|
Computergeneraties © Instruct
'Nulde generatie': mechanische rekenmachine
Het ontstaan van de pc.
www.cis.usouthal.edu:
overzicht van de mijlpalen in de ontwikkeling van computers.
Hoe verliepen de ontwikkelingen in Nederland? Dit artikel van de TU Delft vertelt erover:
www.tudelft.nl
Video over de ENIAC, een computer uit de jaren '40.
Een video over de ontwikkeling die de computer heeft doorgemaakt:
www.howstuffworks.com
Charles Babbage wordt beschouwd als de grondlegger van de computer. Hij ontwierp in 1833 een mechanische rekenmachine, de Difference Engine, die kon optellen. In werkelijkheid heeft de Difference Engine overigens nooit gewerkt.
De rekenmachine van Babbage.
In 1880 vond er in de VS een volkstelling plaats. Men ging op zoek naar mogelijkheden om de resultaten hiervan zo efficiënt mogelijk te verwerken. In het kader hiervan vond Herman Hollerith de ponskaart uit, waarmee men op een relatief gemakkelijke manier gegevens kon invoeren.
Het bedrijf dat Hollerith in 1896 oprichtte, bestaat nog steeds! Sinds 1924 is het bekend onder de naam International Business Machines Corporation, oftewel IBM.
Een ponskaart is een kaart waarin op bepaalde plaatsen gaatjes geponst zijn. Via deze gaatjes werden aan de computer instructies gegeven.
Een ponskaart.
Weliswaar is de ponskaart uitgevonden vóór de eerste generatie computers, maar de kaart heeft tot begin jaren tachtig dienst gedaan. Dat betekent dat hij ook werd gebruikt bij de volgende computergeneraties.
In de tweede helft van de twintigste eeuw kwam de ontwikkeling van de computer pas goed op gang. Als gevolg van de vorderingen op het gebied van de techniek en de elektronica kwamen er steeds meer mogelijkheden, met als uiteindelijke resultaat de computer zoals wij die nu kennen. We kunnen de computers indelen in zogenoemde computergeneraties.
Eerste generatie: radiobuizen
De eerste generatie computers dateert uit de tijd van 1940 tot ongeveer 1955 en was gebaseerd op elektronenbuizen (radiobuizen) als schakeleenheden. Wanneer je een radio uit grootmoeders tijd openmaakt, zie je deze zelfde 'lampen' zitten. De computers van de eerste generatie hadden de afmeting van een flink klaslokaal. De snelheid en de prestaties waren voor die tijd geweldig, maar vergeleken met de eerste pcs minimaal.
Ter vergelijking: het aantal instructies per seconde bedroeg ca. 102 (nu meer dan 109) en het geheugen 10 KB (nu enkele gigabytes).
De eerste generatie computers werkte met elektronenbuizen.
Tweede generatie: transistors
Artikel van Automatisering Gids:
"Misser in transistortheorie blokkeert miniaturisering"
Transistors deden hun intrede rond 1955; ze vervingen de radiobuizen. Een transistor heeft twee voordelen boven een radiobuis: hij is kleiner en vraagt minder energie.
De eerste grootschalige toepassing van transistors was in draagbare radio's. Voor een radio met radiobuizen moest je de energie van het elektriciteitsnet betrekken, met een draagbare transistorradio had je aan een aantal batterijen genoeg. Computers van de tweede generatie maakten gebruik van transistors. Ze zijn sneller en kleiner dan die van de eerste.
Een transistor.
Derde generatie: IC's
De computers van de derde generatie (vanaf midden jaren 60) konden flink kleiner worden doordat de schakeleenheden opnieuw sterk verkleind werden. Het zogeheten integrated circuit (IC) deed zijn intrede. Dit is een andere term voor de chip: een dun schijfje siliciumoxide van enkele vierkante millimeters, met daarop zeer kleine schakelingen van transistoren. Deze zijn erop gedampt en dus geïntegreerd.
Vierde generatie: microprocessorchips
Video van Intel over de productie van chips
Artikel van Infoworld:
"Elf nerds aan wie we dit alles hebben te danken"
Halverwege de jaren 70 doet de microprocessorchip zijn intrede en hiermee wordt een nog verdere verkleining bereikt. Hierdoor is het mogelijk op één chip een complete processor te realiseren. Als je een computer van de vierde generatie openmaakt, zie je dat de elektronica maar een klein gedeelte van de inhoud beslaat. De opkomst van de personal computer, vanaf 1981, werd mogelijk dankzij deze voortschrijdende verkleining. De computers van eerdere generaties waren namelijk allesbehalve persoonlijk. Dit zorgde voor een grote verandering in de wijze waarop computers gebruikt werden.
Een illustratie van de voortschrijdende verkleining: een microprocessor naast enkele punaises.
Soorten computers © Instruct
www.computermuseum.li:
heel veel informatie over de geschiedenis van de computer.
Naast de verschillende generaties kunnen we vier soorten computers onderscheiden: de supercomputer, het mainframe, de minicomputer en de microcomputer, oftewel de pc. Elk van deze computers heeft zijn specifieke eigenschappen en mogelijkheden, die we hierna kort bespreken.
Supercomputers
Waarvoor wordt de snelste computer ter wereld gebruikt?:
www.howstuffworks.com
Top 500:
www.top500.org
Artikel van Automatisering Gids:
"De petaflops-barrière is doorbroken"
Artikel van Computer Idee:
"Supercomputer net zo krachtig als 2 miljoen laptops"
Supercomputers zijn de krachtigste en snelste computers die gemaakt worden. Ze worden vooral gebruikt voor gecompliceerde berekeningen. Hierbij moet je denken aan:
ruimtevaartprojecten
wetenschappelijk onderzoek
weersvoorspellingen
Dit betekent dat je zulke computers vooral aantreft bij universiteiten, meteorologische instituten en multinationals. In Nederland zijn maar weinig van dit soort computers aanwezig, naar schatting minder dan tien.
