28
3
ENIGMA
Informatieboek
Hardware
1 BASISSCHEMA VAN DE COMPUTER Het binnenste van een computer is op het eerste gezicht een wirwar van onderdelen en kabels: een printplaat met daarop een aantal chips en andere elektronische componenten. Daarnaast zie je ook de voeding, de behuizing van harde schijf, het diskettestation en dergelijke. Al die onderdelen staan met elkaar in verbinding via platte of ronde kabels. Op de printplaat zitten connectoren om beeldscherm, toetsenbord, muis en printer aan te sluiten. Het lijkt ingewikkeld, maar het principe van de structuur van een computersysteem is vrij simpel. Om dat principe te begrijpen, maak je gebruik van een model. Je laat in dit model alle details weg die er niet toe doen: het materiaal, de kleur, de uiterlijke vorm van de onderdelen, de kabels, de behuizing, de printplaten en ga maar door. Wanneer je een computer gaat fabriceren, zijn al deze details wel belangrijk, maar niet als je de functie van het apparaat wilt bestuderen. Als je al deze details weglaat, kun je een computer schematisch weergeven als een aantal min of meer zelfstandige componenten die via een kabel met elkaar communiceren.
Om dit te begrijpen maken we een vergelijking met de kabeltelevisie. Peter wil met zijn klas naar een uitzending van Teleac kijken. Het programma wordt uitgezonden op Nederland 2, maar hij vraagt zich af wat hij zal doen: de tv aanzetten als het programma wordt uitgezonden of het programma opnemen op de harddiskrecorder en het op een later tijdstip met de klas bekijken? De harddiskrecorder in de klas is aangesloten op de kabel. Vanuit de recorder gaat een kabel naar de tv. Televisieprogramma's worden via de kabel doorgegeven. Als Peter het programma zou willen bekijken op het moment dat het wordt uitgezonden, stemt hij de tv af op Nederland 2. De tv haalt in dat geval het programma rechtstreeks van de kabel. Peter besluit het programma op te nemen. Hij stelt de harddiskrecorder in, zodat het programma wordt opgenomen. De harddiskrecorder haalt het programma van de kabel en kopieert het op de harde schijf. Wanneer Peter dat zou willen, zou hij nu met zijn klas naar een programma op een andere zender kunnen kijken, terwijl de harddiskrecorder de Teleacuitzending op Nederland 2 opneemt. Beide apparaten halen dan een programma van de kabel. De volgende dag gaat de klas het programma bekijken. Peter zet de tv op het kanaal van de recorder en start het programma van de harde schijf. De recorder zet het programma op de kabel en de tv haalt het van de kabel.
Hoofdstuk 3
Hardware
29
De harddiskrecorder kan een programma van de kabel halen (lezen) en een programma op de kabel zetten (schrijven). De tv kan alleen een programma lezen van de kabel. opdracht 1-2 In een computersysteem wordt de kabel waarlangs de communicatie plaatsvindt de bus genoemd. De bus bestaat uit een aantal parallelle draden van geleidend materiaal (bij een Core 2 Duo-computer meer dan 100). Alle componenten van het computersysteem zoals het werkgeheugen, de processor, de harde schijf, het toetsenbord en de monitor, zijn op de bus aangesloten. Een computer gebruikt stroomstootjes om data te verzenden of te verwerken. Die stroomstootjes bestaan uit een hoge of lage spanning. De hoge spanning wordt voorgesteld als een 1, de lage spanning als een 0. Dat vertegenwoordigt een bit. Vrijwel elke component kan data in de vorm van bits op de bus zetten. De draden van de bus vormen samen een aantal bits, een binair getal. Alle componenten kunnen deze binaire getallen permanent waarnemen, zodat Peter alle televisieprogramma's steeds tot zijn beschikking heeft. 1.1 HET VERLOOP VAN DE COMMUNICATIE Stel dat de CPU een letterteken naar de printer wil sturen. Je noemt dit een schrijftransactie. De printer heeft een uniek apparaatadres (een identificatienummer). De CPU zet het apparaatadres en de lettertekencode op de bus. De printer 'ziet' aan het apparaatadres dat op de bus staat, dat deze data voor hem bestemd zijn en haalt de lettertekencode binnen. De andere componenten zien aan het apparaatadres dat deze transactie niet voor hen bestemd is en negeren de lettertekencode.
Het principe van de communicatie via de bus is dat de zender het apparaatadres en de data op de bus zet. De ontvanger herkent het apparaatadres en haalt de data binnen. In een modern computersysteem vinden per seconde miljoenen van deze transacties plaats. Het is ook mogelijk dat het initiatief voor de transactie bij de ontvanger ligt. In dat geval spreek je van een leestransactie. Wanneer je op het toetsenbord een lettertoets indrukt, wordt de lettercode in de geheugenbuffer van het toetsenbord gezet. Er wordt een signaal via de toetsenbordkabel naar de CPU gestuurd om mee te delen dat er een lettercode op verwerking staat te wachten. De CPU leest de lettercode uit de buffer en verwerkt die. Het werkgeheugen kan beschouwd worden als een archiefkast, waarin elke lade een eigen adres heeft. Elke lade uit het werkgeheugen is opgebouwd uit geheugenplaatsen met een lengte van 1 byte. Voor de archiefkast staat de archivaris (de memory controller), die alleen reageert op een transactie wanneer het een lade uit de archiefkast betreft. Alle andere transacties laat hij ongemoeid. Het type transactie (lezen of schrijven) is een apart gegeven dat meegestuurd moet worden over de bus. Dat wordt een stuurgegeven genoemd. Het stuurgegeven moet bij elke transactie worden verzonden. Het adres speelt niet altijd een rol, bijvoorbeeld als
30
ENIGMA
Informatieboek
het een boodschap is voor alle componenten. Er zijn ook transacties waarbij geen data worden verzonden, bijvoorbeeld als de printer meldt dat de opdracht verwerkt is. Bij een transactie is dus altijd sprake van een stuurgegeven, meestal van een apparaatadres en vaak van data. opdracht 3-4
