hardware …og hvor dum en computer egentlig er

RHS - Informationsteknologi 1

Hardware…og hvor dum en computer egentlig er


Hardware og software

• For at kunne lave noget fornuftigt med en computer, skal man bruge både hardware og software

• Hardware: Engelsk, betyder ”isenkram” – de fysiske dele, en computer består af (skærm, tastatur, mus, og alt det inden i kassen)

• Software: De programmer (Word, Messenger, Counterstrike, Internet Explorer,…) vi bruger for at lave noget med computeren


En computers tænkemåde…

• For at forstå hardware i en computer, skal man vide lidt om, hvordan en computer ”tænker”

• En computer ”tænker” ikke, den regner!

• Hvordan får man noget metal til at regne…?


Tændt eller slukket

• En computer regner ved hjælp af metal og strøm

• Computeren kan endda kun se, om strømmen er tændt eller slukket…

• Hvordan kan man bruge det til at regne?

• Til det formål bruger man en transistor


Transistor

• En transistor er et meget simpelt stykke elektronik

• To ledninger fører ind i transis-toren; en ledning fører ud

• Her er det smarte: transistoren kan lave en ”udregning”, ud fra om der er strøm på de to ledninger, der fører ind i transistoren

• En såkaldt logisk funktion


Den kloge transistor

• Hvad kan den så regne ud?• Ved første øjekast ikke så imponerende…

A B Yslukket slukket tændt

slukket tændt tændt

tændt slukket tændt

tændt tændt slukket


Logisk, ikke sandt…?

• Det transistoren kan ”regne ud”, er et eksempel på en logisk funktion

• I en logisk funktion putter man nogle (1 eller flere) værdier ind, og får en værdi ud

• MEN værdierne – og resultatet – kan kun være sand eller falsk


Logiske funktioner - eksempel

A B Y

falsk falsk

falsk sand

sand falsk

sand sand

To værdier ind

Fire muligekombinationer

Resultat


Logiske funktioner - eksempelA B C Y

falsk falsk falsk

falsk sand falsk

sand falsk falsk

sand sand falsk

falsk falsk sand

falsk sand sand

sand falsk sand

sand sand sand

Tre værdier ind

Otte muligekombinationer


Logiske funktioner - transistor

A B Y

falsk falsk sand

falsk sand sand

sand falsk sand

sand sand falsk

Hvis vi sætterslukket = falsktændt = sand


Nuller og etter

• Hvis vi nu kalder sand for 0 (nul), og kalder falsk for 1 (et), bliver tabellen fra før:

A B Y

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

• Dette er den måde, vi som regel betegner ”tændt” og ”slukket”

• Et talsystem med kun 0 og 1 kaldes et binært talsystem


Det binære talsystem

• Computere bruger det binære talsystem, mennesker bruger (mest) 10-tals systemet

• Hvis vi i 10-tals systemet skriver 110, betyder det: 1x100 + 1x10 + 0x1 = 110

• Hvis vi i det binære talsystem skriver 110, betyder det: 1x4 + 1x2 + 0x1 = 6

• En anden skriveform:– 11010 = 1x102 + 1x101 + 0x100 = 110

– 1102 = 1x22 + 1x21 + 0x20 = 6


Det binære talsystem• Selv om det binære talsystem ser lidt mærkeligt

ud, kan man regne helt som i det almindelige 10-tals system– I 10-tals systemet: 5 + 7 = 12– I det binære talsystem: 101 + 111 = 1100

• Vi regner med menter helt som normalt– 0 + 0 = 0– 0 + 1 = 1– 1 + 0 = 1– 1 + 1 = 0, og 1 i mente


Hardware – opgave 1

• At regne med binære tal er – stort set – som at regne med almindelige tal

• Hvordan skrives 2, 9 og 22 i det binære talsystem?• Her er to binære tal: 10010 og 1111. Hvad svarer de til i

det normale talsystem• Hvad er 1010 + 1100 (i det binære talsystem)?• Hvordan fungerer det at regne med menter, når man

lægger to tal sammen i det binære talsystem?


Tilbage til transistorer

• Men…den der transistor fra før kunne jo ikke finde ud af at lægge tal sammen

• Rigtigt, men hvis man er snedig nok, kan man sætte flere transistorer sammen på en måde, så de giver et andet resultat

1+1 = ?


Den kloge transistor - igen

• Hvordan var det nu den regnede…?

A B Y0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0


Den kloge transistor - igen

• Men man kunne jo sætte dem sammen, og få noget andet ud…

A B Y0 0 1

0 1 0

1 0 1

1 1 1

A

B

Y


Tilbage til transistorer

• Det blev jo ikke meget bedre….men vi kan jo kombinere på andre måder!