Supercomputers kunnen miljarden instructies per seconde uitvoeren. Bovendien maken ze gebruik van zogeheten parallelle verwerking. Hierbij vinden op hetzelfde moment verschillende bewerkingen naast elkaar plaats, die stuk voor stuk vaak een enorme rekencapaciteit vergen.
In plaats van parallelle verwerking wordt ook wel de termMPP gebruikt. MPP is mogelijk wanneer de computer over een groot aantal processors beschikt.
Mainframe
Artikel van Infoworld:
"Mainframe stokoud maar niet kreupel"
Artikel van Computable:
"Moderne documentatie voor het verleden"
Mainframes zijn eveneens zeer krachtige en snelle computers. Ze zijn in staat om verschillende programmas tegelijkertijd uit te voeren. Tenminste, dat lijkt zo: in werkelijkheid krijgen de programmas na elkaar een kort moment toegewezen om een bewerking uit te voeren, zodat honderden gebruikers op hetzelfde moment op een mainframe kunnen werken.
We spreken in dit verband van time sharing: de processor verdeelt zijn tijd over een groot aantal gebruikers en programmas. Er wordt korte tijd aandacht aan een programma besteed, waarna een volgend programma aan de beurt is.
Een mainframe van IBM uit de jaren 60.
Mainframes zijn ontworpen om grote hoeveelheden gegevens snel te verwerken. Banken gebruiken bijvoorbeeld een mainframe voor het bijhouden van de gegevens van bankrekeningen. Deze computersystemen worden meestal toegepast in organisaties waar de klantenbestanden een belangrijk bedrijfskapitaal vormen. De betrouwbaarheid van deze computers en hun besturingssystemen zorgt ervoor dat bedrijven als banken en verzekeringsmaatschappijen in deze systemen blijven investeren.
In veel bedrijven worden de mainframes met de erop draaiende software beschouwd als zogeheten legacy-systemen. Hiermee wordt bedoeld: verouderde systemen die men niet probleemloos kan moderniseren omdat dan het risico bestaat dat essentiële bedrijfsgegevens verloren gaan.
Minicomputer
Minicomputers, ook wel bekend onder de naam midrangecomputer, zijn kleiner en minder krachtig dan een mainframe. Het aantal mensen dat tegelijk op een minicomputer werkt, blijft meestal beperkt tot enkele tientallen. Minicomputers worden bijvoorbeeld gebruikt bij procesbesturing in fabrieken. Dit type computer wordt ook vaak als netwerkserver ingezet. De kans is groot dat de administratie van jouw school er ook mee werkt.
Microcomputer
Artikel van Automatisering Gids:
"Weer zicht op verlenging wet van Moore"
Een microcomputer, beter bekend onder de naampc, wordt veel gebruikt voor tekstverwerking, boekhoudprogrammas, tekenprogrammas, surfen op het internet, enzovoort. Programmas worden in de systeemeenheid van de pc verwerkt. Vaak worden de gegevens ook op die pc opgeslagen. Als de pc deel uitmaakt van een netwerk, kunnen gegevens ook centraal opgeslagen worden.
Door verbetering van de technische mogelijkheden worden microcomputers steeds sneller en nemen de toepassingsmogelijkheden toe. Als gevolg hiervan worden ze steeds vaker gebruikt op plaatsen waar voorheen een minicomputer of mainframe ingezet werd.
Gordon Moore, een van de oprichters van chipsfabrikant Intel, stelde in de jaren 60 dat het aantal transistors dat op een chips geplaatst kan worden iedere achttien maanden verdubbelt. Dit houdt in dat ook de capaciteit van de processor iedere anderhalf jaar verdubbelt. Tot nog toe heeft Moore gelijk gekregen. Dit principe staat bekend als de Wet van Moore.
Niet alleen in het bedrijfsleven is de pc populair, ook in de meeste huishoudens treffen we er een of meer aan.
Notebook (laptop)
Artikel van Computable:
"De negen nadelen van een notebook"
Artikel van ZDNet:
"Een op de vijf laptops is een netbook"
Artikelen van Webwereld:
"Laptop viert verjaardagsfeestje"
"Laptops nu wereldwijd beter verkocht dan desktops"
Een bijzondere variant van de pc is de draagbare computer: de notebook (ook bekend onder de naam laptop). Een notebook weegt zon 2 tot 4 kilo. Met behulp van oplaadbare batterijen (accus) wordt het apparaat van stroom voorzien.
Op veel kantoren kan de notebook op het computernetwerk worden aangesloten, zodat er gegevens uitgewisseld kunnen worden.
PDA
Een nog kleinere computer is dePDA, die de grootte heeft van een forse mobiele telefoon en vaak ook gebruikt kan worden als mobiele telefoon. Je komt ook wel de term handheld tegen. Enkele populaire toepassingen van zon apparaatje zijn:
agenda- en relatiebeheer
beperkt tekstverwerken
als rekenmachine
Als er een draadloze verbinding met het internet mogelijk is, kan met een PDA ook e-mail worden gelezen en worden gesurft. PDAs hebben soms een piepklein toetsenbordje en in andere gevallen werken ze met een aanraakscherm.
Omdat het apparaat zo klein is, zijn het geheugen en de capaciteit van de harde schijf natuurlijk beperkter dan bij een pc. Er wordt ook een ander besturingssysteem gebruikt, voorbeelden zijn Symbian en Windows CE.
Bij vrijwel alle PDAs is het mogelijk om te synchroniseren met de gegevens op pcs. Dit houdt in dat je veranderingen in bijvoorbeeld je agenda kunt doorvoeren op de agenda van de gewone pc. Dit kan via een zogenoemd docking station plaatsvinden, maar ook draadloos.
Een PDA in een docking station.
