B2 Hoofdstuk 3Computers en randapparatuur
Computers en randapparatuur
Harde schijf
Printer
Geheugen
DVD-speler
Scanner
Processor
Monitor
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 2
USB
Busstructuur
Netwerken
Serieel
Parallel
Embedded
Dit hoofdstuk gaat over de hardware
Computers en randapparatuur
Computers zijn overal
B2H03 paragraaf 1
§1 Computers zijn overal
navigatiewasmachineMP3-spelerdvd-recordermobieltjefototoestelvliegtuigtreincv-ketel
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 4
afwasmachinecv-thermostaatfietsverlichtingalarmsysteemkopieermachinegeldautomaatNintendo 3DSnetwerkrouterlaptop . . .
bankpasOV-chipkaartRFID-chipirisscannerautotablettv-toestelsmartphone
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 5§1 Computers zijn overal
Opdracht 1 JargonAcer Aspire S7-392-54204G12tws13,3"Intel Core i5-4200U4GB128GB SSDIntel HD Graphics 4400Touchscreen Hoeveel mag dit kosten?Meer specificatiesAcer Aspire
Opdracht 2Zoeken naar randapparatuur
• Hoe ziet het er uit?
• Hoe werkt het?
• Wat doet het?
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 6§1 Computers zijn overal
Computers en randapparatuur
De processor
B2H03 paragraaf 2
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 8
Elke computer heeft minimaal
• Processor
• Geheugen (RAM, ROM)
• Contact met de omgeving
• sensoren en actuatoren
• Zelfs je bankpas
§2 De processor
• CPU (Central Processing Unit)
• CVE (Centrale verwerkingseenheid)
• Instructies uitvoeren
• Gegevens en opdrachten komen uit het intern geheugen.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 9§2 De processor
• Hoeveel instructies zijn nodig om een beeld op een scherm van 768 x 1366 op te bouwen?
• ca. 1.000.000 instructies!
• In welke tijd gebeurt dat?
• < 0,5 seconde!
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 10§2 De processor
CPU
11
Klokkloksignaal
Besturingsbus
Databus
Adresbus
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
Registers
Besturingseenheid
Rekenkundige en logischeeenheid
Stedelijk Gymnasium Breda RCM§2 De processor
CPU
Instructies
Voorbeeld
Waarde van adres A naar R1
Waarde van adres B naar R2
R1 + R2 naar R3
waarde van R3 naar adres C
Volgende instructie
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 12§2 De processor
Voor elke instructie:
• Ophalen
• Decoderen
• Uitvoeren
• Volgende
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 13§2 De processor
Waarde van adres A naar R1
Waarde van adres B naar R2
R1 + R2 naar R3waarde van R3 naar adres C
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 14
• Ophalen• Decoderen• Uitvoeren• Volgende
• Ophalen• Decoderen• Uitvoeren• Volgende
§2 De processor
Opdracht
Processor simulatie
Kopieer de map ProcSim (zip) naar je eigen omgeving
Uitpakken
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 15§2 De processor
• Klok en klokfrequentie
• eenheid: MHz of GHz
• 1 GHz = 1000 MHz (1024 MHz?)
• De klokfrequentie zegt niet zo veel over de snelheid van de computer.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 16§2 De processor
• Een Ferrari is heel erg snel.
• Heb je er iets aan als er geen banden onder zitten?
• Een processor met een klokfrequentie van 3,6 GHz is heel erg snel.
• Heb je er iets aan als de geheugentoegang erg traag verloopt?