• Det vi vil nå frem til, er at kunne lave binær addition korrekt

• Binær addition er jo ”bare” en lidt speciel logisk funktion, med 3 værdier ind, og 2 værdier ud

• Kan også opfattes som to logiske funktioner


Binær additionA B Mente

indY Mente

ud

0 0 0 0 0

0 1 0 1 0

1 0 0 1 0

1 1 0 0 1

0 0 1 1 0

0 1 1 0 1

1 0 1 0 1

1 1 1 1 1


Sådan kan vi plusse…

• En snedig person har så fundet frem til denne kombination:


Den første byggeklods

• På denne måde har vi nu fået metal og strøm til at kunne lave addition

• Herfra er det ikke så vanskeligt at få lavet de andre regnearter

• Hermed havde man faktisk grundlaget for de første computere.


ENIAC

• Bygget omkring 1945• Ca. 30 tons• Baseret på radiorør• Ca. 20.000 transistorer• Regnede på baner for

missiler• Virkede kun halvdelen

af tiden…


60 år senere…

• I dag laver man ikke transistorer enkeltvis til computere – de sættes sammen på en chip

• De mest avancerede chips rummer flere milliarder transistorer – på et område på størrelse med en lillefingernegl

• Hvis biler havde gennemgået samme udvikling:– Pris: 10 kr– Benzinforbrug: 10.000 km pr. liter– Topfart: 100.000 km pr. time


Moore’s lov

• ”Indenfor to år kan vi fordoble antallet af transistorer på en chip”


Fra 0 og 1 til Counterstrike

• Selv om vi kan få metal og strøm til at lægge tal sammen, er der stadig meget langt til at få en PC til at spille Counterstrike

• Computeren kan håndtere enorme mængder data, ved enorme hastigheder– Hvor hurtigt?– Hvor meget data?


Kilo, Mega, Giga, Tera…• Når man snakker om computer, siger man tit ting

som ”megabytes”, ”gigahertz”, og så videre…• Hvad betyder det egentlig? Det handler som

regel om mængder af data og regnehastighed• Husk, at ”mega”, ”giga”, osv er ord, som angiver

en størrelse af noget:– Kilo = 1.000 (tusind)– Mega = 1.000.000 (million)– Giga = 1.000.000.000 (millard)– Tera = 1.000.000.000.000 (billion)


Bits og bytes

• For en computer er den mest simple enhed for data netop et 0 eller 1

• Dette kaldes for en bit• En computer regner altså på bits – ikke andet.• En lidt mere praktisk enhed er en række på 8

bits – dette kaldes for en byte.• Hvorfor lige 8 bits?• Mest en tradition, men vi kan for eksempel

definere et ”tegnsæt” med 8 bits


Bits og bytes

• Hvor mange forskellige bytes findes der?• En byte er 8 bits, hver bit kan være 0 eller 1• Antal muligheder: 2x2x2x2x2x2x2x2 = 256 (28)• Vi kan nu lade hver kombination på 8 bits betyde

et specifikt tegn, for eksempel ”H”• Med 256 muligheder har vi nok til store og små

bogstaver, tal, specialtegn og så videre.• Et eksempel på dette er ASCII koder


ACSII koder


Mængder af data

• Som regel omtaler man mængder af data i bytes (hvor én byte er 8 bits)

• For en computer er alt slags data bare en lang række af bits

• Det kræver et program – lavet af mennesker – at fortolke rækken af bits som for eksempel musik, video, en Word dokument, og så videre

• Hvor mange bytes kræver forskellige slags data?


Størrelse af forskellige data

Ren tekst

(uden billeder)

Musik

(mp3 format)

Video

(DVD kvalitet)

Kilo-byte En halv side --- --

Mega-byte Roman på 500 sider

Et minut Et sekund

Giga-byte Stor bogreol

(1000 bøger)

16 timer 20 minutter

Tera-byte Stort bibliotek

(1000 reoler)

To år To uger



• Ved at bruge 8 bits (en byte) til at repræsentere et tegn, kan vi lave 256 forskellige tegn. Hvis vi nu brugte to bytes i stedet for, hvor mange forskellige tegn kan vi så lave?

• En DVD til film kan rumme ca. 10 Gigabytes. Hvor lang en film kan man have på sådan en DVD?

• En gammeldags diskette rummer ca. 1,5 Megabytes. Hvor lang en film kan den rumme? Hvor meget musik?

• Overvej, hvorfor film og billeder fylder så meget i forhold til tekst


Regnehastighed

• Når en computer regner, regner den på mange rækker af bits på samme tid.