Computerarchitectuur © Instruct
Geheugen
Een video over het inwendige van een computer:
www.howstuffworks.com
Computerarchitectuur
Voorbeeld: game
Stel je voor dat je op een computer een autorace-spel speelt. De computer moet dan veel rekenwerk verrichten. De processor moet uitrekenen waar de puntjes op het scherm moeten worden gezet om de auto af te beelden. Als je naar links of naar rechts stuurt, moet hij weer opnieuw beginnen. Ondertussen moet hij ook berekenen hoe de andere autos rijden en ook die moeten op het scherm weergegeven worden. Ook het publiek, de achtergronden en geluidseffecten moeten berekend worden. Al met al heeft de processor het aardig druk.
Geheugen is daarbij om twee redenen noodzakelijk:
De processor kan niet zelf verzinnen wat hij moet doen. Het programma in dit geval het spelprogramma bevat een lijst met duizenden of zelfs miljoenen opdrachten die de processor moet uitvoeren. Er staat in wat er moet gebeuren als je naar links stuurt, als je niets doet, als je botst, enzovoort. De processor moet deze instructies kunnen lezen.
De processor moet kunnen zien wat de uitkomsten van eerdere berekeningen waren. Als door een botsing de auto beschadigd raakt, moet de processor weten dat deze nu minder goed stuurt. Op het moment dat je naar links stuurt, moet de processor weten waar op dat moment de auto is.
Kortom: bij verwerking van gegevens zijn de processor en het (interne) geheugen erg belangrijk.
Nodig voor verwerking
Uit dit voorbeeld blijkt dat voor het verwerken van invoer minstens het volgende nodig is:
Een programma, met opdrachten die de computer moet uitvoeren.
Een processor, om de opdrachten uit te voeren.
Geheugen, om het programma en de gegevens tijdens de verwerking tijdelijk in op te slaan.
In dit gedeelte van de theorie behandelen we de twee rode vlakken: het interne geheugen en de centrale verwerkingseenheid.
Opbouw en werking van de computer
Het schema van invoer, verwerking, uitvoer; hier staan het interne geheugen en de CPU centraal.1 - Bits en bytes © Instruct
Nullen en enen
Over bits en bytes:
www.howstuffworks.com
Hoe weet de computer wat er bedoeld wordt als je bijvoorbeeld een A op het toetsenbord indrukt? Iedere toets die ingedrukt wordt, genereert een combinatie van acht stroomstootjes. Zo'n stroompje kan van een hoge spanning zijn of van een lage spanning:
De hoge spanning geven we voor het gemak aan met een 1.
De lage spanning geven we aan met een 0.
Iedere 0 of 1 wordt eenbit genoemd. Een combinatie van 8 bits noemen we een byte. Ieder teken dat de computer verstuurt of opslaat omvat één byte.
Sinds de eerste computers worden acht bits bij elkaar gegroepeerd. Per acht is in het Engels by eight. Als je dat snel uitspreekt, begrijp je waarom we van byte spreken
Code
Voor het versturen van gegevens en opdrachten is er een code nodig. Het volgende voorbeeld illustreert dat.
Stel dat we beschikken over acht lampjes waarmee we getallen willen laten zien. De gemakkelijkste manier is: 0 (alle lampjes uit) tot en met 8 (alle lampjes aan).
Dit zouden van boven naar beneden de getallen 0, 3 en 8 zijn.
Op deze manier kun je slechts de getallen 0 tot en met 8 weergeven. Als je grotere getallen wilt afbeelden, heb je meer lampjes nodig. Het is daarom veel slimmer om combinaties te maken. In feite spreek je hiermee een code af.
Bijvoorbeeld:
De getallen 1 t/m 8 en het getal 100 in een code.
Het wel of niet branden van een lampje, met andere woorden wel of geen stroom, kun je ook aangeven met 1 of 0. Het getal 6 kun je volgens de afgesproken code dan ook noteren als: 00000110.
2 - ASCII-code © Instruct
Hier vind je een complete ASCII-tabel:
www.ascii.nl
Talstelsels (Logica)
Onderdelen van een computer en computers onderling communiceren met een soortgelijke code.
Als er stroom door een draad loopt, beschouwt de computer dit als een 1.
Loopt er geen stroom door, dan beschouwt de computer dit als een 0.
Met een groep van acht bits kun je 256 verschillende combinaties van nullen en enen maken. Deze 256 combinaties worden gebruikt voor:
de getallen 0 tot en met 9;
de letters a tot en met z;
de letters A tot en met Z.
Dan houd je er nog 256102626 = 194 over voor allerlei andere tekens zoals + , ).
De afgesproken codering staat bekend als deASCII-code. Het is de standaardcode voor het uitwisselen van gegevens. Het maakt niet uit of die uitwisseling binnen één computersysteem of tussen computersystemen gebeurt.
ASCII-tabel
Welke code bij welk teken hoort, kun je aflezen in een ASCII-tabel. In zo'n tabel is een teken gekoppeld aan een bepaalde decimale waarde. Om de binaire code van een teken te vinden moet je het decimale ASCII-getal omrekenen naar het overeenkomstige binaire getal.
Hieronder zijn enkele tekens uit de ASCII-set afgebeeld. Je ziet het desbetreffende teken, gevolgd door de binaire waarde en de decimale waarde.
A: 0100 0001 (=65) a: 0110 0001 (=97)
B: 0100 0010 (=66) b: 0110 0010 (=98)
C: 0100 0011 (=67) c: 0110 0011 (=99)
Ä: 1100 0100 (=196) ë: 1110 1011 (=235)
ASCII is van oorsprong een 7-bits code met 128 verschillende mogelijkheden (27). De meeste computers werken echter met bytes, dus 8-bits codes. In diverse landen bestond behoefte aan extra tekens, bijvoorbeeld aan letters met accenten en valutatekens. (In het overzichtje hierboven bijvoorbeeld Ä en ë). Door ook het 8e bit te gebruiken kon men het aantal mogelijkheden verdubbelen tot 256.
