Hoofdstuk 3

Hoofdstuk 3 Hardware

Paragraaf 1

Het binnenste van een computer bestaat uit een printplaat met daarop een aantal chips en andere elektronische componenten. En ook uit een voeding, de behuizing van harde schijf, het diskettestation enz. die staan allemaal in vervinden met elkaar doormiddel van kabels.
Op de printplaat zitten connectoren om beeldscherm, toetsenbord, muis en printer aan te
sluiten.

Om functie van een computer wil bestuderen moet je alle details weghalen:

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.

De bus: De kabel in een computer systeem waarlangs de communicatie plaats vindt, en bestaat uit een aantal parallelle draden van geleidend materiaal.
Een bit: data die wordt verzonden via hoge spanning (1) of via lage spanning (0)

De draden van de bus vormen samen een aantal bits, een binair getal. Alle componenten kunnen deze binaire getallen permanent waarnemen

1.1

Schrijftransactie: 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. (bv: als je iets wil printen, CPU -> printer)
Leestransactie: Als het initiatief voor de transactie bij de ontvanger ligt. (bv: als je iets typt, het CPU moet die letter onthouden, toetsenbord -> CPU)

Het werkgeheugen kan beschouwd worden als een archiefkast, waarin elke lade een eigen adres heeft. Het werkgeheugen bestaat uit geheugenplaatsen van 1 byte

Memory controler: (de archivaris) Dit reageert alleen op een transactie wanneer het een lade uit de archiefkast betreft. Alle andere transacties laat hij ongemoeid.
Stuurgegeven: Het type transactie. Het stuurgegeven moet bij elke transactie worden verzonden.

1.2

Databus: Die transporteert de gegevens (de data) tussen de verschillende componenten van het computersysteem.
Data: Gegeven.
Adresbus: De adresbus verstuurt het adres van de component waar de gegevens naar toe gestuurd moeten worden of waar ze vandaan gehaald moeten worden.
Controlbus: Die zorgd voor het versturen van stuurgegevens

De breedte van een adres is bepalend voor het RAM-geheugen.
Twee lijnen, de read en de write geeft aan of het CPU een data leest, schrijft of er helemaal
niets mee doet. De controlbus heeft onder andere ook de 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. De eerste IBM pc kon maximaal1 MB aan werkgeheugen adresseren (220) tegenover 64 GB van een moderne pc (236).

1.3

Busarbiter: Dit regelt het verkeer op de bus.
Klok: Die regelt de transacties. De kloksnelheid van de bus van de huidige PC ligt boven de 500 MHz
Buscyclus: De klokperiode van de bus waarin één transactie kan plaatsvinden.

1.4

Sensor: Waar een apparaat mee waarneemt
Acuator: Elektrisch signaal
Embedded systems: Procesgeoriënteerde systemen die ingebouwd zijn in apparaten.
Supercomputters: Die hebben 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.
Mainframes Een mainframe bestaat uit een grote centrale computer met meerdere CPU's, een groot werkgeheugen en achtergrondgeheugen voor de opslag van data. Aan een mainframe zijn meerdere terminals aangesloten.
Terminal Dit kan een toetsenbord zijn maar ook een PC of monitor. Heeft geen CPU of werkgeheugen
Netwerkcomputers Pc's zonder achtergrondgeheugen maar met CPU en werkgeheugen.
Server Een server is een zware pc met een of meerdere CPU's, veel werkgeheugen en een of meer grote harde schijven.

Paragraaf 2

2.1

Processor (CPU, CVE) 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. Het is de intelligentie van de computer.

De processor bevat tenminste drie onderdelen:
• De ALU (Arithmetic and Logic Unit) voert de rekenkundige en logische bewerkingen
uit;
• De registers (klein, snel geheugen) 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.

2.2

De processor werkt zo:
1 Eerst kopieert de Control Unit een instructie uit het werkgeheugen naar een speciaal register, het instructieregister.
2 Vervolgens wordt de instructie geanalyseerd door de Control Unit,
3 Uiteindelijk voert de ALU de bewerking uit.

Instructiecyclus: Het proces van de processor dat telkens herhaald wordt.

Operatiecode: De eerste 8 bits geven aan welke bewerking de ALU moet uitvoeren.
Operandcode: Na de eerste 8 bits volgen er nog 3 rijtjes van 8 bits. 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.
Program counter: Die bevat het adres van de volgende uit te voeren instructie.
Instructieregister: De instructie de op het adres in de program counter staat leest de Control Unit en die zet hij in de instructieregister.
Assembleertaal: Taal waar in bits vervangen worden door letters en cijfers.
Assembler: Een programma die assembleertaal omzet naar machine taal (bits)

Een assembleertaal is processorafhankelijk. Dat programma werkt alleen op die processor.

