Enigma - Computerarchitectuur - kopie 1

Enigma - Computerarchitectuur - kopie 1

A Inleiding

Vooraf

In deze interactieve module gaan we in op de bouw en werking van de verschillende componenten van een computersysteem. We hebben het met hardware over de fysieke apparaten: processor, werkgeheugen, opslaggeheugen (ook wel: achtergrondgeheugen) en randapparaten. Fysiek wil zeggen dat je al deze componenten letterlijk kunt aanraken.

Om de toets goed te kunnen maken moet je in ieder geval alles in dit document lezen, bekijken en begrijpen. Dat gaat het beste op een PC; je kunt dit document in principe ook downloaden op je telefoon, maar dan loop je het risico dat bepaalde filmpjes of interactieve oefenopdrachten niet werken. 

 

 

Leerdoelen

Na het bestuderen van deze interactieve module kun je:

  • het basisschema van een computer beschrijven;
  • uitleggen wat de functie van een chipset is;
  • de termen bus, klok, CPU, werkgeheugen en opslag omschrijven;
  • de bouw en de werking van de bus uitleggen;
  • verschillende soorten computers beschrijven;
  • de werking van de CPU uitleggen;
  • de functie van het werkgeheugen en opslag uitleggen;
  • de begrippen RAM, ROM, PROM verklaren;
  • de werking van magnetische, optische en elektronische opslag uitleggen;
  • de verschillende randapparaten omschrijven en aangeven hoe ze werken.

B Basisschema

Het basisschema

Het binnenste van een computer is op het eerste gezicht een wirwar van onderdelen en kabels. Op de bodem van de systeemkast zie je een printplaat (het moederbord) met daarop een aantal chips en andere elektronische componenten en banken voor het werkgeheugen en uitbreidingskaarten.

Daarnaast zie je ook de voeding, de behuizing van harde schijf en vaak een DVD-speler en –brander. Al die onderdelen staan met elkaar in verbinding via platte of ronde kabels.

Op het moederbord zitten connectoren voor het beeldscherm, een netwerkaansluiting en USB-poorten om toetsenbord, muis en printer aan te sluiten.

Ga met je muis over de afbeelding en bekijk de namen van de onderdelen.

Het binnenste van een computer

In dit filmpje zie je hoe van een aantal losse componenten een pc wordt samengesteld.

 

Interne componenten van een computer

Hiernaast zie je afbeeldingen van een aantal belangrijke interne componenten van een computer:

Verderop in de module komen we uitgebreid op deze onderdelen terug.
Het binnenste van een computer lijkt ingewikkeld, maar het principe van de structuur van een computersysteem is vrij simpel.
Bekijk het filmpje over de structuur van een computer.


Alle interne componenten van een computer zijn aangesloten op de bus. De bus kun je schematisch beschouwen als een systeem van kabels waarlangs gegevens van de ene component naar de andere worden getransporteerd.
Om de werking van de bus in een computer te begrijpen, maken we een vergelijking met het gebruik van een digitale TV-ontvanger (H). Die is met een netwerkkabel aangesloten op een van de netwerkpoorten van een internetmodem (G). De TV-ontvanger is met een HDMI- of SCART-kabel aangesloten op een TV.
Op die manier kun je digitale TV programma’s bekijken of opslaan om ze op een later tijdstip te zien. Alle componenten: modem, TV ontvanger en TV communiceren via kabels met elkaar net als de componenten van een computer: CPU, HD en werkgeheugen etc. via de bus.

De werking van de bus in een computersysteem wordt in dit filmpje toegelicht:

 

Communicatie

Het verloop van de communicatie
Bij het aanwijzen van de verschillende onderdelen in het binnenste van een computer ben je ook de chipset tegengekomen. De chipset speelt een belangrijke rol in de communicatie en het dataverkeer dat plaatsvindt op het moederbord in een computer. Het moederbord is de printplaat waarop de processor, het werkgeheugen en de chipset is bevestigd.

De componenten die met hoge snelheid werken, zoals de grafische kaart, communiceren rechtstreeks met de processor.