Zo ontstonden de zogeheten extended ASCII-tekensets. Helaas zijn er diverse uitbreidingen ontwikkeld en is 'extended ASCII' niet één bepaalde standaard.
3 - Unicode © Instruct
De officiële site (het Nederlandse deel):
unicode.org
ASCII is wel de meest gangbare, maar niet de enige codering. Doordat veel karakters door de beperking van 256 tekens niet weergegeven kunnen worden denk alleen al aan alle Chinese karakters heeft men een veel uitgebreidere codeset ontwikkeld. Dit werdUnicode.
Unicode biedt ruimte aan honderdduizenden verschillende karaktertekens, waarvan er zon 40.000 zijn vastgesteld. Met dit aantal kunnen alle geschreven talen bestreken worden, evenals bijvoorbeeld wiskundige symbolen en valutatekens. Met Unicode kunnen ook verschillende schriftsoorten in één document worden opgenomen, iets wat ASCII niet toelaat.
Bij ASCII geldt dat één byte één karakter vertegenwoordigt, maar bij Unicode is hiervan geen sprake. Hoeveel bytes een code inneemt, is niet vastgelegd. Wel bestaan er standaarden om de karaktersets in series bytes op te kunnen slaan (zoals UTF-8 en UTF-16).
Overigens zijn nog lang niet alle computers en software in staat Unicode te begrijpen.
4 - Kilobytes en meer © Instruct
In het interne geheugen van de computer wordt de waarde van de bits opgeslagen en als wij daarvoor opdracht geven, wordt deze ook in het externe geheugen (bijvoorbeeld een harde schijf) vastgelegd. In het interne en externe geheugen kunnen miljoenen bytes worden opgeslagen.
SI-stelsel: verouderd!
Meer over tera, giga, mega e.d.:
www.nmi.nl
Artikel van Computable:
"IDC: Explosieve groei van nieuwe data"
Net zoals we grote afstanden niet in centimeters of meters uitdrukken, drukken we de capaciteit van geheugens niet in bytes uit, maar in kilobytes of nog gebruikelijker in megabytes of gigabytes. In de tabel zie je om hoeveel bytes het daarbij gaat. Deze tabel is gebaseerd op het zogeheten SI-stelsel.
Afkorting Aantal bytes Aantal bytes (volgens SI)
1 byte 1 1
1 KB (kilobyte) 1.024 1.000
1 MB (megabyte) 1.048.576 1.000.000
1 GB (gigabyte) 1.073.741.824 1.000.000.000
1 TB (terabyte) 1.099.511.627.776 1.000.000.000.000
IEC-stelsel
Computers werken met nullen en enen en daardoor heb je te maken met het binaire of tweetallige stelsel. Getallen worden uitgedrukt in machten van 2. Zo is 1024 bytes gelijk aan 210 bytes (2x2x2x2x2x2x2x2x2x2). Omdat 1024 en 1000 zo dicht bij elkaar liggen, zeggen we meestal dat 1024 bytes gelijk is aan 1 kilobyte (1 KB). Hetzelfde geldt voor de andere eenheden (zie de tabel).
Dit spraakgebruik blijkt echter voor steeds meer verwarring te zorgen omdat niet duidelijk is of de precieze grootte bedoeld wordt, of de afgeronde SI-getallen. Het RAM-geheugen in een computer wordt bijvoorbeeld in megabytes van 1024×1024 byte aangegeven, maar de capaciteit van harddisks wordt in gigabytes van 1000×1000×1000 byte opgegeven.
Om aan deze onduidelijkheid een einde te maken heeft men aan het eind van de vorige eeuw een nieuwe standaard in het leven geroepen. Deze is ontwikkeld door deIEC.
Men heeft besloten dat de bestaande voorvoegsels kilo, mega, giga en tera gebruikt worden voor machten van 10. Een megabyte is daarmee 1.000.000 bytes (106). Een hoeveelheid van 1024x1024 (220) bytes wordt nu mebibyte genoemd. De letters 'bi' duiden op 'binair'.
De volgende tabel geeft het complete overzicht.
Afkorting Aantal bytes
1 byte 1
1 Ki (kibibyte) 1.024
1 Mi (mebibyte) 1.048.576
1 Gi (gibibyte) 1.073.741.824
1 Ti (tebibyte) 1.099.511.627.776
- Het interne geheugen © Instruct
Standaardonderdelen in de computer
Bekijk hier een video over de inhoud van de systeemkast:
howstuffworks.com
Gegevens zijn voor een computer niets anders dan afzonderlijke reeksen van enen en nullen. Wat komt er allemaal kijken bij de verwerking van die enen en die nullen? We nemen een kijkje in het inwendige van een computer om te ontdekken welke rol de diverse onderdelen spelen bij de verwerking.
Een geopende systeemkast van een towermodel.
Intern geheugen
In het interne geheugen van een computer worden gegevens en instructies voor de verwerking bewaard en deze worden doorgegeven aan de processor. De processor vormt het hart van een computer, maar de processor kan alleen wat doen als hij instructies krijgt. Deze instructies krijgt hij in de vorm van programmas. Voordat de processor deze instructies kan verwerken, moeten de programmas in het geheugen worden geladen.
Het interne geheugen bestaat uit twee soorten geheugenchips:
ROM
RAM
ROM
Meer over het BIOS:
www.howstuffworks.com
Het zogeheten Read Only Memory is een gedeelte van het interne geheugen waarin gegevens staan die alleen gelezen (read only) kunnen worden. Het ROM speelt een grote rol tijdens het opstarten van de computer. Er wordt bijvoorbeeld aan de computer opgedragen om een aantal hardwaretests uit te voeren. Ook het instellen van de belangrijkste onderdelen, zoals de harde schijf en de grafische kaart, gebeurt met behulp van instructies uit het ROM. Verder wordt opdracht gegeven tot het laden van de eerste onderdelen van het besturingssysteem.
