Informatica

• Computerarchitectuur


  De architectuur van een computer beschrijft globaal uit welke onderdelen (componenten) de computer bestaat en hoe deze met elkaar samenhangen en samenwerken
• Klassiek lagenmodel


  • Fysiek
  • Logisch
  • Toepassing
• Hardware


  • Moederbord
  • Processor
  • Werkgeheugen
  • Opslag
  • Randapparatuur
• Software


  • Operating Systems (besturingssystemen)
  • Programmeertalen
  • Databases
  • Netwerken
• Software


  • Programma's
  • Apps
  • webdiensten
• Hardware


  • Systeemkast
  • Voeding
  • Ventilatoren
  • Kabels
  • Netwerk kaart (optioneel)
  • Grafische kaart (optioneel)
  • DVD speler/brander (optioneel)
  • Moederbord (incl. chipset)
  • Processor
  • Werkgeheugen
  • Harde schijf / Solid State Drive
  • Monitor
  • Toetsenbord
  • Muis
• Verbindingen in de computer

  • Alle interne componenten van een computer zijn (via het moederbord) aangesloten op de bus
  • De bus bestaat uit parallelle draden van geleidend materiaal (meestal koper maar soms ook zelfs zilver)
  • Elk draadje staat voor een bit en de waarde van de bit zijn eigenlijk stroomstootjes: Hoge spanning is bijvoorbeeld een 1, Lage spanning is bijvoorbeeld een 0
  • Miljoenen schrijf en lees "transacties" per seconden
• Soorten bussen in de computer

  • Databus (transporteert de data)
  • Adresbus (waar staat de data?)
  • Controlbus/besturingsbus (wat moet er gebeuren: lezen, schrijven, niets doen, enz.)
• Bus capaciteit


  • Bus breedte en bus snelheid
  • Hoe breder de bus hoe groter de data in één keer verstuurd kan worden of hoe meer adressen er geadresseerd kunnen worden
• Bij een 64-bits computer kunnen er 2^64 adressen geadresseerd worden
• Busarbiter en klok


  • Zorgen ervoor dat alle transacties probleemloos verlopen
  • Ieder component dat een lees- of schrijftransactie op de bus wil plaatsen, vraagt dat via de controlbus bij de arbiter aan en moet wachten tot er toestemming wordt verleend
  • Op elke tik van de klok wordt er één transactie afgehandeld: een buscyclus
  • De kloksnelheid wordt vaak uitgedrukt in Hertz waarbij 1Hz overeenkomt met 1 bewerking per seconde
  • De processor heeft een eigen kloksnelheid en staat dus los van de kloksnelheid van het moederbord
• Processor


  • Hart of motor van de computer
  • Centrale Verwerkings Eenheid (CVE) of Central Processing Unit (CPU)
• Werking van de processor

  1. Voert instructies van een programma uit

  2. Instructies kunnen bijvoorbeeld zijn: optellen van twee getallen, ophalen van een getal uit het geheugen, opslaan van gegevens in het geheugen

  3. Moderne processor kan miljarden instructies per seconde uitvoeren
• Processor


  • Bestaat uit miljarden super kleine transistors op een oppervlakte van maar een paar centimeter
  • Hoe meer transistors een CPU bevat hoe krachtiger deze is, maar ook hoe meer energie deze verbruikt en hoe warmer deze wordt
  • Tegenwoordig kan de grote van de huidige transistors bijna niet kleiner
• Snelheid van de processor

  • Kloksnelheid wordt uitgedrukt in megahertz (MHz) en tegenwoordig zelfs gigahertz (GHz)
  • Hoe hoger dit getal hoe sneller de processor allerlei programma's kan verwerken, maar dit heeft niet alleen met de kloksnelheid te maken maar met allerlei omgevingsfactoren zoals de snelheid en de grote van het geheugen bijvoorbeeld of de manier waarop het instructies verwerkt
• Werking van de processor

  • Bestaat tenminste uit drie belangrijke onderdelen: Rekenkundige en logische eenheid (ALU), Besturings eenheid (Control Unit), Registers
  • De Control Unit vraagt een instructie op als een rij bits vanuit het werkgeheugen (RAM) en stuurt de data die bewerkt moeten worden naar de ALU
  • De ALU voert de rekenkundige bewerkingen uit en vergelijkt waarden
  • De registers zijn tijdelijke opslagplaatsen voor instructies en gegevens
• Instructies