De chipset, bijvoorbeeld de Intel X99 in de afbeelding hiernaast, zorgt voor de ondersteuning in de communicatie tussen de processor en de minder veeleisende componenten, zoals bijvoorbeeld de USB-poorten.

Filmpje: Het verloop van de communicatie

 
 

Een leesoperatie in stapjes:

  1. De CPU stuurt het adres van de geheugenplaats langs de adresbus naar het geheugen.
  2. De CPU zet een leessignaal op de controlebus.
  3. De CPU activiteit 1 en 2 zijn voor het geheugen de opdracht om de data te zoeken die op het aangegeven geheugenadres staat. Zodra de data gevonden zijn, wordt die door het geheugen op de databus gezet.
  4. Het geheugen geeft via de controlebus door dat de data klaarstaan op de databus.
  5. CPU neemt de gegevens over vanaf de databus.

Het werkgeheugen wordt door de gebruiker en het besturingssysteem gebruikt om daar tijdelijk gegevens in op te slaan en ook weer op te vragen. De CPU kan de geheugenchips op het moederbord zeer snel benaderen om data op te vragen of daarin weg te schrijven.

Bekijk nu het filmpje over het werkgeheugen:

 

De bouw van de bus

Als je een moederbord van heel dichtbij bekijkt, zie je dunne koperkleurige lijntjes. Die vormen de verbinding tussen de verschillende componenten op het moederbord. Via kabels zijn onder andere de harddisk en de dvd-speler aangesloten. De geleidende lijntjes op het moederbord en de kabels vormen samen de bus waardoor de verschillende componenten met elkaar kunnen corresponderen en data kunnen worden getransporteerd. Belangrijk hierbij is de breedte van de bus. Bij een snelweg bepaalt het aantal rijstroken voor een groot deel de doorstroomsnelheid van het verkeer en datzelfde geldt voor de bus. Hoe meer adreslijnen een bus heeft, des te meer geheugen kan de CPU rechtstreeks adresseren.

Bekijk nu het filmpje over de bouw van de bus:

 
 

De busarbiter en de klok

Je kunt de bus arbiter vergelijken met een verkeersregelaar op een kruispunt van twee drukke wegen. Die regelt de voorrang en zorgt ervoor dat er nooit twee voertuigen elkaar tegenkomen op het kruispunt. De bus arbiter voorkomt dat het een chaos wordt op de bus wanneer twee of meer componenten gelijktijdig data willen verzenden of ontvangen.

Iedere component die 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.

Om alle transacties op de bus probleemloos te laten verlopen, wordt een bus bestuurd door de pulsen van een klok. De klokgenerator maakt deel uit van de chipset op het moederbord en regelt de snelheid van de klok. De kloksnelheid, vaak uitgedrukt in Hertz, geeft aan hoe vaak per seconde een signaal gelezen, geschreven of verwerkt kan worden. Een kloksnelheid van 1 Hz komt overeen met één bewerking of signaal per seconde. De klok van een pc is te vergelijken met de dirigent van een orkest. Beide bepalen de snelheid waarmee gewerkt wordt.

In elke klokperiode kan één transactie plaatsvinden: een buscyclus. Aan het begin van een buscyclus zet een zender de boodschap op de bus, aan het eind van de cyclus leest iedere component de bus.

Wanneer er gesproken wordt over de kloksnelheid van een pc, wordt meestal de kloksnelheid van de CPU bedoeld. De CPU heeft een eigen klokgenerator en de kloksnelheid van moderne processors wordt uitgedrukt in GHz. Een 2,3 GHz CPU tikt 2,3 miljard keer per seconde. Bij de aanschaf van een pc wordt vaak gekeken naar de snelheid van de CPU, maar die bepaalt niet alleen de verwerkingssnelheid van het systeem. Belangrijke factoren zijn ook de snelheid van de GPU (Graphics Processor Unit) en harde schijf, de totale hoeveelheid werkgeheugen en de snelheid daarvan.

Computers in soorten en maten
Computers hebben sinds het midden van de vorige eeuw een snelle ontwikkeling doorgemaakt. De Colossus waarmee de Engelsen in 1944 de codes van de Duitse Lorenz codeermachines konden breken, was zo groot als een flinke kamer en kon alleen door getrainde operators worden bediend.