De gegevens in het ROM-geheugen worden niet gewist, ook niet als de pc wordt uitgezet.
EEPROM
De chips die je in het ROM aantreft, zijn meestalEEPROM's. Net als de USB-stick is een EEPROM een vorm van flashgeheugen: door middel van elektrische spanning kunnen gegevens gewist worden en nieuwe gegevens toegevoegd. Als je de harde schijf vervangt of het interne geheugen uitbreidt, moeten de EEPROMs aangepast worden. Op die manier kan de computer op de hoogte gebracht worden van bijvoorbeeld een geheugenuitbreiding of een nieuwe harde schijf. Bij het opstarten is dit natuurlijk van belang.
Het lijkt tegenstrijdig: read-only geheugen dat wel gewist en aangepast kan worden. Het read-only aspect heeft echter vooral betrekking op het feit dat de computer bij het opstarten alleen leest uit het ROM. Als de nieuwe hardware door middel van flashen eenmaal bekendgemaakt is aan de EEPROMs, blijven deze tijdens het opstarten onveranderd; dit in tegenstelling tot het RAM.
Een EEPROM op het moederbord.
BIOS (Architectuur)
Belangrijke zaken die via het ROM worden bewaard of uitgevoerd, zijn:
BIOS. Dit omvat de gegevens die de computer nodig heeft om met de belangrijkste randapparaten (harde schijf, toetsenbord en dergelijke) te kunnen werken.
POST. Wanneer de computer opstart, worden de processor, het geheugen en een aantal andere zaken getest. Deze tests worden samen POST genoemd. Het POST-programma wordt in gang gezet door het BIOS.
Setup. Door tijdens het opstarten van de computer een bepaalde toets of toetsencombinatie in te drukken kom je in de Setup: een programma dat allerlei menus op het scherm weergeeft. Met deze menus kun je de gegevens in het BIOS op een eenvoudige manier veranderen. De nieuwe instellingen kunnen vervolgens naar de EEPROM worden weggeschreven.
De naam van de chip waarin de BIOS-gegevens opgeslagen worden, is CMOS. Dat staat voor Complementary Metal Oxid Semiconductor. Die naam slaat op het materiaal waarvan de chip gemaakt is en is eigenlijk nogal onzinnig: de meeste andere chips zijn van hetzelfde materiaal gemaakt.
BIOS aanpassen
Er zijn dus twee mogelijkheden om de gegevens in het BIOS aan te passen:
Via het Setup-programma. Hier kun je instellingen aanpassen. De keuze uit de instellingen ligt vast in het BIOS; je kunt dus alleen kiezen wat aangegeven is.
Door middel van flashen. Het kan voorkomen dat de keuze die jij wilt maken niet in de Setup wordt aangeboden. In dat geval moet je de software van het BIOS geheel vervangen.
RAM
Geheugenmodules en geheugenbanken (Architectuur)
Random Access Memory is het gedeelte van het interne geheugen waarin tijdelijk gegevens en instructies worden opgeslagen. Het wordt ook wel het werkgeheugen van de computer genoemd. Er zijn twee belangrijke verschillen met ROM:
De gegevens die in het RAM staan, veranderen doorlopend.
De gegevens in het RAM gaan verloren als de pc wordt uitgezet. Dus ook als de stroom uitvalt! Ben je op dat moment ergens mee bezig zonder dat er tussentijds iets opgeslagen is, dan ben je het gemaakte werk kwijt. We noemen het RAM dan ook een vorm van vluchtig geheugen; het ROM is niet-vluchtig, oftewel persistent.
In het dagelijkse spraakgebruik is het interne geheugen synoniem met het RAM.
Capaciteit
De capaciteit van het interne geheugen wordt uitgedrukt in gigabytes. De grootte van het interne geheugen is belangrijk: hoe meer gegevens daarin opgeslagen kunnen worden, hoe sneller de computer kan werken.
Als het interne geheugen te klein is, zal de processor de benodigde gegevens van en naar de harde schijf moeten halen en brengen. Dat kost meer tijd omdat de toegangstijd van de harde schijf veel groter is dan van het geheugen.
2 - Het moederbord © Instruct
Meer over het moederbord:
www.howstuffworks.com
De pcs van tegenwoordig worden hoofdzakelijk als towermodel geleverd. Aan een van de zijkanten van een towermodel bevindt zich een grote printplaat. Hierop is een doolhof van chips, koperen leidingen en aansluitpunten voor onderdelen aangebracht. Deze plaat wordtmoederbord genoemd.
De belangrijkste functie van het moederbord is dat het alle andere onderdelen met elkaar verbindt. De processor, het geheugen, de harde schijf, het diskettestation en de cd/dvd-speler worden niet direct met elkaar verbonden, maar worden op de bedrading van het moederbord aangesloten.
Een foto (van boven) en een schematische weergave van een moederbord.
Alle onderdelen waarvan de computer gebruik maakt, moeten (direct of indirect) met het moederbord verbonden zijn. Anders kan de processor ze niet besturen. De uitgangen aan de achterkant van de computer (waarop de monitor, het toetsenbord en andere apparaten aangesloten kunnen worden) zijn dus de stopcontacten van het moederbord.
3 - De Central Processing Unit (CPU) © Instruct
Multicore
Artikel uit Computable:
"Multicore processor stuwt energieverbruik servers"
De Central Processing Unit is het hart van de pc: deze bestuurt het hele computersysteem. Als Nederlandse term hoor je wel eens 'centrale verwerkingseenheid' (CVE).
Tegenwoordig is de CPU een zogeheten multicore processor. Het Engelse woord 'core' betekent 'kern'; de processor bestaat dus als het ware uit diverse kernen, die apart instructies kunnen verwerken. Hierdoor kan multitasking een stuk sneller verlopen. Momenteel zijn processors met vier kernen gangbaar; deze worden quad core genoemd.