1.2 DE BOUW VAN DE BUS De bus zou uit één draadje kunnen bestaan. De bits van de transacties worden dan netjes achter elkaar op de bus gezet. Alle componenten moeten in dat geval nauwkeurig bijhouden hoe ver de transacties zijn gevorderd. Een dergelijke opzet zou het computersysteem erg traag maken. Daarom is de bus opgebouwd uit een aantal draadjes, een draadje voor elke bit van het stuurgegeven, het adres en de data. In moderne pc’s bestaat de bus uit meer dan 100 draden. De databus transporteert de gegevens (de data) tussen de verschillende componenten van het computersysteem. De capaciteit van de databus wordt bepaald door de busbreedte en de bussnelheid. De databus bestaat uit een aantal lijnen. Op iedere lijn kan gelijktijdig een bit geplaatst worden. Het aantal lijnen van de databus, de busbreedte, bepaald hoeveel bits er gelijktijdig verstuurd kunnen worden. Bij een moderne pc zijn dat 64 bits ofwel 8 bytes. De adresbus verstuurt het adres van de component waar de gegevens naar toe gestuurd moeten worden of waar ze vandaan gehaald moeten worden. Voor de adresbus geldt dat de breedte van de bus bepalend is hoeveel adressen er kunnen zijn. De breedte van het adres is bepalend voor de grootte van het RAM-geheugen. De controlbus zorgt voor het versturen van stuurgegevens. Zo zijn er stuurgegevens die aangeven of de CPU data leest of schrijft of dat de CPU geen gebruik maakt van de bus. Twee lijnen, de read en de write, geven dat aan. Staat op beide lijnen een 1 dan doet de CPU niets, staat er alleen op de readlijn een 1 dan leest de CPU en staat er alleen op de writelijn een 1 dan schrijft de CPU. Naast deze beide lijnen bevat de controlbus onder andere lijnen voor de signalen van de klok, interrupts, reset, dma. De eerste IBM pc (1981) had een 8-bits databus, een 20-bits adresbus en een controlbus. Door deze smalle databus moesten er meer transacties achter elkaar worden gezet, wat nadelig was voor de snelheid van het computersysteem. De breedte van de adresbus stelde een grens aan de omvang van het werkgeheugen. De eerste IBM pc kon maximaal 1 MB aan werkgeheugen adresseren (220) tegenover 64 GB van een moderne pc (236). opdracht 5
1.3 DE BUSARBITER EN DE KLOK Wanneer twee componenten tegelijk willen zenden of ontvangen, wordt het een chaos op de bus. Daarom wordt het verkeer op de bus geregeld door de busarbiter. Iedere component die een transactie op de bus wil plaatsen, vraagt dat via de controlbus bij de arbiter aan en wacht tot er toestemming komt. Om de transacties op de bus goed te laten verlopen wordt de bus bestuurd door een klok. De kloksnelheid van de bus in de huidige pc's is ligt boven de 500 MHz (500 miljoen keer per seconde). Dat is wel langzamer dan de kloksnelheid van de CPU, die meer dan 2 miljard keer per seconde tikt (2 GHz).
Hoofdstuk 3
Hardware
31
In elke klokperiode van de bus, die een honderdmiljoenste van een seconde duurt, kan één transactie plaatsvinden. Dit wordt een buscyclus genoemd. Aan het begin van een buscyclus zet de zender zijn boodschap op de bus, aan het eind leest iedere component de bus. 1.4 COMPUTERS IN SOORTEN EN MATEN Er zijn veel variaties mogelijk op het hierboven beschreven basisthema. Zo zijn er de hele kleine computers op één chip. In een verwarmingsthermostaat bijvoorbeeld zit een chip die als invoer een temperatuurregelaar en een temperatuursensor heeft. Als uitvoer wordt een elektrisch signaal (actuator) naar de verwarmingsketel gestuurd om die aan of uit te zetten. Dergelijke kleine computers, die maar voor één toepassing geschikt zijn, worden vaak ingebouwd in apparaten, zoals een cd-speler, een wasautomaat, een vliegtuig, een hartbewakingsmachine. Deze embedded systems zitten ook in het toetsenbord, de printer en de modem. Aan de andere kant zijn er de supercomputers met tientallen processoren, die vooral voor complex rekenwerk worden gebruikt, bijvoorbeeld in de ruimtevaart en in wetenschappelijke laboratoria. Deze supercomputers kunnen meerdere transacties gelijktijdig uitvoeren, omdat de CPU's parallel geschakeld zijn. Bij de overheid, banken en verzekeraars vind je mainframes, die gebruikt worden voor administratieve toepassingen. Columbia, de nieuwe supercomputer Een mainframe bestaat uit een grote centrale (2004) van de NASA computer met meerdere CPU's, een groot werkgeheugen en achtergrondgeheugen (harde schijven, magnetische tapes) voor de opslag van data. Aan een mainframe zijn meerdere terminals aangesloten. Terminals kunnen ‘dom’ zijn, dat wil zeggen dat ze alleen bestaan uit een toetsenbord en monitor, waarbij het rekenwerk door het mainframe wordt verzorgd. Maar ook een pc kan als terminal fungeren. Daarnaast zijn er netwerkcomputers ('thin clients'): pc's zonder achtergrondgeheugen. In tegenstelling tot de 'domme' terminal heeft een netwerkcomputer een CPU en een werkgeheugen. In plaats van een mainframe of een minicomputer (een kleinere uitvoering van een mainframe) gebruiken bedrijven tegenwoordig steeds vaker een server waaraan een aantal pc's en/of netwerkcomputers gekoppeld is. Een server is een zware pc met een of meerdere CPU's, veel werkgeheugen en een of meer grote harde schijven. opdracht 6 - 18
32
ENIGMA
Informatieboek
2 PROCESSORS 2.1 DE WERKING VAN DE PROCESSOR De 'intelligentie' van een computer zit in de processor. Voor de processor worden verschillende benamingen gebruikt, zoals CPU (Central Processing Unit) en CVE (Centrale Verwerkingseenheid). De processor is de component die de programma's uitvoert. Daarvoor haalt de processor via de bus een onafgebroken stroom van instructies op en voert die uit. De snelheid van de CPU is in de loop van de jaren toegenomen. Er zijn verschillende types processoren: PowerPC, Dual Core, Athlon. Niet elk besturingssysteem kan op elk type processor worden gebruikt. Intel Core 2 Duo E6600 Tot begin jaren zeventig was de processor een manshoge kast, in de jaren tachtig werd het een printplaat. Daarna begon de opmars van de microprocessor: een ‘chip’ van enkele vierkante centimeters. Een hedendaagse Dual Core bevat tientallen miljoenen microscopisch kleine componenten. opdracht 19 De processor bevat tenminste drie onderdelen: • de ALU (Arithmetic and Logic Unit) voert de rekenkundige en logische bewerkingen uit; • de registers functioneren als een tijdelijk geheugen (kladblok) waar data worden opgeslagen zodat de ALU die kan bewerken; • de Control Unit gebruikt de ALU en de registers om de stroom instructies die over de bus gaan, uit te voeren.