De huidige mainframes en supercomputers zijn nog steeds grote metalen kasten met daarin indrukwekkende hardware. Mainframes worden door bijvoorbeeld banken en verzekeraars gebruikt voor het snel en betrouwbaar verwerken van grote aantallen financiële transacties. Supercomputers worden door universiteiten en wetenschappers ingezet voor allerlei wetenschappelijk onderzoek zoals het berekenen van klimaatmodellen of het simuleren van de vorming van sterrenstelsels.

Kleine en middelgrote bedrijven en scholen gebruiken een of meerdere servers als centrale computer voor de gebruikers. Een server heeft een krachtige CPU en groot werk- en achtergrondgeheugen.

Vergeleken met al deze computers is een pc een echte personal computer voor iedereen en klein genoeg om bijvoorbeeld als laptop overal mee naar toe te nemen.

C Processors

Soorten processors

Het hart van elke pc is de CPU (Central Processing Unit), ook CVE (Centrale Verwerkings Eenheid) genoemd. De CPU bestaat uit miljarden microscopisch kleine geïntegreerde schakelingen (transistors) op een oppervlakte van een paar vierkante centimeter. De CPU voert de programma’s uit en is daarmee de motor van het computersysteem.

In de jaren 60 van de vorige eeuw, was de processor nog een manshoge kast zoals de PDP 1 op deze afbeelding.

Een groot verschil met de 4004 microprocessor, een chip van een paar vierkante centimeter die Intel in 1971 ontwikkelde.

In 1981 werd de 8088 processor van Intel gebruikt in de eerste IBM PC. Deze werd al snel de standaard PC in de computerindustrie.

Daarna gingen de ontwikkelingen snel en werd door Intel elke paar jaar nieuwe en snellere processors op de markt gebracht. De snelheid van een processor wordt uitgedrukt in gigahertz (GHz), bijvoorbeeld 2.3 GHz. In het algemeen geldt hoe hoger dit getal, des te sneller kan de processor allerlei programma’s verwerken.

Vanaf midden jaren 90 kreeg Intel concurrentie van AMD en deze twee blijven tot nu toe de markt domineren. Sinds 2009 brengt Intel voor consumenten processors uit onder de naam Core i, bijvoorbeeld de Core i5 en Core i7. Voor laptops levert Intel speciale processors, de Intel Core M serie. Deze zijn minder krachtig dan de desktop varianten, maar verbruiken weinig energie en produceren bijna geen warmte.

Intel heeft de meeste keuze wat verschillende types processors betreft, maar AMD blijft zeker niet achter. De FX en de verschillende A series van AMD zijn erg populair, mede dankzij het prijsverschil met Intel.

Op de markt voor smartphones en tablets zijn andere fabrikanten actief, zoals Apple, Samsung en Qualcomm. Deze laatste heeft een breed assortiment en komt meerdere keren per jaar met nieuwe varianten van processors voor onder andere smartphones en smartwatches.

Evenals als bij Apple en Samsung krijgt de processor voor tablets, smartphones en smartwatches steeds meer ingebouwde functies, zoals GPU, WiFi en Bluetooth, in plaats van deze door aparte chips te laten verzorgen.

Wet van Moore

"Intel, op dit moment de grootste chipfabrikant ter wereld, verwacht dat chips binnenkort niet veel sneller meer worden, maar wel energiezuiniger."

Dat zegt William Holt, die leiding geeft aan de techniek- en productiedivisie van het bedrijf, meldt Technology Review. De huidige technologie die gebruikt wordt bij het ontwikkelen van chips is bijna uitontwikkeld, waardoor chips niet meer op de huidige manier sneller en kleiner gemaakt kunnen worden. "We gaan grote transities zien", aldus Holt. "De nieuwe technologie wordt totaal anders."

Intel zou nog niet zeker weten welke technologie het over vier tot vijf zal gaan gebruiken, maar het nadeel van een andere technologie dan de huidige fabricagemethode is dat ze niet sneller zal zijn. Processoren zullen mogelijk dus niet meer zo snel in snelheid toenemen als ze nu doen. Wel kunnen ze de energiezuinigheid van chips verbeteren.