Twee voorbeelden van quad core processors:
Intel Core 2 Quad
AMD Opteron 64
De AMD Opteron 64.
Bij een mini, mainframe of supercomputer zijn er doorgaans verschillende processors die voor de verwerking zorgen. We spreken dan van multiprocessorsystemen. Dit is niet hetzelfde als een multicore processor!
Een processor uitrusten met meerdere kernen heeft als voordeel dat er tegen geringe kosten behoorlijk wat snelheid gewonnen kan worden. Je kunt een oude processor gemakkelijk vervangen door een nieuwe met meer kernen. Daardoor wordt een computer voor relatief weinig geld een stuk sneller. Wel is het zaak de warmteontwikkeling in de systeemkast in de gaten te houden, want een multicoreprocessor verbruikt veel meer energie.
Ook moet erop gelet worden dat het besturingssysteem quad core ondersteunt.
Taken van de CPU
De CPU regelt alle gegevensverwerking in de pc. Daarmee zorgt de processor voor de besturing van de computer én voor het uitvoeren van berekeningen.
In feite kun je de CPU splitsen in:
een besturingsorgaan
een rekenorgaan
De processor als grote regelaar.
De taken van de processor zijn bijvoorbeeld:
het ophalen van instructies en gegevens uit het interne geheugen;
het laten uitvoeren van berekeningen door het rekenorgaan;
het opslaan van resultaten in het computergeheugen;
het regelen van de uitvoer van gegevens, bijvoorbeeld naar beeldscherm of printer.
Snelheid van een processor
Artikel van Webwereld:
"IBM stopt waterkoeling in de processor"
Of een processor snel genoemd kan worden, heeft te maken met de snelheid waarmee hij gegevens verwerkt: deverwerkingssnelheid. Deze heeft betrekking op de hoeveelheid instructies die een computer in één seconde kan verwerken. Daarom wordt deze snelheid uitgedrukt inmips.
Behalve over de verwerkingssnelheid kun je bij een computer ook spreken van de kloksnelheid. Deze wordt bepaald door de klokchip, die een vast aantal malen per seconde een puls aan de processor geeft om (als een dirigent) alle verwerkingsstappen synchroon te laten lopen. Het aantal pulsen per seconde, dus de kloksnelheid, drukken we uit in Hertz (Hz).
De verwerkingssnelheid is dus iets anders dan de kloksnelheid. Voor het uitvoeren van een instructie zijn namelijk vaak meerdere pulsen van de klok nodig. Om hoeveel pulsen dit gaat, is afhankelijk van het type processor en het type instructie.
De kloksnelheid van moderne pcs bedraagt meer dan 3 GigaHertz, dat wil zeggen 3.000.000.000 pulsen per seconde.
Ter vergelijking: de eerste consumenten-pc, die een 8088-processor bezat, had een kloksnelheid van 5-8 MHz!
Cachegeheugen
De producenten van computers zijn voortdurend op zoek naar manieren om een processor sneller te maken. De toepassing van dual core, die hierboven genoemd is, is een methode om dit te bereiken. Ook de aanwezigheid van cachegeheugen draagt bij aan een snellere gegevensverwerking.
Het ophalen van instructies en gegevens uit het interne geheugen kost tijd. Die tijd kan verkort worden door de instructies en gegevens op te slaan in extra snel werkgeheugen, dat de processor rechtstreeks kan gebruiken en dat dicht bij die processor (of zelfs erin) zit. Dit noemen we het cachegeheugen van de processor. Door gebruik van het cachegeheugen worden de prestaties van de computer sterk vergroot. Het is wel een stuk duurder dan het gewone werkgeheugen.
Pipelining
Het uitvoeren van een instructie kan aanmerkelijk versneld worden als de instructie wordt gesplitst in deelinstructies die elk in één klokpuls uitgevoerd kunnen worden. Deze deelinstructies worden sequentieel door een onderdeel van de processor uitgevoerd. Door nu de processor te voorzien van de mogelijkheid om deze deelinstructies parallel uit te voeren, neemt de efficiëntie per klokpuls toe.
Deze techniek wordt pipelining genoemd. Het onderdeel van de processor waar de instructies worden uitgevoerd heet pipeline stage.
Branch prediction
Als een instructie in de ene pipeline stage moet wachten op de uitkomst van een andere pipeline stage, is pipelining niet zo effectief. Dit wordt opgelost door middel van branch prediction. Dit houdt in dat de processor vast bedenkt welke instructie er volgt en deze ook vast uitvoert.
Als de voorspelling juist is, werkt de processor efficiënter.
Is de voorspelling niet correct, dan moet de processor de verkeerde instructie en de bijbehorende gegevens verwijderen en dat kost natuurlijk tijd.
Toch hoeft dit laatste niet zo vaak te gebeuren, want in zon 90% van de gevallen blijkt de voorspelling juist te zijn.
4 - Bus © Instruct
Historisch overzicht van bussen.
Om gegevens van het interne geheugen naar de processor of de randapparatuur te brengen, moet er een verbinding tussen die onderdelen zijn. Zon verbinding noemen we een bus. Zonder bus kunnen de onderdelen van de computer niet met elkaar communiceren. Wanneer je bijvoorbeeld via je toetsenbord een e-mailtje invoert, gaan de aanslagen (in de vorm van nullen en enen) via de bus naar de processor.
Een bus is dus een fysieke verbinding
tussen de processor en het interne geheugen óf
tussen de processor en de randapparatuur.
Systeembus en I/O-bussen
I/O, IRQ en DMA
De belangrijkste bus is de systeembus, ook wel local bus of front side bus (FSB) genoemd. Deze verbindt de processor met het interne geheugen. De andere bussen, die de communicatie tussen de randapparaten verzorgen, worden de I/O-bussen genoemd
Binnen de FSB (en ook binnen de I/O-bussen) onderscheiden we drie verschillende bussen:
de databus
de adresbus
de controlbus
Twee vormen
Bussen komen in twee vormen voor:
Als voorgedrukte bedrading op een printplaat. Deze vormt bijvoorbeeld de verbinding tussen het interne geheugen en de processor.