2.3

De ALU kan rekenkundige of logische instructies uitvoeren. Hiermee kun je nog geen programma's ontwikkelen.

Spronginstructies Dit maakt herhalingen en keuzes. De spronginstructie heeft een geheugenadres als operand.
Instructies voor datatransport: Dit word gebruikt om data te kopiëren

Paragraaf 3

John von Neumann: Hij ging ervan uit dat zowel de instructies (het computerprogramma) als de data binair konden worden opgeslagen in het werkgeheugen.
Stored program concept: Het idee om ook het programma in het geheugen te plaatsen
Von Neumann-architectuur 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.
Je maakt bij het werkgeheugen onderscheid tussen RAM, cachegeheugen en ROM.

3.1

RAM Random Access Memory: vrij toegankelijk geheugen voor het besturingssysteem en de gebruiker om daar tijdelijk gegevens in op te slaan.
DIMM 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. Er moet constant elektrische spanning op staan, als dat er niet op staat wordt alles gewist.

3.2

Cache 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.

Hierin bevinden zich de instructies die worden uitgevoerd en de data. L1 cache “kijkt” eerst in L2 cache voordat het naar het RAM geheugen gaat. L1 en L2 zijn zeer snel.

3.3

BIOS Dit voert een aantal test uit op de instellingen die door de fabrikant zijn opgeslagen op de ROM chips. Deze instellingen worden ook na het afsluiten bewaard.
ROM Read Only Memory, wat betekent dat het computersysteem dit geheugen wel kan lezen, maar dat de gebruiker er niets aan kan veranderen.

Het grote nadeel van een ROM-chip was dat een bedrijf niet zelf data kon zetten in een chip.
Daarom is er nu een nieuwe chip: PROM

PROM 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.
EPROM-chip Erasable PROM. Deze chips kan gewist worden door ze gedurende een kwartier bloot te stellen aan sterk ultraviolet licht.
EEPROM 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.

Paragraaf 4

Er zijn drie technieken om gegevens vast te leggen: magnetisch, optisch en elektronisch.

4.1

Bij magnetische schijven wordt de data gecodeerd als microscopisch kleine, gemagnetiseerde “naaldjes” op het schijfoppervlak. Alle gegevens worden in de vorm van enen en nullen weggeschreven naar de schijf. Een schijf wordt ingedeeld in sporen (tracks) en sectoren.
Sporen: De sporen zijn cirkelvormige patronen en een sector kun je vergelijken met een taartpunt.
Cluster: De combinatie van twee of meer sectoren in één spoor.
Een bestand kan opgeslagen worden in een of meerdere clusters, maar een bestand kan geen gebruik maken van een cluster waarin al iets staat.

Diskettes:
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.

Hardeschijf:
Een harde schijf bestaat uit een aantal met magnetisch materiaal beklede platen van glas of metaal die met grote snelheid ronddraaien. De opslagcapaciteit is groot. Het aantal platen en de samenstelling van de magnetische laag bepalen de opslagcapaciteit. Harde schijven zijn zeer gevoelig voor stof.

Tape:
Een tape wordt sequentieel (achter elkaar) gelezen. Een schijf kan random (willekeurig) data lezen. Dit is handig voor een backup, maar niet voor het snel bewerken van een file.

DSS 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.

4.2

Putjes (pits) Dit wordt gebruikt om in optische schijven data op te slaan.
Lands Niet bewerkte gebieden rond de pits.

Een lazer leest de data op de optische schijven. Die zit aan de onderkant, zodat de pits
uitsteken als dammetjes. Als de laserstraal op een land valt, dan wordt het licht
gereflecteerd. Valt de laserstraal op een pit, dan wordt het licht verstrooid. Een pit-land of
land-pit als 1 te gecodeerden het ontbreken van een overgang als een 0. Dit is
betrouwbaarder.

CD-ROM:
Om gegevens in een CD-ROM te plaatsen wordt een infrarood lazer gebruikt. Die lazer brand gaatjes in een glazen schijf. Hiervan wordt een vorm gemaakt. In die vorm wordt er polycarbonaat gegoten. Daarover een laagje aluminium, en daarover een beschermend laagje lak.
Er zijn twee soorten Cd’s :
CD-R: CD-Recordables, die slechts éénmaal kunnen worden beschreven.
CD-RW: CD-ReWritables, die vele malen kunnen worden beschreven en ook weer gewist.
CD-R en CD-RW hebben geen puntjes.

Een CD-R wordt beschreven 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 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.

DVD:
De DVD werkt precies het zelfde als een CD alleen zijn de pits kleiner waardoor er meer ruimte is voor andere pits. De laser van een dvd-speler heeft een kortere golflengte en een sterker objectief, waardoor kleinere details gelezen kunnen worden.