een Intel 80486DX2 CPU van binnen
Hoofdstuk 3
33
Hardware
2.2 DE PROCESSOR IN DETAIL Alle processors werken volgens het principe van 1 instructie ophalen, 2 analyseren en 3 uitvoeren. Wanneer een programma wordt uitgevoerd, verwerkt de processor de opdrachten (instructies) in deze volgorde: 1 Eerst kopieert de Control Unit een instructie uit het werkgeheugen naar OPHALEN een speciaal register, het instructiereINSTRUCTIE gister. 2 Vervolgens wordt de instructie geanalyseerd door de Control Unit. 3 Uiteindelijk voert de ALU de bewerking uit. Dit proces wordt steeds herhaald. Vandaar dat men spreekt van de instructiecyclus. opdracht 20
ANALYSEREN INSTRUCTIE
UITVOEREN INSTRUCTIE
Iedere instructie die door de processor tijdens een instructiecyclus wordt verwerkt, bestaat uit een rij bits, bijvoorbeeld: 01101101000010010000001100000100. Deze rij bits lijkt voor ons een willekeurige reeks enen en nullen, maar toch er zit een structuur in. De opbouw van de instructie is zo gekozen dat de processor deze zo eenvoudig mogelijk kan analyseren. In de machinetaal die in dit voorbeeld gebruikt wordt, worden de eerste 8 bits gebruikt om aan te geven welke bewerking de ALU moet uitvoeren. Dit wordt de operatiecode genoemd: 01101101. Er zijn codes voor rekenkundige bewerkingen zoals optellen, aftrekken, vermenigvuldigen of delen. Daarnaast voert de ALU logische bewerking uit, zoals de AND en de OR. Achter de operatiecode volgen nog drie keer 8 bits. Dit zijn de operandcodes. Als de ALU een bepaald getal moet bewerken, kan het getal als operandcode in de instructie worden opgenomen, of de vindplaats (het adres) van het getal in het werkgeheugen, het nummer van het register dat het getal bevat.
01101101
00001001
00000011
00000100
operatiecode
operandcode
operandcode
operandcode
De registers vormen een klein maar supersnel geheugen, een soort kladblok. De ALU kan alleen gegevens bewerken die in een register staan. Daarom moeten gegevens eerst vanuit het werkgeheugen naar een register worden gekopieerd. Een klein aantal registers heeft een speciale functie. De overige vormen het werkgebied van de ALU. Eén register is de instructieteller of program counter. Die bevat het adres van de volgende uit te voeren instructie. Wanneer een nieuwe instructiecyclus start, leest de Control Unit de instructie die op het adres in de program counter staat en zet die in het instructieregister. Onmiddellijk na het ophalen van de instructie wordt de programcounter verhoogd.
34
ENIGMA
Informatieboek
Je hebt gezien dat een instructie bestaat uit een rij bits (in ons voorbeeld 32 bits). Een programma bestaat weer uit een rij opeenvolgende instructies in het geheugen. Dergelijke rijen bits zijn handig voor elektronische verwerking, maar voor de menselijke programmeur moeilijk. Je zult begrijpen dat het maken van een programma met duizenden instructies monnikenwerk is en tot fouten leidt. Programmeren wordt al eenvoudiger als elke bitrij met gewone letters en cijfers kan worden weergegeven. Dit wordt een assembleertaal genoemd. Onze machine-instructie 0110 1101 0000 1001 0000 0011 0000 0100 kan in assembleertaal als volgt worden genoteerd: ADD R9,R3,R4. Dat kan betekenen: tel de inhoud van de registers 3 en 4 bij elkaar op en zet het resultaat in register 9. Om de notatie in assembleertaal te vertalen naar machinecode (rijen bits) is een programma nodig: een assembler. In principe is de assembler het enige programma dat 'met de hand' in bits moet worden geschreven. Alle andere programma's kunnen dan in assembleertaal (of een hogere programmeertaal) geschreven worden. Een assembleertaal is processorafhankelijk, dat wil zeggen dat een programma dat ontwikkeld is voor een bepaald type processor, alleen werkt op die processor. Een in assembleertaal genoteerde code is de rechtstreekse vertaling van de instructies voor de processor. Een programma dat geschreven is in de assembleertaal voor een Intel-processor werkt daarom niet op een PowerPC-processor. opdracht 21-23
2.3 INSTRUCTIES Je hebt gezien dat de ALU rekenkundige of logische instructies kan uitvoeren. Hiermee kun je nog geen programma's ontwikkelen. Bewerkingen moeten ook herhaald kunnen worden. Dat is wat computers doen: eindeloos dezelfde reeksen bewerkingen uitvoeren, op steeds weer andere gegevens. Daarnaast moeten er van tijd tot tijd keuzes worden gemaakt, op grond van een voorwaarde. Als je bijvoorbeeld geld wilt pinnen, controleert de computer je pincode en saldo. Als beide in orde zijn, wordt er geld uitbetaald, anders niet. Herhalingen en keuzes worden mogelijk gemaakt door spronginstructies. De spronginstructie heeft een geheugenadres als operand. In het onderstaande voorbeeld is JNG een spronginstructie en LOOP een label voor een geheugenadres. Als de inhoud van register 0 niet groter is dan 12, dan moet er worden gesprongen. De processor hoeft alleen in dat geval het geheugenadres in de programcounter te zetten. Het programma gaat vanaf dat geheugenadres verder. LOAD R0,12 34 LOOP: ADD R0 ,#l CMP R0 ,#l2 JNG LOOP
{LOAD: kopieer het getal dat op geheugenplaats 1234 staat naar het register 0) {LOOP: hier springt het programma naar terug} {ADD: tel 1 bij de inhoud van register 0} {COMPARE: vergelijk de inhoud van register 0 met het getal 12) {JUMP NOT GREATER: als dit getal niet groter is, ga dan naar het label LOOP:}
Om data te kopiëren wordt gebruikgemaakt van instructies voor datatransport. In het bovenstaande voorbeeld wordt bij de opdracht LOAD een getal van geheugenplaats 1234 gekopieerd naar register 0. opdracht 24 - 31
Hoofdstuk 3
35
Hardware
