B2 Hoofdstuk 3Computers en randapparatuur

Computers en randapparatuur

Harde schijfPrinterGeheugenDVD-spelerScannerProcessorMonitor

Stedelijk Gymnasium Breda RCM 2

USBBusstructuurNetwerkenSerieelParallelEmbedded

Dit hoofdstuk gaat over de hardware

Computers en randapparatuur

Computers zijn overalB2H03 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 processorB2H03 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

InstructiesVoorbeeldWaarde van adres A naar R1Waarde van adres B naar R2R1 + R2 naar R3waarde van R3 naar adres CVolgende 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

OpdrachtProcessor simulatieKopieer de map ProcSim (zip) naar je

eigen omgevingUitpakken

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• FLOPS

Floating Point operations • MIPS

Mega Instructions per second• ICICOMP

Icomp Intel Comparative Microprocessor Performance Index

Stedelijk Gymnasium Breda RCM 19§2 De processor

19714-bits 0,74 MHz19728-bits 0,80 MHz19768-bits 5,0 MHz197816-bits 5,0 MHz198216-bits 10 MHz198532-bits 16 MHz199532-bits 150 MHz200032-bits 1300 MHz

Stedelijk Gymnasium Breda RCM 20§2 De processor

200532-bits 3200 MHz200564-bits 2660 MHz200864-bits 3200 MHz201064-bits 3800 MHzWikipedia

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

freq

uent

ie (

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

freq

uent

ie (

MH

z)

Stedelijk Gymnasium Breda RCM 24§2 De processor

B2H03Paragraaf 1 en 2Theorie bestuderenProcessor simulatorOpdrachten maken

Stedelijk Gymnasium Breda RCM 25§2 De processor

Computers en randapparatuur

Het geheugenB2H03 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

chipscache(S)DDRRAM/ROM

hard disk (HDD)Static State Drive (SSD)CD/DVDflash-drive/USBtapediskette/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