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 17§2 De processor
Factoren die de snelheid bepalen
• toegangssnelheid van het geheugen
• werking van de processoren
• grootte van het (cache) geheugen
• fysieke afstand tussen processor en geheugen
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 18§2 De processor
Andere vergelijkingsmaten
• FLOPSFloating Point operations
• MIPSMega Instructions per second
• ICICOMPIcomp Intel Comparative Microprocessor Performance Index
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 19§2 De processor
19714-bits 0,74 MHz
19728-bits 0,80 MHz
19768-bits 5,0 MHz
197816-bits 5,0 MHz
198216-bits 10 MHz
198532-bits 16 MHz
199532-bits 150 MHz
200032-bits 1300 MHz
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 20§2 De processor
200532-bits 3200 MHz
200564-bits 2660 MHz
200864-bits 3200 MHz
201064-bits 3800 MHz
Wikipedia
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 21§2 De processor
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 22§2 De processor
1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 19840
2
4
6
8
10
12
4-bit8-bits16-bits
jaartal
frequenti
e (
MH
z)
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 23§2 De processor
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 20150
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
4-bit8-bits16-bits32-bits64-bits
jaartal
frequenti
e (
MH
z)
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 24§2 De processor
B2H03
Paragraaf 1 en 2
Theorie bestuderen
Processor simulator
Opdrachten maken
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 25§2 De processor
Computers en randapparatuur
Het geheugen
B2H03 paragraaf 3
27
B1H03 De hardware
§1 Computers zijn overal
§2 De processor
§3 Het geheugen
Stedelijk Gymnasium Breda RCM
§3 Het geheugen
Eerste onderscheidIntern Extern
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 28
chips
cache
(S)DDR
RAM/ROM
hard disk (HDD)
Static State Drive (SSD)
CD/DVD
flash-drive/USB
tape
diskette/floppy (?)
§3 Het geheugen
Schijf (extern) geheugen.
• Elke schijf is verdeeld in sectoren (taartpunt).
• Elke sector heeft een aantal sporen.
• Zo is elke plaats exact aan te wijzen.
• Schijfgeheugen is adresseerbaar
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 29§3 Het geheugen
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 30
Schijfopslag
§3 Het schijfgeheugen
Schijfopslag
• Diskette of floppy
1,44 MB
• CD
700 MB
• DVD
5,0 GB
• Blu-ray
50 GB
• Hard disk
1 TB
• SSD
250 MB
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 31§3 Het geheugen
Bits moeten worden vastgelegd.
• Magnetisch (noord en zuid)
• Optisch (gaatje of niet)
• Flash, SSD (1 V of 3 V)
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 32§3 Het geheugen
USB-opslag
• Gebaseerd op Flash-geheugen
• ROM-geheugen
• Uitgevonden in 1984
• 1996 USB 1.0
• 2000 eerste USB-stick 8 MB
• 2009 USB-stick 128 GB
• 2013 USB-stick 512 GB
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 33§3 Het geheugen
Intern geheugen
• RAM (Random Access Memory)
werkgeheugen
• ROM (Read Only Memory)
Opstartprocedure
• Cache geheugen
veel sneller, maar duurder
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 34§3 Het geheugen
Intern geheugen
• Bepaalt mede de snelheid van
de computer.
• Intern geheugen is sneller dan
schijfgeheugen
• Intern geheugen 10-7 s
• Schijfgeheugen 10-3 s
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 35§3 Het geheugen
Virtueel geheugenEen stukje schijfgeheugen dat als intern geheugen wordt gebruikt.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 36§3 Het geheugen
Computers en randapparatuur
De busstructuurB2H03 paragraaf 4
38
B1H03 De hardware
§1 Computers zijn overal
§2 De processor
§3 Het geheugen
§4 De verbindingen
Stedelijk Gymnasium Breda RCM
§4 Busstructuur
• Een bus is een kabel waarover data wordt getransporteerd.
• Zo’n kabel bestaat weer uit een aantal (8) draadjes.
• Feitelijk zijn het dunne banen van koper op de printplaat.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 39§4 De busstructuur
• Er is een bus voor de data (gegevens).
• Er is een bus voor de instructies.
• Er is een bus voor de adressering.
• Databus, besturingsbus, adresbus.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 40§4 De busstructuur
CPU
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 41
Klokkloksignaal
Besturingsbus
Databus
Adresbus
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
Registers
Besturingseenheid
Rekenkundige en logischeeenheid
§4 De busstructuur
• Waar staat de data? adresbus
• Wat is de data? databus
• Wat is de opdracht? besturingsbus
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 42§4 De busstructuur
• De computer moet communiceren met andere apparaten.• Intern: grafische kaart, netwerkkaart,
geheugen,etc. • Dat gaat intern via
slots (PCI, IDE)
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 43§4 De busstructuur
• De computer moet communiceren met andere apparaten.