3 HET WERKGEHEUGEN Alle computers zijn gebouwd volgens het principe van de wiskundige John von Neumann (1903-1957). Hij was wetenschappelijk adviseur van het ENIAC-team, die een van de eerste computers bouwde. Von Neumann ging ervan uit dat zowel de instructies (het computerprogramma) als de data binair konden worden opgeslagen in het werkgeheugen (ook wel intern geheugen genoemd). Moderne computersystemen hebben grote werkgeheugens nodig van minimaal 512 MB. Vooral het werken met geluid en afbeeldingen vraagt veel geheugencapaciteit. Bij de huidige computers bevindt het programma zich in het werkgeheugen. Bij de allereerste computers was dat niet het geval. Het programma werd van buitenaf ingevoerd via een ponsband of het werd in de hardware aangebracht. De wiskundige John von Neumann kwam in 1945 met het idee om ook het programma in het geheugen te plaatsen: het ‘stored program concept’. De CPU had de taak de instructies van dat programma uit het geheugen op te halen, te verwerken en de resultaten weer in het geheugen terug te zetten. Dit wordt de Von Neumann-architectuur genoemd.
Je maakt bij het werkgeheugen onderscheid tussen RAM, cachegeheugen en ROM.
3.1 RAM RAM is de afkorting van Random Access Memory: vrij toegankelijk geheugen voor het besturingssysteem en de gebruiker om daar tijdelijk gegevens in op te slaan. 'At random' betekent willekeurig: het maakt niet uit waar de gegevens in de chips zijn opgeslagen. De processor kan die snel vinden en gebruiken voor de verwerking. RAM-chips worden geleverd als DIMM's: Dual Inline Memory Modules, dunne strips met geheugenchips die in de geheugenbank op het moederbord worden geplaatst. De geheugenchips kunnen twee elektronische toestanden weergeven: geleidend en niet-geleidend: 0 of 1. Het grootste nadeel van RAM is dat het kwetsbaar is, De RAM-chips moeten constant onder elektrische spanning staan om de inhoud te bewaren. Zodra de stroom wordt onderbroken, wordt alles gewist. DIMM's zijn de opvolger van de SIMM-modules. RAM-chips hebben ook een aantal voordeHet belangrijkste verschil tussen beide typen is len: hoewel ze klein zijn, kunnen ze veel dat DIMM’s een 64-bit datapad hebben en gegevens bevatten. De processor kan ze SIMM’s een 32-bit. snel benaderen om de inhoud op te vragen. Er zijn verschillende type DIMM-modules: • SDR SDRAM Ze zijn in de loop van de tijd steeds goed• DDR SDRAM koper geworden en daarom bevatten mo• DDR2 SDRAM derne computers RAM-chips met een grote • DDR3 SDRAM geheugencapaciteit. SDDRAM:
opdracht 32
Synchronous Dynamic Random Access Memory SDR: Single Data Rate DDR: Dual Data Rate De laatste heeft een doorvoersnelheid die twee keer zo hoog ligt als die van SDR.
36
ENIGMA
Informatieboek
3.2 CACHE Moderne processors kunnen gegevens zo snel verwerken, dat de snelheid van het geheugen een belangrijke factor wordt. Snelle RAM-chips zijn kostbaar en daarom gebruiken de meeste fabrikanten een cache om de kosten te drukken. Het cachegeheugen is meestal 256 kB of meer en bestaat uit een serie zeer snelle chips op of naast de processorchip. De processor bewaart hierin de laatste instructies en/of gegevens die uit het werkgeheugen zijn gehaald. Wanneer de processor een instructie uit het werkgeheugen nodig heeft, zoekt hij die eerst in de cache, omdat bepaalde instructies vaak herhaald worden. Het is dan niet nodig die instructies via de bus uit het werkgeheugen te halen. Het transport over de bus zorgt immers voor vertraging, en het werkgeheugen is veel langzamer dan de cache. Er worden verschillende soorten cache gebruikt: Level1, Level2 en Level3. L1 cache bevindt zich op de CPU tussen de registers en de L2 cache. Daarin bevinden zich de instructies die worden uitgevoerd en de data. L2 cache bevindt zich tussen L1 cache en het RAM. Net als L1 cache is het zeer snel. L1 cache “kijkt” eerst in L2 cache voordat het naar het RAM geheugen gaat. L3 cache wordt gebruikt als extra buffer tussen L2 cache en het RAM. opdracht 33
3.3 ROM Een deel van het computergeheugen bestaat uit ROM-chips waarin de fabrikant de belangrijkste instellingen heeft opgeslagen. Bij het opstarten van een computer voert het BIOS op basis van die instellingen een aantal tests uit. Bij het afsluiten van het computersysteem blijven de instellingen bewaard. ROM is een afkorting van Read Only Memory, wat betekent dat het computersysteem dit geheugen wel kan lezen, maar dat de gebruiker er niets aan kan veranderen. In de eerste type ROM-chips werden de gegevens tijdens de fabricage in de chip gezet. Het grote nadeel was dat een bedrijf niet zelf data kon zetten in een chip. Daarom is er een nieuw type chip ontwikkeld, de PROM (Programmable ROM). Een bedrijf kon nu zelf na levering van de chip met een PROM-programmer eenmalig de gegevens op een chip zetten. Wijzigen is niet mogelijk. De logische volgende stap is de EPROM-chip: Erasable PROM. Deze chips kan gewist worden door ze gedurende een kwartier bloot te stellen aan sterk ultraviolet licht. De EEPROM’s (Electrical Erasable PROM) zijn eenvoudiger te wissen door een elektrische stroom. In tegenstelling tot de EPROM-chip hoeft de EEPROM niet uit de computer gehaald te worden. Flash-geheugen dat in bijvoorbeeld digitale camera’s en PDA’s wordt gebruikt is een moderne variant van EEPROM. opdracht 34 - 38
Hoofdstuk 3
Hardware
37
4 HET ACHTERGRONDGEHEUGEN Alle computers hebben naast het werkgeheugen een achtergrondgeheugen (extern geheugen) voor de permanente opslag van software en data. Het achtergrondgeheugen bestaat in veel gevallen uit een schijf of een aantal schijven die snel ronddraaien. Daarnaast wordt ook de magnetische tape gebruikt voor opslag. De tape wordt steeds minder gebruikt, omdat de data daarop sequentieel (achter elkaar) wordt opgeslagen. Het is geschikt voor het maken van een backup, maar het is erg lastig om een bepaald bestand op de tape te vinden. Dat nadeel heeft een schijf niet. Er zijn drie technieken om gegevens vast te leggen: magnetisch, optisch en elektronisch.