  1. Bekijk dit filmpje:
  2. ​Wat houdt de "Wet van Moore" in?
  3. Wat is de reden dat chips binnenkort niet veel sneller meer worden?
  4. Is het echt van belang dat processors niet meer elke paar jaar in snelheid zullen toenemen? Leg uit.

Hoe wordt een CPU gemaakt?

Op deze afbeelding zie je het productieproces van een chip. Het masker bevat het grote patroon van de uiteindelijke chip.

  1. Leg in je eigen woorden uit hoe het proces werkt.
  2. Wat gebeurt er met de fotogevoelige laag op de wafer na de belichting?

Zoek indien nodig op het internet voor een antwoord op de volgende vragen.

  1. De fabricage van processors is een lastig proces en levert in in één procesgang soms maar 30% aan de snelst mogelijke processors op. Wat wordt er met de rest gedaan?
  2. Waarom kun je een processor in principe overklokken?
  3. Noem drie risico’s van overklokken.

De werking van processors

Werking van de processor
De CPU is verantwoordelijk voor het uitvoeren van programma’s en bewerkingen. Daarvoor haalt de processor via de bus een onafgebroken stroom instructies op en voert die achtereenvolgens uit. De CPU bevat tenminste drie onderdelen:

  • ALU
  • registers
  • Control Unit

Moderne processors hebben meerdere cores (kernen) om programma’s en bewerkingen (bijna) gelijktijdig uit te voeren. Een quad-core CPU zoals op de afbeelding in de popup hieronder, heeft op een oppervlakte van minder dan 2 cm2 4 kernen beschikbaar om alle instructies te verwerken. Vergelijk het met een restaurant waar 4 obers bij je tafel staan om al je bestellingen op te nemen.



Een multi-core CPU kan gemakkelijk aan meerdere programma’s tegelijk werken of een lastige bewerking in minder tijd uitvoeren. Denk aan gelijktijdig web browsen, continu je mail of social media bijwerken, je systeem scannen op virussen en een berekening loslaten op duizenden cellen van een spreadsheet of een afbeelding omzetten in 3D.

Elke kern van een quad-core heeft een eigen ALU, registers en Control Unit om instructies parallel te kunnen verwerken. Dit draagt in hoge mate bij aan de snelheid, maar een quad-core is niet 2x zo snel als een dual-core CPU. Ook een quad-core CPU heeft maar één verbinding met het werkgeheugen en de cores moeten die verbinding met elkaar delen.

Instructies

Om programma’s of bewerkingen uit te voeren, wordt door de CPU een aantal instructies verwerkt in een vaste volgorde: de instructiecyclus. Deze bestaat uit een herhaling van drie stappen: Fetch → Decode → Execute.
Fetch: de instructie wordt opgehaald uit het werkgeheugen (RAM).
Decode: de instructie wordt geanalyseerd en doorgestuurd.
Execute: de instructie wordt verwerkt door de ALU.

In de afbeelding in de popup zie je de componenten die in de CPU een belangrijke rol spelen bij de instructiecyclus.


De Control Unit vraagt een instructie op als een rij bits vanuit het RAM via de Bus Interface, analyseert de instructie en voert de instructie uit. De data die moeten worden bewerkt, stuurt de Control Unit naar de ALU.

De ALU voert de rekenkundige en logische bewerkingen uit en gebruikt daarbij de registers. Het resultaat van de bewerking wordt vervolgens door de Control Unit naar de Bus Interface gestuurd om te worden opgeslagen in het RAM.

Dit proces wordt aangestuurd door de klokpulsen van de computerklok en net zo lang herhaald tot de taak is uitgevoerd. Volgens het oorspronkelijke Von Neumann principe wordt elke cyclus geheel afgewerkt en kan daarna pas overgegaan worden naar de volgende cyclus. Dat levert vertraging op: de Von Neumann bottleneck (flessenhals). Je kunt het probleem van die flessenhals vergelijken met de fabricage van een auto waarbij een team een complete auto in elkaar zet en pas daarna aan de volgende begint. Voor een moderne CPU is dit niet langer een probleem, omdat er meerdere kernen beschikbaar zijn om instructies te verwerken.