  • Processor kan alleen met nullen en enen (machinecode) werken
  • Machinecode bestaat uit eenvoudige instructies zoals: LAAD, SLA OP, OPTELLEN/AFTREKKEN, VERMENIGVULDIGEN/DELEN, VERGELIJKEN enz.
  • Elke instructie heeft zijn eigen operatiecode die de Control Unit analyseert en uitvoert
  • Voor de optelling C = A + B is een serie instructies nodig
• Instructiecyclus


  1. Fetch: de instructie wordt opgehaald uit het werkgeheugen (RAM)

  2. Decode: de instructie wordt geanalyseerd en doorgestuurd (Control Unit)

  3. Execute: de instructie wordt verwerkt (ALU)

  4. Program Counter geeft aan waar de huidige instructie staat en verhoogd de Program Counter met één als de cyclus uitgevoerd is
• Von Neumann principe


  • De processor verwerkt instructies één voor één op volgorde (sequentieel)
  • Dit kan de computer heel snel en is daarom krachtig maar vormt ook een probleem: Von Neumann-bottleneck
• Oplossingen voor Von Neumann-bottleneck

  • Co-processor (hulpje slaaf)
  • Harvard architectuur (meerdere bussen)
  • Multicore (meerdere processoren)
  • Pipelining
• Machinecode


  • Makkelijk voor een computer maar niet voor een programmeur
  • Assembleertaal makkelijk voor een programmeur maar daarvoor is wel een programma nodig die de machinecode vertaald naar assembleertaal: assembler
  • Voor een hogere programmeertaal is een tolk (interpreter) of vertaler (compiler) nodig
• Intern geheugen


  • RAM (Random Access Memory)
  • Cache
  • ROM (Read Only Memory)
• Extern geheugen


  • Solid State Drive (SSD)
  • Hard disk (HDD)
  • SD-kaartjes
  • USB
  • CD/DVD
  • Diskette/Floppy
  • Tape
• Werkgeheugen (RAM)


  • Vrij toegankelijk om tijdelijk gegevens op een willekeurige plek te slaan
  • Zodra de spanning wegvalt zijn alle opgeslagen gegevens kwijt
  • Hoe meer programma's je tegelijk wilt gebruiken hoe meer werkgeheugen je computer nodig heeft om goed te functioneren
• Virtueel geheugen


  • Als je werkgeheugen vol is maakt je computer gebruik van een trucje door een stukje opslag geheugen te gebruiken als werkgeheugen
  • Voordeel is dat je computer nog werkt maar wel veel trager
• Opslagmedia


  • SD-kaartjes
  • USB
  • CD/DVD
  • Diskette/Floppy
  • Tape
• Intern geheugen zit op het moederbord vast en is sneller en duurder dan extern geheugen
• Werkgeheugen (RAM)


  • RAM (Random Access Memory) is vrij toegankelijk om tijdelijk gegevens op een willekeurige plek te slaan
  • Zodra de spanning wegvalt zijn alle opgeslagen gegevens kwijt
  • Hoe meer programma's je tegelijk wilt gebruiken hoe meer werkgeheugen je computer nodig heeft om goed te functioneren
  • In de specificaties van je moederbord kun je nagaan welk type er in de geheugenslots passen
• Virtueel geheugen


  • Als je werkgeheugen vol is maakt je computer gebruik van een trucje door een stukje opslag geheugen te gebruiken als werkgeheugen
  • Het voordeel is dat je computer nog werkt maar wel veel trager
• Cachegeheugen


  • Cache geheugen zit in de processor en wordt net zoals het werkgeheugen gebruikt om tijdelijk gegevens op te slaan
  • Het is zeer snel maar ook zeer duur
  • In de cache worden veel voorkomende instructies en data die uit het werkgeheugen zijn gehaald opgeslagen zodat deze sneller beschikbaar is
  • Omdat cachegeheugen in de processor zit is deze kun je deze niet zelf uitbreiden wat bij het werkgeheugen wel kan