4.1 MAGNETISCHE OPSLAG Bij magnetische schijven wordt de data gecodeerd als microscopisch kleine, gemagnetiseerde ‘naaldjes’ op het schijfoppervlak. Bij het schrijven wordt de magnetische richting van het naaldje veranderd als er gewisseld wordt van 0 naar 1, of andersom. De lees- en schrijfkop wordt door een stappenmotor naar de juiste plaats bewogen om gegevens te lezen of weg te schrijven. Alle gegevens worden in de vorm van enen en nullen weggeschreven naar de Bron: Erwin Suvaal schijf. Om die gegevens terug te kunnen vinden, wordt een schijf ingedeeld in sporen (tracks) en sectoren. De sporen zijn cirkelvormige patronen en een sector kun je vergelijken met een taartpunt. De combinatie van twee of meer sectoren in één spoor wordt een cluster genoemd. Een bestand wordt opgeslagen in een of meer clusters. Een ander bestand kan geen gebruik meer maken van die clusters, ook al is een cluster niet geheel gevuld. Zelfs als een bestand maar één byte groot is, wordt toch het gehele cluster gebruikt om het op te slaan. Het aantal bytes in een cluster is afhankelijk van het gebruikte bestandssysteem en de grootte van de schijf. Er wordt een speciaal bestand aangemaakt op het eerste spoor (spoor 0) van de schijf. Dit bestand bevat de inhoudsopgave van de bestanden en mappen op de schijf. Voorbeelden van magnetische schijven zijn de harde schijf, de diskette en de tape. opdracht 39
4.1.1 DISKETTES Het diskettestation is lang een standaard onderdeel van de computer geweest. Tegenwoordig wordt steeds vaker het diskettestation weggelaten of vervangen door andere vormen van opslag, omdat de opslagcapaciteit van een diskette slechts 1,44 MB is. Dat maakt ze ongeschikt voor de opslag van programma’s, beeld en geluid. Diskettes bestaan uit een flexibel schijfje beschermd door een hardplastic omhulsel. De binair opgeslagen gegevens blijven permanent op het schijfje staan tot ze worden overschreven met nieuwe gegevens of gewist.
38
ENIGMA
Informatieboek
4.1.2 HARDE SCHIJF In tegenstelling tot het flexibele materiaal van een diskette, bestaat een harde schijf uit een aantal met magnetisch materiaal beklede platen van glas of metaal die met grote snelheid ronddraaien. De opslagcapaciteit is ook veel groter dan een diskette. Een harde schijf in een moderne computers kan meerdere GigaBytes aan gegevens bevatten. Het aantal platen en de samenstelling van de magnetische laag bepalen de opslagcapaciteit. Harde schijven zijn zeer gevoelig voor stof. De lees- en schrijfkoppen bewegen zo dicht over het oppervlak dat een stofdeeltje een kras zou maken. Daarom worden harde schijven beschermd door een luchtdicht afgesloten metalen omhulsel. Daarin draaien de platen met duizenden omwentelingen per minuut.
Bron: Erwin Suvaal
4.1.3 TAPE Een tape verschilt van magnetische schijven door de manier waarop data wordt gelezen en weggeschreven. Bij een tape gebeurt dat sequentieel (achter elkaar), terwijl een schijf de data random (willekeurig) kan lezen. Dit maakt een tape zeer geschikt voor het maken van een backup, maar ongeschikt voor het snel bewerken van een file. DDS (Digital Data Storage) is een populair formaat voor het maken van backups op tapes. Het is gebaseerd op de techniek van DAT (Digital Audio Tape), maar door het gebruik van betere tapes en een foutcorrectiemechanisme is het mogelijk bestanden op te slaan en zonder fouten weer te lezen. opdracht 40
4.2 OPTISCHE OPSLAG Op optische schijven is data weggeschreven door microscopisch kleine putjes (pits) te persen in het oppervlak van de schijf. De niet-bewerkte gebieden rond de pits heten lands. Om gegevens te lezen schijnt een laser een straal op de schijf. De laserstraal bevindt zich aan de onderkant, zodat de pits daar uitsteken als kleine dammetjes.