De verwerking van de instructies wordt in dit filmpje toegelicht:

D Het werkgeheugen

Werkgeheugen

Bij de allereerste computers zoals de ENIAC werd het programma niet vanuit het werkgeheugen geladen, maar in de hardware aangebracht. Het veranderen van een programma vereiste nieuwe bedrading en herstructurering van het systeem. Dat kon weken duren. Door het gebruik van ponskaarten of een ponsband werd die tijd bekort, maar dankzij het werk van John von Neumann wordt in computers het programma niet langer van buitenaf ingevoerd.

Von Neumann beschrijft in 1945 een computerarchitectuur waarbij het programma zich in het werkgeheugen bevindt (het “stored program concept”) en de CPU met het geheugen communiceert. De CPU heeft de taak de instructies van een programma en de benodigde data uit het werkgeheugen op te laten halen door de Control Unit, te laten verwerken door de ALU en het resultaat weer in het geheugen terug te laten zetten. Tevens communiceert de CPU met input en output apparaten. Dit wordt de Von Neumann-architectuur genoemd.

★ Aan de slag 25

In de Von Neumann-architectuur communiceert de CPU voortdurend met het werkgeheugen.

  1. Wat wordt door de CPU uit het werkgeheugen gehaald om te bewerken?
  2. Hoe zou de communicatie tussen CPU en RAM veel sneller kunnen verlopen?
  3. Maak een duidelijke afbeelding van de Von Neumann-architectuur. Neem daarin op de CPU | Control Unit | ALU | Memory | Input device | Output device. Geef met pijlen het verloop van de communicatie aan.

RAM

Het werkgeheugen bestaat uit een aantal geheugenchips en vormt daarmee voor een pc het RAM (Random Access Memory). Dat is voor het besturingssysteem en de gebruiker vrij toegankelijk (vandaar de term: Access) om tijdelijk programma’s en data op te slaan. De nadruk ligt daarbij op tijdelijk: de geheugencellen in de chips kunnen de inhoud alleen vasthouden als ze met een hoge frequentie stroomstootjes krijgen. Zodra de spanning wegvalt, verliezen de cellen hun lading. De frequentie waarmee de cellen stroomstootjes krijgen, wordt refresh rate (verversingssnelheid) genoemd en wordt uitgedrukt in megahertz (MHz of GHz).

Random betekent willekeurig: de gegevens kunnen overal zijn opgeslagen. Elke geheugencel heeft een uniek adres en is rechtstreeks te benaderen zonder dat eerst alle overige cellen worden doorlopen. Een geheugenchip is opgebouwd als een serie cellen die in kolommen en rijen zijn geplaatst. Het geheugenadres van elke cel bevat de plaats in de kolom en in de rij (net zoals de verwijzing naar een cel in een spreadsheet) en kan daardoor snel worden gevonden. Op de kruising van een kolom en rij kan 1 bit in de cel worden opgeslagen.

Elke geheugencel bestaat uit een condensator en een transistor. In de condensator is een hoge of een lage spanning opgeslagen en vormt daarmee een 1 of een 0. De transistor fungeert voor de cel als schakelaar die regelt dat de spanning in de condensator kan worden afgelezen of gewijzigd. De spanning in de condensator van een geheugencel lekt langzaam weg en moet daarom regelmatig worden ververst.

Het werkgeheugen voor een pc bestaat meestal uit DIMM’s (Dual Inline Memory Modules): smalle siliciumplaatjes waarop aan beide kanten een aantal geheugenchips is gemonteerd. Een geheugenmodule voor een desktop is een smalle plaat van ongeveer 13 cm met een groot aantal koperen contactpunten.
In moderne desktops zijn de geheugensnelheden zo hoog dat de warmte die daardoor ontstaat, moet worden afgevoerd. De chips zijn dan niet langer zichtbaar en zitten onder een metalen kapje dat als koellichaam fungeert.