Er was vraag naar een groter opslagcapaciteit. Daarom zijn er vier formaten van DVD’s:
• DVD-5: single side, single layer: 4,7 GB
• DVD-9: single side, dual layer: 8,5 GB
• DVD-10: double side, single layer: 9,4 GB
• DVD-18: double side, dual layer: 17 GB

Bij een dual layer DVD kan er op allebei de kanten iets geschreven worden, alleen heeft de onderkant grotere pits en lands nodig om gelezen te kunnen worden. Daarom heeft de onderste kant minder opslagcapaciteit dan de bovenste kant.

Net als bij de cd zijn er drie typen dvd's te onderscheiden:
• DVD of DVD-rom: voorbespeeld: na productie niet beschrijfbaar
• DVD-R of DVD+R: beschrijfbaar: één keer beschrijfbaar met een dvd-recorder
• DVD-RW, DVD+RW en DVD-RAM: herschrijfbaar: meerdere keren beschrijfbaar met een dvd-recorder

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. En hij heeft meerdere lagen boven elkaar.
HD DVD: High density digital versatile disc, maakt ook gebruik van een blauwe laser, maar de opslagcapaciteit is kleiner dan bij blu-ray. HD DVD’s kunnen op bestaande apparatuur gemaakt worden. (goedkoper) Blu-ray niet.

4.3

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.

Elektronische opslag: Hierbij worden de gegevens behouden ook al is de elektrische stroom van het apparaat af. Bv: geheugenkaartjes voor een digitale camera of programma’s en data in een PDA.

Paragraaf 5

Controller: De communicatie tussen het CPU en het geheugen wordt geregeld door speciale elektronica, de controller.
I/O-processor: Om het lezen en schrijven van het apparaat naar de bus te regelen heeft de controller een speciale chip.

5.1

Het toetsenbord is onmisbaar om teksten te typen, en de pijltjes toetsen kunnen soms als
muis worden gebruikt. Door het indrukken van een toets wordt een stroomkring gesloten. Een stroomsignaal wordt naar de I/O-processor in het toetsenbord geleid. Elke toets heeft een unieke code. De I/O-processor stuurteen signaal naar het CPU om te zeggen dat die code verwerkt moet worden. De BIOS vertaald de code naar een standaard letter of cijfer.

5.2

Een scanner kan tekst en afbeeldingen omzetten zodat die verder kunnen worden bewerkt in een computer. De meest gebruikte is de scanner die gebruik maakt van lichte en donkere gedeeltes. Die verschillen in licht worden door de lichtgevoelige chips waargenomen. Een analoog-digitaal-converter zet het om in een patroon van pixels.
OCR: Optical Character Recognition, dit progamma zet tekst om van een afbeelding naar leesbare lettertekens

5.3

Met je muis kan je over het beeld bewegen, op dingen klikken en dingen verslepen. Bij de
eerste muizen werd er gebruik gemaakt van een bal. De sensoren om de bal heen namen de
bewegingen van de bal waar. Een sensor reageert op het op en neer gaan van de bal, de
ander op de zijwaartse beweging. Deze signalen worden doormiddel van een kabel
doorgestuurd naar het CPU.
Nu wordt er gebruik gemaakt van een LED.
LED: Light emitting diode of laserlicht: een optische muis. Daarmee kunnen de bewegingen van de muis nauwkeuriger mee gevolgd worden.
Trackball: Dit 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.

5.4

Touchpad: 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. (notebook)
Grafisch tablet: 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. (architecten, ontwerpers)

Touchscreen: 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.

5.5

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.

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. 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 zijn dat het populairste type monitor.

5.6

Je hebt stereo luidsprekers of een uitgebreide set met een subwoofer voor de lage tonen en extra speakers voor een “surround”-geluid. In de computer moet een geluidskaart zitten die aan de standaard voldoet.

5.7

Injet printers: Deze printers kunnen haarscherp afbeeldingen en teksten afdrukken. Het nadeel is dat de inktcartridges erg kostbaar zijn en er maar een beperkt
aantal pagina’s mee kan worden afgedrukt.(een printkop met buisjes inkt)
Lazerprinters: 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.

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.

5.8

Plotter: Dit 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.

Dit wordt gebruikt door mensen die CAD gebruiken.

5.9

Modems: Dit 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.
Moduleren: De eerste modem zet eerst de digitale gegevens uit de ene computer op de draaggolf voordat het data verzend.
Demoduleren: Dit is dat de tweede modem de informatie ontvangt en van de draadgolf afhaalt.
Protocollen: Om dit hele proces in goede banen te leiden, is ook een communicatieprogramma nodig. 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.
TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol, dit wordt gebruikt om computers foutloos met elkaar te laten communiceren via het internet.