De computer
Een computersysteem bestaat uit drie hoofdcomponenten: hardware, software en mensen. De apparatuur die bij een computersysteem hoort, wordt hardware genoemd. Software is een set instructies die de hardware vertelt wat ze moeten doen. Mensen zijn echter het belangrijkste onderdeel van een computersysteem - mensen gebruiken de kracht van de computer voor een bepaald doel.
Een computer is een machine die kan worden geprogrammeerd om gegevens te ontvangen (invoer), deze te verwerken tot nuttige informatie (uitvoer) en op te slaan (in een secundair opslagapparaat) voor later hergebruik. De verwerking van input naar output wordt gestuurd door de software, maar wordt uitgevoerd door de hardware.
Hardware
Moderne computers bevatten diverse onderdelen (hardware). In dit hoofdstuk vind je een beschrijving van de belangrijkste.
Invoerapparaten
Invoer zijn de gegevens die je voor verwerking in het computersysteem plaatst. Hier zijn enkele veelvoorkomende manieren om invoergegevens in het systeem in te voeren:
Typen op een toetsenbord. De computer reageert op wat je invoert; dat wil zeggen, het "echoot" wat je typt door het op het scherm weer te geven.
Wijzend met een muis of Touch pad of touchscreen. Een muis is een apparaat dat met de hand over een plat oppervlak wordt bewogen. De muis heeft een kleine camera die het oppervlak van de tafel bekijkt en hiermee de beweging van de muis berekend. De muisbeweging veroorzaakt een overeenkomstige beweging van de cursor op het scherm. Door op de knoppen op de muis te drukken, kunt je opdrachten uitvoeren. Een touchpad en touchscreen volgt de beweging van je vinger er vertaalt dat in een cursorbeweging op het scherm.
Foto's of video's maken met een camera. Digitale camera's hebben een chip die gevoelig is voor licht. Het licht wat op zo'n chip valt wordt omgezet in digitale data.
Scannen met een Scanner, barcodelezer of paslezers. Scanners werken door lichtstralen te gebruiken om een document of afbeelding te scannen die op de glasplaat is gelegd. barcodelezers, die je in winkels ziet, gebruiken laserstralen om speciale letters, cijfers of symbolen te lezen, zoals de streepjescodes op veel producten. Paslezers lezen de data die een pas met behulp van radiosignalen uitzend.
Daarnaast zijn er nog veel meer manieren om gegevens in te voeren.
Verwerking
Moederbord
Een moederbord in een personal computer (zo’n moederbord wordt ook wel systeembord, mainboard, mobo of in het geval van Apple Inc.: Logic Board genoemd) is een printplaat met elektronica waarop andere (insteek-)printplaten kunnen worden gemonteerd. In de loop der jaren is steeds meer functionaliteit in het moederbord ondergebracht. Rond 1989 bevatte het moederbord voornamelijk de processor, het werkgeheugen en interruptvoorzieningen, alle overige functies werden met insteekkaarten verzorgd. tegenwoordig treft men op een moederbord vaak een complete pc aan, inclusief geluids- en netwerkkaart, en in een aantal gevallen ook de videokaart. Hierdoor kunnen systemen goedkoper en compacter gebouwd worden. De meeste moederborden bevatten software om de werking van het moederbord mogelijk te maken dit noemen we de BIOS of UEFI.
BIOS / UEFI
BIOS (Basic Input/Output System)en UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) worden vaak door elkaar gebruikt. BIOS is de bekendste term, dus laten we daarmee beginnen. De afkorting staat voor Basic Input/Output System. De BIOS is verantwoordelijk voor het opstarten van je systeem. Wanneer je de aan-knop van je computer indrukt, ontwaakt de BIOS en start de Power-On Self Test of POST. Tijdens de POST vormt de BIOS zich een beeld van je computer. Alle hardware wordt één voor één geïnitialiseerd. Denk aan de verschillende onderdelen van het moederbord met daarachter het RAM, de processor, een eventuele grafische kaart, muis en toetsenbord. Pas wanneer de BIOS heeft vastgesteld dat de noodzakelijke hardware aanwezig is om je computer echt een computer te noemen, is het tijd om aan het opstarten van een besturingsproces te denken. Na de POST zoekt de firmware op de aangesloten opslagmedia met daarop een besturingssysteem. De BIOS gaat op zoek naar een Master Boot Record (MBR). Dat is een speciale sector in een gepartitioneerd deel van je opstartschijf. De MBR bevat informatie over het bestandssysteem van de harde schijf of SSD waar hij op staat. Dankzij de nodige lijnen code wordt de bootloader geactiveerd. Die begint vervolgens met het opstarten van je besturingssysteem. In essentie verloopt het proces vandaag hetzelfde als twintig jaar geleden, met het verschil dat de firmware van dienst eigenlijk geen BIOS meer is. De oude firmware heeft inherente beperkingen: zo kan de BIOS niet overweg met opstartschijven met een capaciteit hoger dan 2,1 TB. Bovendien draait een BIOS noodgedwongen in 16 bit-modus (64-bit is vandaag de norm voor besturingssystemen) en heeft de firmware maar 1 MB aan geheugen ter beschikking. Het resultaat: een BIOS kan maar één stuk hardware tegelijk opstarten, waardoor het hele opstartproces vertraagt. Bovendien ziet de interface er heel eenvoudig uit. In de regel krijg je een blauw scherm ter beschikking met daarop verschillende menu’s en opties in tekst, waar je met je toetsenbord doorheen navigeert.
