tietokoneen nimeltä Analyyttinen kone. Yksi tunnetuimmista tietokoneen matemaattisista malleista on Turingin kone, jonka kehitti englantilainen matemaatikko Alan Turing. Tietojenkäsittelyn ekvivalenssiperiaatteen mukaan kaikki tietokoneet pystyvät suoriutumaan samoista tehtävistä, mikäli käytössä on riittävästi tallennustilaa ja aikaa. Jos siis koneella tai formaalilla järjestelmällä (esimerkiksi ohjelmointikielellä) voi toteuttaa Turingin koneen, sillä voi toteuttaa myös minkä tahansa algoritmin tai ohjelman, jonka Turingin kone pystyy ratkaisemaan.
Nykyaikaiset yleiskäyttöiset tietokoneet perustuvat John von Neumannin mallin mukaiseen rakenteeseen. Erikoissovelluksissa voi olla käytössä Neumannin mallista poikkeavia tietokoneita. Esimerkiksi signaalinkäsittelyyn tarkoitetut suorittimet ovat usein Harvard-arkkitehtuurin mukaisia.
Useimmat tietokoneet toteuttavat John von Neumannin mallia, jossa sekä ohjelma että sen käsittelemä tieto ovat samaan muistiin tallennettua dataa. Harvinaisemmassa Harvard-arkkitehtuurissa ohjelma ja sen käsittelemä tieto ovat omissa muisteissaan.
Varhaisissa tietokoneissa käytettiin kymmenjärjestelmää ennen binäärijärjestelmän yleistymistä, jota von Neumann ehdotti EDVAC:in ratkaisuna.
Nykyään suorittimien alkeellisimmat perusosat suorittavat Boolen algebraan kuuluvia perusoperaatioita. Koska Boolen algebra perustuu kahteen totuusarvoon, on luontevaa käyttää niitä kaiken käsiteltävän tiedon ilmaisemiseen: esimerkiksi lukuja on teknisesti yksinkertaisinta käsitellä, jos ne on esitetty binäärijärjestelmän avulla. Yksittäisestä totuusarvosta (binäärijärjestelmän numerosta 1 tai 0) käytetään nimitystä bitti (lyhenne englannin sanoista binary digit, binääriluku).
Tietokoneen toimintaa ohjaa suoritin eli prosessori, joka tulkitsee konekielisiä käskyjä ja ohjaa niiden mukaan tietokoneen eri toimintoja. Suoritin suorittaa ohjelmaa lukemalla peräkkäisiä muistipaikkoja alueelta johon ohjelmakoodi on tallennettu, ja tulkitsemalla lukemansa bittijonot konekielisiksi käskyiksi. Käsky suorittaa yleensä jonkin yksinkertaisen alkeisoperaation, kuten luvun lukemisen muistipaikasta, kahden luvun välisen laskutoimituksen tai ohjelman suoritusosoitteen ehdollisen vaihtamisen. Käskyn suorituksen päätteeksi suorittimen sisäisissä muistipaikoissa, ns. rekistereissä sijaitsevat laskennan lopputulokset tallennetaan toisella käskyllä takaisin muistiin.
Mekaanisten tietokoneiden (kuten Babbagen Analyyttinen tietokone) sijaan elektroniikkaan perustuvat tietokoneet yleistyivät. Digitaalinen tietokone korvasi analogiset tietokoneet.
1940-luvulla tietokoneet olivat releisiin tai elektroniputkiin perustuvia. Näiden jälkeen tulivat transistoritietokoneet, joita seurasivat useita transistoreja integroivat mikropiireihin perustuvat tietokoneet. Nykyiset tietokoneet perustuvat integroituihin piireihin eli mikropiireihin.
Nykyään yhdelle mikropiirille integroitu mikroprosessori voi sisältää monta suoritinta – puhutaan suoritinytimistä tai vain ytimistä. Henkilökohtaisissa tietokoneissa on tyypillisesti 4–8 suoritinydintä yhdellä integroidulla piirillä.
Suurissa palvelimissa ja supertietokoneissa suoritinytimiä on tuhansia.
Suorittimien lisäksi tietokoneessa on yleensä myös muita piirejä tai apusuorittimia, jotka suorittavat erikoistuneempia tietojenkäsittelytehtäviä ja vapauttavat siten varsinaiset suorittimet näistä tehtävistä. Esimerkiksi:
näytönohjain muuttaa näyttömuistiin tallennetun kuvan näyttölaitteelle sopivaksi ajoitetuksi signaaliksi; monet näytönohjaimet osaavat myös itse piirtää grafiikkaa näyttömuistiin. Käytännössä tällaiset laitteet sisältävät oman suorittimensa grafiikkaprosessorin ja monien näytönaohjainten grafiikkaprosessoreita voidaankin käyttää myös muun laskennan tukena silloin, kun niitä ei tarvita grafiikan muodostamiseen.
Digitaalinen signaaliprosessori on erityisesti matkapuhelimissa ja verkkolaitteissa yleinen erikoispiiri, joka käsittelee jatkuvaa datavirtaa ja tekee sille operaatioita, esim. salauksen tai pakatun äänen purkamisen.
Vaikka kaikki tietokoneet pystyvätkin periaatteessa suorittamaan samat tehtävät, jotkin ovat huomattavasti soveltuvampia joihinkin tehtäviin kuin toiset. Suorituskykyä erityyppisissä tehtävissä mitataan vertaillen profiloimalla ja suorituskykymittauksilla. Riittävän suorituskyvyn lisäksi merkittäviä tekijöitä ovat muun muassa koneen vakaus, vikasietoisuus, virrankulutus, fyysinen koko, ohjelmistoyhteensopivuus sekä hankinta- ja käyttökustannukset.
Arkipuheessa tietokoneita asetetaan usein paremmuusjärjestykseen vertailemalla suoraan esimerkiksi suorittimien kellotaajuuksia. Kellotaajuus voi antaa suurpiirteisen vihjeen esimerkiksi henkilökohtaisen tietokoneen teknisestä iästä ja siten sen yleisestä suorituskyvystä ja luotettavuudesta useimmissa tehtävissä, mutta pelkkiin numeerisiin suureisiin katsominen voi esimerkiksi koneen ominaisuuksia arvioitaessa olla hyvinkin harhaanjohtavaa. Suorittimen arkkitehtuurilla on käytännössä erittäin suuri vaikutus siihen miten paljon työtä prosessori saa yhden kellojakson aikana tehtyä, ja mikä lopullinen suorituskyky tulee olemaan. Suurtietokoneiden painopiste on transaktioprosessoinnissa, jossa laitteisto I/O-nopeus voi olla merkittävämpi tekijä kuin suorittimen nopeus. Virran kulutus voi olla sulautetuissa järjestelmissä ja mobiililaitteissa merkittävämpi tekijä kuin suoritusnopeus.