• For at dette kan fungere, skal de små regne-enheder regne ”i takt”

• Man har derfor en ”dirigent”, der angiver hvornår der skal regnes

• Dirigentens hastighed styrer, hvor hurtigt computeren kan regne


Regnehastighed

• Hvor hurtigt kan dirigenten dirigere – hvor mange taktslag i sekundet (Hertz)?

• På den gamle computer, ca. 10.000 gange pr. sekund (10 kiloHertz)

• På en moderne PC, ca. 3.000.000.000 gange i sekundet (3 GigaHertz)


3.000.000.000 Hertz

• Tre milliarder gange pr. sekund er pænt hurtigt…

• For hvert taktslag bevæger lyset sig 10 centimeter

• Så hurtigt, at selve chippens størrelse begynder at være et problem

• Antal taktslag pr. sekund kaldes også for clockfrekvens


CPU

• Hvor foregår alt det regneri så henne?• Selve regneriet foregår i en enhed kaldet CPU

(engelsk: Central Processing Unit)• Denne enhed er stort set bare en chip, der ser

ret kedelig ud…


CPU’en og det indre lager

• CPU’ens opgave er at regne løs på rækker af bits – men hvor kommer de rækker af bits fra?

• Nogen skal sørge for, at CPU’en hele tiden har noget at regne på, og tage sig af de resultater, CPU’en producerer

• Til dette formål bruger computeren det indre lager


Det indre lager• Når CPU’en regner, sker der følgende:

– Data flyttes fra det indre lager til CPU’en– CPU’en regner på data– Resultatet flyttes fra CPU’en til det indre lager

• Det indre lager er altså ”bare” et lager, hvor vi kan opbevare en vis mængde data

• Det indre lager er passivt, der sker ingen beregning her

• Som regel er det indre lager af typen RAM (engelsk: Random Access Memory)


Det indre lager

• Hvad er det indre lager egentlig?• Bare nogle chips, som kan

rumme en vis mængde data• I en moderne PC vil det indre

lager typisk rumme 1-4 Gigabyte• Hvad kan data konkret være?

For eksempel data fra en mp3-fil, som CPU’en skal regne på for at lave det om til musik


Indre vs. ydre

• Indre lager i form af RAM har én stor fordel: overførsel af data mellem CPU og RAM er ret hurtigt (flere Gigabytes pr. sekund)

• Hurtigt i forhold til hvad?• Men der er nogle store ulemper:

– RAM er temmelig dyrt (i forhold til hvad?)– Når strømmen til computeren slukkes, forsvinder al

data fra det indre lager

• Vi har derfor også brug for et ydre lager


Det ydre lager

• Hvor kommer data i det indre lager fra? De kommer fra det ydre lager

• Hvad er det ydre lager? Overordnet set det samme som det indre lager, altså et passivt lager for data, MEN– Er som regel langt billigere end RAM– Bevarer data, når strømmen er slukket

• Mest almindelige form for ydre lager i en moderne PC er en harddisk


En hård sag…

• En harddisk rummer en antal magnetiske plader, hvorpå man kan lagre enkelte bits ved at magnetisere et bestemt område af pladen

• Moderne harddiske rummer typisk 200-1000 Gigabyte


Harddisk vs. RAM

Harddisk RAM

Typisk mængde i PC 200-1000 GB 1-4 GB

Pris pr. Gigabyte 0,50-1 kr. 50-200 kr.

Overførselshastighed 0,1-0,3 GB/sek 4-8 GB/sek

Bevarer data uden strøm

Ja Nej

Teknologi Mekanisk Elektronisk


Harddisk vs. RAM

• Med andre ord:• RAM:

– Meget hurtigt og stabilt, MEN– Meget dyrt, og gemmer ikke data

uden strøm

• Harddisk:– Meget billig og stor kapacitet, og

gemmer data uden strøm, MEN– Meget langsom, og baseret på

mekanik


Andre typer ydre lager

USB-nøgler og SSD

CD, DVD og Blu-ray

Disketter Online

Kapacitet

(i Gigabyte)

1-64

(SSD: 1024)

0,7-30 0,0015 (!) ??

Pris

(kr pr. GB)

Ca. 15 Ca. 1 >100 ??

Hastighed

(MB pr. sek)

10-50 25 < 1 Afhængig af forbindelse

Teknologi Elektronisk Optisk / Mekanisk

Magnetisk / Mekanisk

Internet

Note Kan afløse harddisk

Stagnerende Bruges næsten ikke

På vej…



• Undersøg, hvor meget plads der er på harddisken på din computer. Hvor meget af pladsen er brugt?

• For ca. 20 år siden kostede en harddisk på 40 Megabyte omkring 4000,-. I dag koster en harddisk på 1000 Gigabyte omkring 500,-. Hvor meget billigere er en harddisk blevet, regnet ud i pris pr. Gigabyte

• Sammenlign dit resultat med Moore’s lov – har udvik-lingen været tilsvarende for prisen (pr. Gigabyte) på en harddisk?