Een geheugenmodule voor een laptop, op de afbeelding hiernaast, is ongeveer 8 cm breed en wordt een SO-DIMM genoemd: Small Outline-DIMM

Geheugenmodules worden op het moederbord in de geheugenslots geplaatst. Als je veel programma’s tegelijk wilt gebruiken of vlot wilt kunnen werken met programma’s die veel geheugenruimte vragen, is het tijd om het werkgeheugen uit te breiden. Daarvoor moet je in de specificaties van het moederbord nagaan welk type geheugenmodules gebruikt is en zie je zoiets als: 8 GB 1600-MHz DDR3.

Oudere geheugenmodules SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) konden slechts één gegeven per klokpuls transporteren. DDR (Double Data Rate) modules kunnen per klokpuls tweemaal zoveel data transporteren, DDR2 viermaal zoveel en DDR3 achtmaal zoveel.

De snelheid van het geheugen uitgedrukt in megahertz of gigahertz is een tweede belangrijk gegeven voor geheugenuitbreiding. Een moederbord kan geschikt zijn voor geheugenmodules met verschillende refresh rates, maar je haalt de beste prestaties uit je pc als je kiest voor de hoogste snelheid die het moederbord ondersteunt.

Als laatste moet je in de specificaties kijken wat de maximale grootte van het werkgeheugen is die door het moederbord wordt ondersteund.

Cache

Een cache is een opslagplaats waarin gegevens tijdelijk worden opgeslagen. Een internetbrowser slaat de laatst bezochte webpagina’s in een cache op zodat ze veel sneller beschikbaar zijn. Moderne processors maken ook gebruik van cachegeheugen, omdat ze data zo snel kunnen verwerken dat de snelheid van het RAM een belemmerende factor wordt. Cachegeheugen is speciaal, zeer snel (en duur) geheugen dat zich meestal op de CPU bevindt. In de cache worden de laatste instructies en data die uit het werkgeheugen zijn gehaald tijdelijk opgeslagen, klaar voor gebruik. Het opvragen vanuit het RAM en het transport over de bus, is dan niet nodig en versnelt het proces van verwerking.

Zodra de CPU een instructie of data nodig heeft, wordt eerst in de cache gezocht omdat bepaalde instructies vaak worden herhaald en data meerdere keren nodig kan zijn. Als een instructie of data zich in de cache bevindt, wordt dat een hit genoemd (en anders een miss). De verhouding van het aantal hits tegenover het totaal van aanvragen door de CPU, is de hit rate. In een moderne pc is die vaak hoger dan 80 of 90 %.

In een quad-core processor beschikt elke kern over een eigen L1-Data en L1-Instructie cache en een L2 cache. Daarnaast is een speciaal cachegeheugen (L3) beschikbaar dat voor elke kern bereikbaar is.

Cachegeheugen bestaat uit SRAM (Static RAM) chips die hun lading langer kunnen vasthouden en niet continu hoeven te worden ververst. Maar ook hierbij geldt dat uiteindelijk de lading verdwijnt als de spanning wegvalt.

Cachegeheugen is door de gebruiker niet uit te breiden zoals het RAM en de grootte van de cache kan een punt van overweging zijn bij de aanschaf van een pc.

Bekijk het filmpje:

 
 

ROM

ROM (Read Only Memory) chips behouden hun lading ook als de spanning wegvalt en de pc uitstaat. Daarom worden ROM-chips gebruikt om daarin de instellingen op te slaan voor het BIOS (Basic Input / Output System) van een pc. Bij het starten van een pc voert het BIOS op basis van die instellingen een aantal tests uit en wordt daarna het besturingssysteem geladen.

In principe kan een gebruiker niet zomaar iets veranderen aan de inhoud van een ROM-chip, maar met behulp van speciale technieken kunnen sommige typen ROM-chips opnieuw worden geprogrammeerd. De chips zijn in het algemeen goed beveiligd, zodat allerlei software geen toegang heeft tot het ROM, maar er zijn virus programma’s die in staat zijn een BIOS-ROM te veranderen.

Fabrikanten van computers of moederborden komen soms met nieuwere versies van het BIOS om fouten te verhelpen of om nieuwe hardware te ondersteunen.