Vandaag vind je geen BIOS meer in nieuwe computers. De opvolger van de standaard heet Unified Extensible Firmware Interface (UEFI). UEFI is sinds 2007 de norm en besturingssystemen zoals Windows verwachten UEFI. In de praktijk verwijzen de meeste fabrikanten nog naar hun UEFI-firmware als BIOS, omdat die laatste term zo ingeburgerd is. Er zijn echter grote verschillen.
UEFI kan omgaan met bijna oneindig grote opstartschijven, draait vanop een flash-chip, heeft aanzienlijk meer geheugen en ondersteunt muis en toetsenbord. In essentie is UEFI een soort mini-besturingssysteem dat opstart voor je echte besturingssysteem. Daar maken vooral fabrikanten van geavanceerde moederborden dankbaar gebruik van. Zo kan je eenvoudig in een geavanceerde UEFI-omgeving aan de slag gaan met overklokinstellingen, kan je profielen voor de ventilators instellen, eenvoudig updates uitvoeren, wisselen tussen energieprofielen en meer. Vooral bij producten gericht op gamers zal je deze functionaliteit terugvinden. Meer doordeweekse producten hebben een eenvoudigere UEFI-omgeving, die meer doet denken aan de traditionele BIOS.
De processor
Een processor, ook wel bekend als CPU (Engels: central processing unit), is de hardware in een computer die de instructies in de programmacode uitvoert. De eerste processors waren uitgevoerd als printplaten vol met losse componenten en IC's, maar sinds de jaren 70 ontstonden de eerste zogenaamde microprocessors, waarbij het hele systeem op één enkele chip werd vervaardigd. Dat zijn de processoren zoals we ze nu kennen.
Vroeger bestond de processor alleen uit een rekenunit die de programmacode uitvoerde. Tegenwoordig bevat een processor diverse units. Dit zijn onder andere meerder reken units, een geheugencontroler en in sommige prosessoren een grafische unit.
De processor werkt volgens een vast aantal stappen:
Ophaalfase
Een processor dient instructies van het te verwerken programma in volgorde uit te voeren. Het programma zelf staat in het RAM-geheugen. De processor heeft daarom een teller, de programmateller, die het geheugenadres van de volgende instructie bijhoudt. In de zogeheten "fetch-fase" (ophaalfase) haalt de processor de instructie op van het geheugenadres dat in de programmateller staat. De code in dit adres is de volgende uit te voeren instructie en deze wordt in het instructieregister geplaatst.
Decodeerfase
Stel dat de code in het instructieregister 0001010100010010 is. Wat betekent dat voor de processor? Een instructie is niets anders dan een reeks bits en in de decodeerfase wordt bepaald wat er moet gebeuren. Aan de hand van deze reeks bits worden de componenten in de processor die de instructie uitvoeren in de juiste stand gezet zodat zij de gewenste bewerking uitvoeren.
Uitvoerfase
Vervolgens begint de zogeheten "execute-fase" (uitvoerfase). De processor staat in de juiste stand en de berekening wordt gestart. Vervolgens wordt het resultaat in een klein stukje tijdelijk geheugen opgeslagen.
Opslagfase
Vervolgens begint de "store-fase" (opslagfase). Het register waar het resultaat voor bestemd is, gaat in de luisterstand. Als op de elektrische leidingen een getal voorbij komt voor een register, dan vervangt het het getal dat het bewaart met het getal dat het voorbij ziet komen. Het getal dat berekend is, wordt vervolgens op de draden gezet.
De volgende
Het uitvoeren van de instructie is nu afgerond, de programmateller wordt verhoogd en de processor wordt voorbereid op het uitvoeren van de volgende instructie.
Intern geheugen
Het interne geheugen is een aanduiding voor computergeheugen dat zich op het moederbord bevindt. In de geheugenhiërarchie wordt het als de eerste laag van geheugen, het primaire geheugen, aangeduid.
Traditioneel wordt er voor het interne geheugen een onderscheid gemaakt tussen cachegeheugen, dat zich (fysisch) zeer dicht bij de CPU bevindt en het RAM-geheugen (het hoofdgeheugen). De laatste vorm van intern geheugen bevindt zich iets verder van de processor maar wordt via een slot nog direct op het moederbord aangebracht.
Het interne geheugen is zeer snel en veroorzaakt dus maar (relatief) weinig vertraging bij het ophalen en opslaan van data. Bij de meeste processors worden de transfers tussen het interne en externe geheugen volledig gestuurd door de programmatuur.