Bron: Erwin Suvaal
Hoofdstuk 3
39
Hardware
Bron: Erwin Suvaal
Als de laserstraal op een land valt, dan wordt het licht gereflecteerd. Valt de laserstraal op een pit, dan wordt het licht verstrooid. Het ligt misschien voor de hand om een pit te gebruiken om een 0 te coderen en een land om een 1 te coderen, maar het is betrouwbaarder om de overgang pit-land of land-pit als 1 te coderen en het ontbreken van een overgang als een 0 te gebruiken. Daarom wordt deze codering toegepast. Een cd wordt van binnenuit naar buiten uitgelezen in een spiraalvorm van putjes. Voorbeelden van een optische schijf zijn bijvoorbeeld de cd (compact disc) en de dvd (digital versatile disc).
opdracht 41
4.2.1 CD-ROM CD-ROM’s worden al jarenlang gebruikt om grote hoeveelheden gegevens op te slaan, bijvoorbeeld multimediale presentaties met geluid- en videofragmenten en computerprogramma’s. De disks zien er net zo uit als audio cd’s, maar kunnen alleen in een computer gebruikt worden. De afkorting ROM geeft al aan dat je aan een dergelijke disk geen gegevens kunt toevoegen. Een cd wordt gemaakt door met een infraroodlaser gaatjes te branden in een glazen schijf. Van dit origineel wordt een vorm gemaakt. In die vorm wordt een gesmolten kunststof (polycarbonaat) gespoten om een cd te krijgen die hetzelfde patroon heeft als het glazen origineel. Daarover wordt een dun laagje spiegelend aluminium aanbracht met daaroverheen een beschermende lak. Daarnaast zijn er ook cd’s die je welt kunt beschrijven: “branden”. Er zijn twee soorten: CD-Recordables (CDR) die slechts éénmaal kunnen worden beschreven en CD-ReWritables (CD-RW) die vele malen kunnen worden beschreven en ook weer gewist. Anders dan op de normale cd’s zitten er op CD-R en CD-RW schijven geen putjes. Een CD-R wordt becd-rom speler en cd writer schreven doordat er een kleurstoflaag zit tussen de reflecterende laag en de onderlaag van polycarbonaat. Wanneer de cd leeg is, is de kleurstoflaag doorzichtig en laat de laag het licht door. Bij het “branden” van een cd verkleurt de kleurstof door een gebundeld laserlicht met een bepaalde frequentie, zodat op die plaatsen het licht niet meer doorgelaten wordt. Door op bepaalde punten op een cd-track verkleuringen aan te brengen en andere punten doorzichtig te laten ontstaat er een bitpatroon. CD-RW schijven hebben in plaats van een kleurstoflaag een chemische legering, die van fase wisselt bij verschillende temperaturen. Boven de 600 °C smelt de laag en bij 200 °C kristalliseert de laag. Door gebruik te maken van deze eigenschap kan een CD-RW gewist worden en opnieuw beschreven worden. opdracht 42
40
ENIGMA
Informatieboek
4.2.2 DVD In 1995 kwam de opvolger van de cd op de markt: de dvd. Het systeem werd ontwikkeld onder de naam digital video disc maar omdat er meer toepassingen kwamen dan video alleen sprak men al snel van digital versatile disc. De dvd's worden op dezelfde manier gemaakt als cd's: er Een micrometer is gelijk wordt een patroon van minuscule putjes in de schijf geperst. aan 10-6 meter, ofwel Alleen zijn de pits kleiner (0,4 micron in plaats van 0,8 0,000001 meter, of anders gezegd een duimicron voor cd’s) en is de afstand tussen de sporen verkleind zendste deel van een 0,74 micron versus 1,6 micron voor cd’s). De laser van een millimeter. dvd-speler heeft een kortere golflengte (0,65 micron in plaats van 0,78 micron voor cd’s) en een sterker objectief, waardoor kleinere details gelezen kunnen worden. Deze verbeteringen zorgen ervoor dat de capaciteit van een dvd een factor 7 groter is dan een cd: 4,7 GB. Voor de meeste films is dat voldoende, maar toch was er vraag naar grotere opslagcapaciteit. De opslagcapaciteit van een Daarom zijn er vier formaten gedefinieerd: single layer dvd is 4,7 GB. • DVD-5: single side, single layer: 4,7 GB Wanneer men echter de PC • DVD-9: single side, dual layer: 8,5 GB standaards aanhoudt dan kan • DVD-10: double side, single layer: 9,4 GB een DVD 5 (Single layer) maar • DVD-18: double side, dual layer: 17 GB 4,38 GB opslaan. Deze dvd kan ongeveer 120 minuten beeld en
geluid bevatten afhankelijk van Bij een dual layer dvd is de onderkant een reflecterende de beeldkwaliteit en het aantal laag met daarover een semi-reflecterende laag. Door de geluidssporen. laserstraal te richten, wordt het licht door een van beide lagen gereflecteerd. De onderste laag heeft iets grotere pits en lands nodig om gelezen te worden. Daarom is de capaciteit van die laag kleiner dan van de bovenste.
Net als bij de cd zijn er drie typen dvd's te onderscheiden: • voorbespeeld: na productie niet beschrijfbaar (DVD of DVD-rom) • beschrijfbaar: één keer beschrijfbaar met een dvd-recorder (DVD-R of DVD+R) • herschrijfbaar: meerdere keren beschrijfbaar met een dvd-recorder (DVD-RW, DVD+RW en DVD-RAM)
Zoals wel vaker voorkomt zijn er twee standaarden voor beschrijfbare dvd’s: de + en de –. Beide standaarden worden door verschillende fabrikanten ondersteund. Tegenwoordig ondersteunen de meeste dvd-spelers beide standaarden.
opdracht 43
4.2.3 BLU-RAY EN HD DVD De komst van HD TV en de moderne spelcomputers vragen media met hoge opslagcapaciteit: blu-ray. Blu-ray maakt gebruik van een blauwe laser (blue ray) met een kortere golflengte dan de rode laser van de dvd. Daardoor kan een schijf meer informatie bevatten. Een blu-ray disk heeft een capaciteit van 27 GB en omdat je ook meerdere lagen boven elkaar kan zetten kan er meer dan 50 GB informatie op een disk staan.
Hoofdstuk 3
41
Hardware
4.3 ELEKTRONISCHE OPSLAG Voor de opslag van grote bestanden, die makkelijk meegenomen moeten worden, maakt men gebruik van flashgeheugen. Dit is een manier van elektronische dataopslag, waarbij het mogelijk is door middel van één programmeeractie op verschillende plekken in het geheugen te schrijven of te wissen. Het flashgeheugen behoudt de data als de spanning wordt afgezet. Voorbeelden zijn geheugenkaartjes voor de digitale camera of programma’s en data in een PDA en de USB-sleutel die gebruikt wordt om computerdata via de USB-poort op te slaan. Een USB-sleutel kan gecombineerd worden met een mp3- en/of WMA-speler voor het opnemen en afspelen van muziek.