Als een losse kabel, meestal een lintkabel. Hierdoor worden bijvoorbeeld intern en extern geheugen (harde schijf, cd/dvd) met elkaar verbonden.
Snelheid
Voor de snelheid van de verbinding zijn twee zaken van belang:
De lengte van de verbinding (in centimeters). Hoe korter de bus, hoe sneller de verbinding.
De busbreedte. Hieronder verstaan we het aantal bits dat tegelijk door de bus getransporteerd kan worden: 8, 16, 32 of meer.
Databus
Over de databus worden de te verwerken gegevens verstuurd tussen de processor, het geheugen en andere apparaten. De snelheid waarmee de gegevens op de databus worden gezet, hangt af van de klokchip. Daarnaast geldt hoe breder de databus, hoe meer bits tegelijkertijd verstuurd kunnen worden en hoe sneller de computer werkt. De databus wordt ook wel processorbus genoemd.
De bus die momenteel het meest wordt toegepast isPCI-Express. Dit is een snelle verbinding die busmastering en plug-and-play ondersteunt:
Busmastering is de techniek waarbij gegevens van de ene kaart naar de andere worden verzonden zonder hulp van de processor.
Plug-and-play wil zeggen dat een aangesloten apparaat herkend wordt door het besturingssysteem zonder dat de gebruiker iets aan de instellingen hoeft te veranderen.
Oudere bustypen die je ook nog steeds tegenkomt zijn:
PCI Dit is de tragere voorganger van PCI-Express.
ISA en EISA DeISA-bus is een verouderde bus voor uitbreidingskaarten. Er zijn verschillende uitvoeringen verschenen. EISA, waarbij de E staat voor Extended, was de opvolger van ISA, maar ook deze standaard is verouderd.
Let op: aan het einde van een bus zit een slot, waarin de kaart gestoken wordt. Een PCI-kaart stop je dus in het PCI-slot van de PCI-bus.
PCI-E-slots.
Controlbus
Via de controlbus die ook wel besturingsbus wordt genoemd worden de aanwijzingen verstuurd hoe de gegevens van de databus verwerkt moeten worden, dus wat de processor ermee moet doen. De klokchip bepaalt de snelheid waarmee deze aanwijzingen worden gegeven.
Adresbus
Wanneer via de databus gegevens verzonden worden, moet het moederbord weten waar deze gegevens naartoe moeten. Via de adresbus wordt het adres van de geheugenplaats meegestuurd. De breedte van deze bus is bepalend voor het maximale aantal plaatsen in het RAM dat geadresseerd kan worden en daarmee voor de maximale hoeveelheid geheugen die gebruikt kan worden.
Uitbreidingen op bussen
SCSI en AGP zijn te beschouwen als uitbreidingen op de busstructuur. Beide zijn op dit moment wel verouderd.
SCSI
EenSCSI-kaart wordt op de bestaande busstructuur in de computer aangesloten. Op deze kaart kunnen vervolgens weer andere apparaten (vooral opslagmedia) worden aangesloten. De SCSI-kaart bevat een kleine processor, die de besturing van die aangesloten apparaten regelt en zorgt dat ze onderling kunnen communiceren.
AGP
DeAGP-bus is een uitbreiding die was bedoeld om afbeeldingen sneller op het beeldscherm te laten verschijnen. Deze bus biedt plaats aan een videokaart die AGP ondersteunt. AGP is grotendeels verdrongen door PCI-Express.
5 - De werking van de processor © Instruct
Hier vind je informatie over de werking van de CPU:
electronica.infonu.nl
Logische schakelingen
Vrijwel alle bestaande computers werken volgens het Von Neumann-principe. Dit houdt in dat er een scheiding is tussen de verwerkingseenheid en het geheugen voor de opslag van instructies en gegevens. John Von Neumann was een Hongaarse wis- en natuurkundige die leefde in de eerste helft van de 20e eeuw.
Een computer doet niets zonder een programma. Een computerprogramma bestaat uit een groot aantal instructies die gedetailleerd beschrijven wat een processor moet doen. Een instructie kunnen we beschouwen als een nauwkeurig beschreven stap in een totaal van uit te voeren handelingen.
Een voorbeeld: wanneer we willen dat de computer twee getallen optelt, moeten deze getallen uit het interne geheugen worden opgehaald en via de bussen naar de processor worden gebracht. Het resultaat van de optelling moet uit de processor naar het interne geheugen worden overgebracht.
Twee soorten instructies
De processor verwerkt daarvoor twee soorten instructies:
Rekeninstructies
Hierbij gaat het niet alleen om rekenkundige bewerkingen zoals wij die kennen (optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, enzovoort), maar ook om logische bewerkingen zoals vergelijken (is groter dan, is gelijk aan). De CPU is voortdurend aan het rekenen en vergelijken als hij bij het sorteren van een gegevensbestand bijvoorbeeld moet bepalen of mevrouw K.P. Oosterhof vóór de heer J.G. Miedema moet komen.
In- en uitvoerinstructies
In- en uitvoerinstructies vallen onder de besturingstaak van de CPU. Hierbij moet je denken aan het doorvoeren van gegevens van en naar het geheugen, bijvoorbeeld het opslaan van een document op de harde schijf.
Gezien deze twee soorten instructies is het goed te verklaren dat de CPU uit twee hoofdonderdelen bestaat:
het rekenorgaan, ook wel aan geduid met de termALU
het besturingsorgaan
Verder bevat de CPU speciale schakelingen, waaronder snelle registers voor tijdelijke opslag van instructies en gegevens.
Registers
De belangrijkste registers in de CPU zijn:
het instructieregister, waarin de instructie staat die in behandeling is;
de program counter met het geheugenadres van de eerstvolgende instructie;
de rekenregisters, met getallen die voor berekeningen nodig zijn.