Het voordeel van het interne geheugen is dat het zeer snel is. Er zitten ook een groot nadeel aan interne geheugen, als de computer uit gaat, dan verliest het geheugen zijn informatie. Het kan dus niet gebruikt worden voor langdurige opslag van data.
Secundair geheugen
Om data langdurig op te slaan is secundair geheugen nodig. Dit soort geheugen wordt met het moederbord verbonden en bestaat uit bijvoorbeeld een harde schijf, SSD of NVMe kaart. Het grote voordeel van dit soort geheugen is dat het data voor langere tijd kan opslaan ook als de computer uitgezet wordt. Een nadeel is dat het veel langzamer is dan het primaire geheugen.
De meeste gebuikte standaarden om secundair geheugen aan te sluiten op het moederbord zijn: SATA (Serial Advanced Technology Attachment) en NVMe.
Insteeksloten
Het grote voordeel van moderne computers is dat ze uitgebreid kunnen worden met extra onderdelen. Deze komen in de vorm van een insteekkaart. De huidig insteekkaarten standaard is PCI-e. Vroeger zijn verschillende andere standaarden gebuikt die allemaal elkaar zijn opgevolgd om te voldoen aan de vraag naar meer snelheid.
De meest gebruikte insteekkaarten die tegenwoordig gebuikt worden zijn de grafische kaarten (videokaarten) en netwerkkaarten.
Uitvoer
Door informatie in te voeren in de computer kan de computer deze informatie verwerken. Maar uiteindelijk is de verwerkte informatie bedoeld voor mensen. Hiervoor maakt de computer gebruik van uitvoer apparaten.
Hieronder vind je een aantal voorbeelden van uitvoerapparaten:
- Monitor
- Printer
- Luidsprekers
- 3D printer
Software
Software is eigenlijk een computer programma. Om meer specifiek te zijn, een programma is een reeks stapsgewijze instructies die de computer de opdracht geeft om de taken uit te voeren die je wilt en om de gewenste resultaten te produceren. Een computerprogrammeur is een persoon die programma's schrijft. De meesten van ons schrijven geen programma's, we gebruiken programma's die door iemand anders zijn geschreven. Dit betekent dat we gebruikers zijn - mensen die computersoftware gebruiken.
Machinetaal
Machinetaal is een taal waarin instructies geschreven zijn die de processor van een computer direct kan uitvoeren. Een programma bestaat in machinetaal uit een reeks woorden, meestal van 8 (een byte), 16, 32 of 64 bits. Een of meer woorden staan voor een specifieke actie die de processor dient uit te voeren. Wanneer de computer in het programma dat hij aan het uitvoeren is bijvoorbeeld de byte 00001010 tegenkomt dan kan dit betekenen dat hij de inhoud van register 1 bij register 0 moet optellen.
Omdat het voor programmeurs tijdrovend is om software in machinetaal te schrijven en te onderhouden, schrijven ze hun software in een voor mensen makkelijker te begrijpen, 'hogere' programmeertaal. Een bijkomend nadeel van machinetaal is dat de instructiesets van verschillende types processoren meestal niet overeenkomen, waardoor het nodig is om software volledig te herschrijven wanneer deze uitgevoerd moet worden op een ander type processor.
Voor hogere programmeertalen is een interpreter of compiler nodig om de programma's om te zetten in door een machine uit te voeren machinetaal. Een ander voordeel van het onderscheid tussen machinetaal en hogere programmeertaal is portabiliteit. Dit houdt in dat voor eenzelfde programmeertaal verschillende interpreters of compilers kunnen bestaan, waardoor dezelfde broncode op verschillende processorarchitecturen kan worden uitgevoerd. Een interpreter of compiler biedt dus een abstractielaag op de processorarchitectuur.
Hogere programeertalen
Belangrijke hogere programmeertalen zijn o.a.:
- Python
- Java
- Javascript
- C#
- C++
- PHP
Iedere taal heeft zijn voor en nadelen. Wanneer welke taal wordt gebuikt is vaak afhankelijk van het doel van het programma. Zo worden PHP en Javascript veel gebuikt om websites te bouwen. Draaien Java programma's vaak in embedded systemen zoals kopieermachines en wordt C# en C++ gebruikt om desktopapplicaties te maken. De hogere programmeertalen zijn in twee groepen te verdelen; Just-in-timecompilatie (JIT-compilatie) en normale compilatie. Bij compilatie wordt de code die door de programmeur geschreven is omgezet in machinetaal. Het programma wat zo ontstaat is dan ook niet gemakkelijk meer terug om te zetten naar de oorspronkelijke code (decompileren). Bij Just-in-timecompilatie is de code ook meteen het programma. De code wordt bij het uitvoeren tijdelijk omgezet in machinetaal en uitgevoerd. Just-in-timecompilatie heeft als voordeel dat je snel wijzigingen kunt aanbrengen. Een nadeel is dat Just-in-time-talen veel langzamer zijn dan gecompileerde programma's. Voorbeelden van Just-in-time-talen zijn: Python, Javascript en PHP.
Diagnostische toets