2 1
3
4
1 USB-stekker 2 Controllerchip
3 Flashgeheugen 4 Klok
opdracht 44 - 49
5 RANDAPPARATUUR Een computersysteem kan een grote verscheidenheid aan randapparatuur bevatten. Er zijn verschillende typen toetsenborden, muizen, monitoren, printers, scanners enzovoort. Eerder in dit hoofdstuk zagen we dat de communicatie in een computer via de bus verloopt. Ook de randapparaten communiceren met de CPU en het geheugen via de bus. Die communicatie wordt geregeld door speciale elektronica, de controller. Om het lezen en schrijven van het apparaat naar de bus te regelen heeft de controller een speciale chip: de I/O-processor. Deze processor neemt opdrachten van de CPU aan en zorgt voor de verwerking van de opdrachten. Stel het programma moet een printopdracht uitvoeren. De CPU stuurt de opdracht naar de printercontroller. De printercontroller zorgt voor de verwerking van de opdracht. Is de printopdracht verwerkt, dan meldt de controller dat aan de CPU. opdracht 50
42
ENIGMA
Informatieboek
5.1 TOETSENBORD Een toetsenbord is een onmisbaar apparaat bij de invoer van tekst of getallen in de computer. De pijltjestoetsen kunnen in sommige gevallen de muis vervangen en veel gebruikte menuopties kunnen worden gekozen met behulp van de functietoetsen. De werking is sinds de introductie van de eerste PC’s in de jaren tachtig nauwelijks veranderd. Door het indrukken van een toets wordt een stroomkring gesloten. Een stroomsignaal wordt naar de I/O-processor in het toetsenbord geleid. Aan elke toets is een unieke code toegekend. Bij het indrukken van een toets stuurt de I/O-processor een signaal naar de CPU om aan te geven dat de code moet worden verwerkt. Het BIOS leest die code en vertaalt die naar standaard letters en leestekens. Het resultaat van al die bewerkingen zie je als tekst op je scherm.
5.2 SCANNER Scanners zijn tegenwoordig zo goedkoop dat veel gebruikers die standaard bij een nieuwe PC aanschaffen. Een scanner kan tekst en afbeeldingen omzetten zodat die verder kunnen worden bewerkt in een computer. Het meest verkochte type is een vlakbedscanner waarin de tekst of de afbeelding op een glasplaat wordt gelegd. Een lichtbron in de scanner verlicht de afbeelding. Witte gedeeltes van de pagina kaatsen meer licht terug dan zwarte of gekleurde gedeeltes. Dat verschil in licht wordt door de lichtgevoelige chips waargenomen. Een analoog-digitaal-converter zet het om in een patroon van pixels. De kwaliteit van de lichtgevoelige chips bepaalt in hoge mate de kwaliteit van de scanner. Een andere belangrijke factor is de kleurdiepte: een 24-bit kleurenscanner kan meer dan 16 miljoen kleuren onderscheiden. Tekst moet na het scannen eerst worden omgezet van een afbeelding in leesbare tekens. Dat wordt gedaan met behulp van een OCR (Optical Character Recognition) programma. Daarna kan de tekst verder worden aangepast in een tekstverwerker.
5.3 MUIS Een muis is een van de invoerapparaten die bij elke PC worden geleverd. Zonder een muis is een modern grafisch besturingssysteem niet te gebruiken. Door de muis te bewegen kunnen gebruikers de muiscursor over 2 het scherm sturen en menukeuzes maken door op een van de muisknoppen te klikken. Objecten kunnen ook over het scherm worden verplaatst door ze aan te klikken, een muisknop ingedrukt te houden en de muis te bewegen. De eerste muizen bevatten een kleine bal die in beweging wordt gebracht door de muis te ver3 1 plaatsen. De bewegingen van de bal worden doorgegeven aan sensoren die aan weerzijden van 1 scrollwiel 3. sensoren de bal onder een hoek van 90° staan opgesteld. 2 muisbal
Hoofdstuk 3
43
Hardware
Een van de sensoren reageert op de op- en neergaande bewegingen van de muis, de ander op de zijwaartse verplaatsing. De signalen van de sensoren worden omgezet naar binaire waarden en via de kabel van de muis naar de computer verzonden. Daar worden de signalen vergeleken met een tabel met horizontale en verticale waarden voor de afmetingen van het scherm. Het resultaat is een verplaatsing van de muiscursor over het scherm die correspondeert met de afstand die de muis werd verplaatst. Om de positie van de muis te bepalen wordt tegenwoordig gebruik gemaakt van een led (light emitting diode) of laserlicht: een optische muis. Daarmee kunnen de bewegingen van de muis nauwkeuriger gevolgd worden. Een trackball is eigenlijk een muis op zijn rug waarbij de bal door de duim wordt bewogen en de vingers worden gebruikt om de muisknoppen te bedienen. Het grote voordeel hiervan is dat de muis niet hoeft te worden verplaatst wat op een klein, vol bureau voor sommige mensen een uitkomst is.
5.4 ANDERE INVOERAPPATEN
Een touchpad wordt vaak in een notebook computer gebouwd. Het bestaat uit een klein aanraakgevoelig scherm waarbij de vingers gebruikt worden om de muiscursor over het scherm te bewegen. Klikken en dubbelklikken wordt ook met de vingers gedaan of met de knoppen aan weerszijden van de touchpad.