Bundkortet

• I en PC vil der være en plade, hvorpå de centrale komponenter sidder – denne plade kaldes for bundkortet

• På bundkortet vil der (mindst) være– CPU– RAM (indre lager)– Nogle ”hjælpekomponenter”– Pladser til at sætte andre enheder ind (sokler)


Andre typer enheder

• Eksempler på andre enheder kan være:– Grafikkort– Lydkort– Netkort– TV-kort

• På nogle PC’er sidder disse komponenter direkte på bundkortet, på andre som ”ekstra” enheder sat i soklerne på bundkortet

• Hvorfor…?


Andre typer enheder

• Selv med dagens meget hurtige CPU’er, kan man ”aflaste” CPU’en ved at bruge disse ekstra enheder

• Grafikkort– Specielt designet til at regne på grafik– Fjerner denne beregning fra CPU’en– Kan øge den grafiske ydelse med op

til 100 gange– Typisk anvendelse: SPIL!!


Bussen går ofte…

• Alle disse enheder skal ”tale” sammen (udveksle data) for at virke

• Hvordan gør de det?• Til udveksling af data bruges

såkaldte busser• En databus transporterer

data mellem to enheder


Bussen går ofte…

• En databus sender data:– Et vist antal gange pr. sekund– En vis mængde data pr. gang

• Eksempel, 32-bit bus på 100 Mhz– Sender 32 bit (4 bytes) pr. gang– Sender 100 millioner gange pr. sekund

• Flere busser – med forskellig hastighed – i en PC (lokal bus, system bus, og så videre)


Fjernbussen…

• Der bruges også en bus til at snakke med ekstra enheder, f.eks et grafikkort

• Bustyper til ekstra/ydre enheder:– PCI (engelsk: Peripheral Component Interconnect) –

de sokler man kan sætte ekstra enheder i, bruger som regel PCI

– USB (engelsk: Universal Serial Bus) – de små porte man f.eks kan sætte en memory key i, bruger som regel USB

• Heldigvis er disse busser en standard


Ydre enheder

• De ydre enheder er de enheder, som gør kommunikation mellem PC og menneske mulig

• Typiske ydre enheder– Tastatur og mus– Skærm– Højttalere / headset– Printer

• Men også– Digital kamera, mobil, PDA, USB-nøgle, …


Tastatur og mus

• Ikke et område med den store udvikling…– Som regel tilsluttet via USB– Ofte trådløst

• Muse-teknologier– Mekanisk (den med kuglen…)– Optisk (laser)– Smag og behag…

• Intet rigtig godt alternativ til musen endnu


Skærme

• To basale typer af skærme:– ”De gamle”: CRT (engelsk: Cathode Ray Tube)– ”De nye”: LCD (engelsk: Liquid Crystal Display)

UDGÅET


Skærme

• Vigtigste egenskab ved skærme er opløsningen (antal punkter (pixels), skærmen er delt op i)

• Jo flere punkter, jo bedre opløsning• Jo bedre opløsning, jo bedre billedkvalitet• Selve skærmens størrelse måles – pr. tradition –

som diagonalens længde i tommer• Eksempel: En 22” skærm er en skærm, hvor

diagonalen måler 22 tommer, ca. 56 cm.


Skærme

1050

1680

22”


Typiske skærmstørrelser (2009)

Type Størrelse Opløsning Pris (ca)

Separat 20” 1440 x 900 1.000

22” 1680 x 1050 1.500

24” 1920 x 1200 2.000

På bærbar 17” 1440 x 900 --

15,4” 1280 x 800 --

10” 1024 x 600 --


Specielle ydre enheder

• Til brug i industrien kan der anvendes specielle ydre enheder– Robotarm– 3-D fræsemaskine– Overvågningsudstyr

• Produktion udført med hjælp af computere kaldes ofte for CAM (engelsk: Computer Aided Manufacturing)



• Hvad er en ”bus”, når vi snakker om computere?• Hvilke oplysninger er de vigtigste, når vi skal vurdere om

en skærm er den rette for os?• Når en computer kører, laver den som regel en konstant

susende lyd – hvorfor? Og hvorfor bliven lyden højere, når man f.eks. spiller et spil? (tip: strømforbrug)

• Hvis man ser på prisen på en bærbar PC, og for en tilsvarende – d.v.s. samme mængde RAM, samme størrelse harddisk – stationær PC, vil den bærbare som regel være noget dyrere – hvorfor egentlig det?

hardware …og hvor dum en computer egentlig er

Documents