• Extern: muis, toetsenbord, monitor, externe HD, USB-stick
• Dat gaat via poorten,
• stekkers en stekkerbussen
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 44§4 De busstructuur
1, 2 ps2 poorten (muis, toetsenbord)3. DVI-poort (digitale monitor)4. VGA-poort (analoge monitor5. Parallelle poort (printer, scanner)6. Firewire (videocamera)7. USB-poort8. Netwerkpoort9, 10, 11 Audiopoorten
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 45§4 De busstructuur
• B2H03
• Paragraaf 3 en 4
• Theorie bestuderen
• Opdrachten maken
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 46§3 Het geheugen
Computers en randapparatuur
Von Neumann principeB2H03 paragraaf 5
48
B1H03 De hardware
§1 Computers zijn overal
§2 De processor
§3 Het geheugen
§4 De verbindingen
§5 Instructies uitvoeren
Stedelijk Gymnasium Breda RCM
§5 Von Neumann
• De processor verwerkt instructies.
• Steeds één tegelijk
• Op volgorde (sequentieel)
• Von Neumannprincipe
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 49§5 Het Von Neumannprincipe
• Instructies starten na elkaar
• Snelheid van computers is steeds belangrijker
• Instructies moeten op elkaar wachten
• Von Neumann-bottleneck
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 50§5 Het Von Neumannprincipe
Dit principe moest worden verbeterd en de bottleneck opgelost.
• Harvard architectuur
• Coprocessor
• Gekoppelde processor
• Dual core
• Quad core
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 51§5 Het Von Neumannprincipe
Harvard architectuur• Toegepast bij embedded systems
(microcontrolers)• Bussen zijn meer gescheiden• In- en uitvoer zitten elkaar niet in de
weg.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 52§5 Het Von Neumannprincipe
CPUKlokkloksignaal
Besturingsbus
Databus
Adresbus
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
Registers
Besturingseenheid
Rekenkundige en logischeeenheid
Co-processor• Hulpje, slaaf• Toegepast bij de 80286 (1982)
en 80386 (1986)
Gekoppelde processor• één processor met twee CVE’s• één processor twee besturingseenheden• slechts één cache• toegepast bij de Pentium (1993)
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 53§5 Het Von Neumannprincipe
Dual Core – Quad core• meer processoren in één chip• ze delen het hoofdgeheugen• bottleneck!• software moet erop zijn aangepast.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 54§5 Het Von Neumannprincipe
Computers en randapparatuur
De BIOSB2H03 paragraaf 6
56
B1H03 De hardware
§1 Computers zijn overal
§2 De processor
§3 Het geheugen
§4 De verbindingen
§5 Instructies uitvoeren
§6 Een pc opstarten
Stedelijk Gymnasium Breda RCM
§6 De BIOS
• Basic Input Output System
• Ligt vast in ROM.
• Bij opstarten wordt de instructie uit het ROM-geheugen uitgevoerd.
• De BIOS wordt van HD geladen
• en uitgevoerd.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 57§6 De BIOS
Dit programma test
• het geheugen
• de HD’s
• de videokaart
• netwerkpoorten
• toetsenbord en muis
• monitor etc.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 58§6 De BIOS
• Drivers worden gezocht en . . .
• gekopieerd naar het intern geheugen.
• Het laadprogramma voor het besturingssysteem wordt van HD naar het intern geheugen gekopieerd.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 59§6 De BIOS
• De eerste instructie wordt uitgevoerd.
• De BIOS is klaar.
• Het besturingssysteem neemt het verder over.
• Je moet inloggen bij Windows
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 60§6 De BIOS
• Wat zijn ‘Drivers’?
• Kleine programmaatjes die bij een stukje hardware horen.
• Ze verzorgen de communicatie tussen deze hardware en I/O-poort.
• Ze worden door de fabrikant van de hardware gemaakt.
• De input en output voldoen aan een standaard.
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 61§6 De BIOS
• B2H03
• Paragraaf 5 en 6
• Theorie bestuderen
• Opdrachten maken
Stedelijk Gymnasium Breda RCM 62§6 De BIOS
B2 Hoofdstuk 3Computers en randapparatuur