Een grafisch tablet wordt vaak door architecten en ontwerpers gebruikt, omdat de muis niet nauwkeurig genoeg kan worden bewogen om daarmee te tekenen. Een pen met daarin een elektronische kop wordt over het tablet verplaatst, die de beweging omzet naar digitale signalen die naar de computer worden gestuurd. Het resultaat is een lijn op het scherm. In pda’s wordt vaak een touchscreen gebruikt omdat een muis of ander invoerapparaat te onhandig is voor dit type computers. Over het scherm ligt een dunne aanraakgevoelige laag. Met een speciale pen of met je vingers kun je objecten op het scherm verplaatsen en menukeuzes maken door daarop te tikken.
opdracht 51
44
ENIGMA
Informatieboek
5.5 MONITOR Een PC is niet compleet zonder een kleurenscherm waarop je het resultaat van je werk kunt zien in de vorm van tekst, grafiek of afbeelding. Er zijn twee typen monitors: • CRT (Cathode Ray Tube) • LCD (Liquid Cristal Display) Bij CRT-monitors wordt om het beeld weer te geven sturen aan de achterkant van de monitor drie elektronenkanonnen voor de kleuren rood, groen en blauw een smalle bundel elektronen naar een gaatjesmasker vlak achter het scherm. Hoe dichter die gaatjes bij elkaar staan, des te scherper is het beeld. De elektronen raken een laag fosfor dat oplicht als het wordt getroffen. Voor elk van de drie kleuren wordt een andere soort fosfor gebruikt. Als elk rood groen en blauw puntje even sterk wordt bestraald, is het resultaat een wit puntje. Om ander kleuren te maken wordt de sterkte van de elektronenstraal aangepast.
Bron: Erwin Suvaal
In LCD-schermen zitten twee dunne platen polariserend materiaal met daar tussen vloeibare kristallen. Deze zijn gevoelig voor elektrische spanning. Een stroom die door de kristallen vloeit laat ze draaien waardoor ze weinig of geen licht doorlaten. Het overige licht passeert een van de drie kleurenfilters (rood, groen en blauw). Het percentage licht dat wordt doorgelaten bepaalt de uiteindelijke kleur op het scherm. TFT-schermen (Thin Film Transistors) gebruiken een dunne laag transistors om het beeld te vormen. Tegenwoordig is dat het populairste type monitor.
5.6 LUIDSPREKERS Moderne multimedia computers worden altijd geleverd met luidsprekers, omdat de interne luidspreker van een PC alleen geschikt is om wat waarschuwende piepjes te laten horen als er iets mis is. Voor computersystemen kun je kiezen uit bijvoorbeeld een set stereo luidsprekers of een uitgebreide set met een subwoofer voor de lage tonen en extra speakers voor een “surround”-geluid. De Amerikaanse firma Dolby Laboratories stelde de standaard vast waaraan “surround” systemen moeten voldoen. In de computer moet een geluidskaart zitten die aan de standaard voldoet.
Hoofdstuk 3
Hardware
45
5.7 PRINTERS De twee meest verkochte printers zijn tegenwoordig inkjet printers en de laserprinters. De inkjet printers kunnen in kleur afdrukken en vooral bij de duurdere apparaten zijn foto’s die daar mee afgedrukt worden bijna niet te onderscheiden van de afdrukken van een ontwikkelcentrale. Ook tekst kan met deze printers haarscherp op papier worden gezet. Het nadeel is dat de inktcartridges erg kostbaar zijn en er maar een beperkt aantal pagina’s mee kan worden afgedrukt. In een inkjetprinter beweegt de printkop, een met inkt gevulde cartridge vlak boven het papier. De onderkant van de printkop bestaat uit een groot aantal met inkt gevulde ruimtes verbonden met uiterst dunne buisjes. Een elektrisch stroompje verhit een kleine hoeveelheid inkt die daardoor gaat koken. De dampbel wordt door het dunne buisje naar buiten geperst en verschijnt als een minuscuul druppeltje inkt op het papier. Letters en afbeeldingen worden op deze manier door miljoenen druppels inkt op het papier gezet. Voor kwalitatief hoogstaande afdrukken worden laserprinters gebruikt. Tekst die daarmee wordt afgedrukt is niet te onderscheiden van drukwerk. In laserprinters wordt een laserstraal gebruikt om kleine puntjes op een rol te zetten. Die puntjes krijgen daarmee een elektrische lading. De rol wordt daarna bedekt met toner, een zwart poeder. Het poeder hecht alleen op de plaatsen die door de laser zijn geraakt. Een vel papier wordt langs de rol geleid en de toner wordt op het papier gedrukt. Er zijn ook laserprinters die kleur afdrukken, maar ze zijn duurder in aanschaf dan de Bron: Erwin Suvaal inkjet printers. Minder populaire type printers zijn de thermische printer, die gebruik maakt van hittegevoelig papier en de matrixprinter, die door met kleine pinnetjes op een inktlint te drukken de tekst of afbeeldingen op papier zet.
46
ENIGMA
Informatieboek
5.8 PLOTTER Een plotter is een uitvoerapparaat om grote afbeeldingen of tekeningen te printen. Er zijn twee soorten: • penplotters Deze werken met een groot aantal pennen (een soort viltstiften). • inkjetplotters Deze werken net als inkjetprinters. Plotters worden veel gebruikt in architectenbureaus en door ontwerpers die met CADprogramma's werken.
5.9 MODEM Modems zijn in- en uitvoerapparaten. Een modem wordt gebruikt om gegevens van een computer via een lijn (bv een telefoonlijn of kabel) naar een modem verbonden aan een andere computer te versturen. Over de lijn wordt een ononderbroken toon verzonden: de draaggolf. Om data te verzenden zet de eerste modem de digitale gegevens uit de ene computer op de draaggolf: moduleren. Er zijn verschillende manieren mogelijk om een 0 of 1 te versturen over een draaggolf. Zo kan er gebruik gemaakt worden van bijvoorbeeld verschillend spanningsniveau (amplitudemodulatie) of van verschillende tonen (frequentiemodulatie). De tweede modem ontvangt de informatie en haalt de informatie weer van de draaggolf: demoduleren. Daarna wordt de data doorgegeven aan de andere computer. Om dit hele proces in goede banen te leiden, is ook een communicatieprogramma nodig. Dat zorgt ervoor dat de verbinding tussen de twee modems tot stand komt en de gegevens kunnen worden verzonden. Hiervoor worden protocollen gebruikt waarin standaard is vastgelegd hoe de gegevensoverdracht moet verlopen, hoe er op fouten wordt gecontroleerd en hoe daarop moet worden gereageerd. Modems worden tegenwoordig vooral gebruikt om verbinding te maken met het Internet: een wereldwijd netwerk van vele soorten computers. Om die allemaal foutloos met elkaar te kunnen laten communiceren wordt gebruik gemaakt van TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol. opdracht 52-55
ADSL-modem-router met draadloos accesspoint