Deelinstructies
Als de CPU een instructie uitvoert, kunnen we de volgende deelinstructies onderscheiden:
De uit te voeren instructie wordt opgezocht in het interne geheugen, in het instructieregister.
De eerstvolgende instructie wordt aangewezen en de program counter wordt verhoogd.
De instructie uit het instructieregister wordt geanalyseerd.
De instructie uit het instructieregister wordt uitgevoerd.
Het resultaat van de instructie wordt opgeslagen.
Schematische voorstelling van de uitvoering van een instructie door de CPU.
Instructiecyclus
Deze vijf stappen noemen we de instructiecyclus. Deze cyclus wordt steeds herhaald totdat alle instructies van het programma zijn afgewerkt. De deelinstructies worden door middel van pipelining via het volgende schema afgewerkt:
Stage 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
Stage 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 6.1 6.2 6.3 6.4
Stage 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 7.1 7.2 7.3
Stage 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 8.1 8.2
Op deze wijze is de processor, als er vier pipeline stages zijn, op een gegeven moment met vier instructies tegelijkertijd bezig. Een probleem kan ontstaan als bijvoorbeeld instructie 7 afhankelijk is van het resultaat van instructie 4. Door middel van branch prediction wordt geprobeerd zoveel mogelijk te voorkomen dat onnodig aan een instructie wordt begonnen.
6 - Uitbreidingskaarten © Instruct
Bussen en uitbreidingskaarten
Uitbreidingskaarten of interfacekaarten zijn kaarten met daarop chips en leidingen, die zich grotendeels in de systeemkast bevinden (zie onderstaande figuur). Bij uitbreidingskaarten moet je bijvoorbeeld denken aan de netwerkkaart, waar de netwerkkabel in past. Op het moederbord zitten speciale gleuven waar deze kaarten in passen. Dit zijn deuitbreidingsslots.
Een geopende systeemkast van een towermodel.
Het begrip interface ken je waarschijnlijk uit de term 'grafische interface'. Het woord kent echter een ruimere betekenis; het is de gemeenschappelijke grens tussen twee systemen, bijvoorbeeld tussen een computer en de randapparatuur of tussen een computer en de gebruiker.
In dat laatste geval kan er sprake zijn van een grafische gebruikersinterface, maar dat hoeft niet.
Veel functionaliteit die vroeger in een uitbreidingskaart zat, is bij moderne computers ingebouwd op het moederbord (oftewel on board). Toch worden er nog veel losse uitbreidingskaarten toegevoegd. Ze hebben als voordeel dat ze eenvoudig vervangen kunnen worden. Bovendien zijn ze kwalitatief vaak beter dan de ingebouwde standaardvoorziening.
Grafische kaart
Over de werking van een grafische kaart:
howstuffworks.com
Voor veel computergebruikers is de standaard ingebouwde grafische voorziening vaak niet voldoende om het beeld snel genoeg te laten opbouwen. Zij rusten hun computer dan uit met een extra grafische kaart. Zon grafische kaart, ook wel videokaart geheten, zorgt voor de gegevensstroom naar het beeldscherm. De aansluiting op deze kaart is zichtbaar aan de achterkant van de computer: hierop sluit je de monitor aan.
De kwaliteit van het beeld en de snelheid waarmee het beeld wordt opgebouwd, is sterk afhankelijk van de grafische kaart. Een nieuwe grafische kaart, met meer geheugen, kan de prestaties van de pc vaak aanzienlijk verhogen. Vrijwel elke computer is uitgerust met eenSVGA-kaart, met meer of minder mogelijkheden om gecompliceerde beeldopbouw van de CPU over te nemen.
Geluidskaart
Ook de ingebouwde mogelijkheden om geluid voort te brengen worden niet door iedereen als voldoende beschouwd. Vandaar dat er nog regelmatig geluidskaarten in een uitbreidingsslot worden geplaatst, zeker door mensen die computerspellen spelen of vaak audio-cds afspelen. Op een geluidskaart worden de luidsprekers aangesloten. Hoe de geluidskwaliteit uiteindelijk is, is natuurlijk mede afhankelijk van de speakers.
Twee uitbreidingskaarten (onderop een grafische kaart, bovenop een geluidskaart).
Netwerkkaart
Hoewel ook deze voorziening tegenwoordig vaak on board wordt aangetroffen, bestaan er nog steeds netwerkkaarten. Zon kaart zorgt voor de verbinding tussen de pc en het netwerk indien de pc is opgenomen in een netwerk of aangesloten op het internet.
PCMCIA-kaart
Hoewel dit type zijn langste tijd heeft gehad, noemen we hem nog wel. De PCMCIA-kaart, ook wel PC Card geheten, is speciaal voor laptops ontwikkeld en kan aan de buitenkant in de computer worden gestoken. Er zijn onder meer kaarten verkrijgbaar die als modem werken, of als extra geheugen.
De opkomst van het draadloze netwerk, de inbouw van netwerkkaarten en het gebruik van de USB-stick hebben deze kaart overbodig gemaakt.
7 - De chipset © Instruct
Naast de processor zijn er enkele ondersteunende chips nodig om de computer vlot te laten werken. Deze chips horen bij elkaar en worden daarom chipset genoemd. De chipset speelt een belangrijke rol in het regelen van het verkeer over de bussen.
De chipset bestaat doorgaans uit twee aparte chips: de North bridge en de South bridge.
De North bridge regelt het verkeer tussen de snelle onderdelen van een computer: tussen de CPU en het interne geheugen en de grafische kaart.
De South bridge zorgt voor communicatie met de relatief tragere componenten: het toetsenbord, de harde schijf, het diskettestation, de USB-poort en de PCI-E-slots.
Het onderstaande schema verduidelijkt een en ander. Hierin is tevens te zien dat de Front Side Bus de verbinding vormt tussen de CPU en de chipset.
|