ROM-chips worden niet alleen voor het BIOS gebruikt, maar zijn ook te vinden in andere componenten van een pc zoals de netwerkkaart, videokaart of Blu-ray speler. Op die chips staan de instellingen voor een goede werking van het apparaat: de firmware. Soms moet je bij problemen met het apparaat de firmware updaten op aanwijzingen van de fabrikant of leverancier.

Bekijk het filmpje:

 
 

E Opslag

Inleiding

Het werkgeheugen in een computer is bedoeld voor tijdelijke opslag van programma’s en data. Opslag voor langere tijd of permanent, kan op verschillende manieren: magnetisch, optisch en elektronisch. Het ideale opslagmedium (uiterst snel, volkomen veilig en met onbeperkte capaciteit) bestaat niet, want elk type heeft voor- en nadelen. Dat maakt het ene medium heel geschikt voor een bepaald type data en minder geschikt voor een ander.

Magnetische opslag

Een harde schijf bestaat uit een luchtdichte behuizing met daarin een aantal dunne schijven (platters) van aluminium of glas. Die schijven zijn bekleed met een opgedampte laag magnetisch materiaal en draaien met grote snelheid rond. Elk van de schijven heeft een eigen lees- en schrijfkop die zeer dicht boven het oppervlak zweeft. Bij het schrijven wijzigt de schrijfkop de noord-zuid richting van microscopisch kleine deeltjes in de laag daaronder. Zo worden de data als een serie enen en nullen in de laag aangebracht. Het aantal platters en de samenstelling van de magnetische laag bepalen de opslagcapaciteit.

Bekijk het filmpje:


De opslagcapaciteit van een harde schijf is zeer groot (een of meerdere TB) en de prijs is aantrekkelijk vergeleken met andere opslag media. Een nadeel is dat de harde schijf vaak de totale prestaties van een computersysteem afremt. De snelheid is beperkt in vergelijking met de snelheid van de CPU, grafische kaart en werkgeheugen. Bovendien is een harde schijf kwetsbaar voor schokken en daarom minder geschikt voor gebruik in een laptop. Maar voor weinig geld kun je op een harde schijf zeer veel gegevens kwijt en daarmee zijn ze ideaal voor gebruikers die altijd de beschikking willen hebben over al hun data.

Standaard harde schijven van een of meer TB die in desktop pc’s worden gebruikt, zijn in principe ook geschikt voor een NAS (Network Attached Storage). Alle computers en mobiele apparaten aangesloten op het netwerk kunnen gebruik maken van de programma’s en bestanden op een NAS. In een bedrijf of organisatie staat een NAS meestal dag en nacht, het hele jaar door ingeschakeld. In dat geval zijn standaard desktop harde schijven minder geschikt en worden in een dergelijke NAS vaak speciale harde schijven gebruikt die voor langdurig en veelvuldig gebruik zijn ontworpen. Een NAS is thuis bij uitstek geschikt als mediaserver om al je muziek en films te streamen en om je eigen persoonlijke clouddienst in te richten. Door de NAS via het internet benaderbaar te maken, heb je altijd en overal de beschikking over al je data op je laptop, smartphone of tablet.

Een NAS heeft meestal meer dan één harde schijf die gemakkelijk en vaak ook terwijl de NAS ingeschakeld blijft, kunnen worden verwisseld (hot swapping). Een NAS is in de loop van de tijd steeds sneller en krachtiger geworden met meer werkgeheugen. Hierdoor kun je meer applicaties tegelijk draaien en kunnen meer gebruikers van je netwerk op de NAS aan de slag en bestanden met elkaar delen.

Optische opslag

Cd’s en dvd’s worden steeds minder gebruikt voor het afspelen van muziek of films, voor het leveren van software en voor het opslaan van grote hoeveelheden data. Muziek wordt meer en meer aangeboden via streamingdiensten. Software wordt niet langer geleverd op cd of dvd, maar is na betaling beschikbaar als download. Om grote bestanden uit te wisselen, wordt vaak gebruik gemaakt van USB-sticks of worden bestanden verzonden via speciale e-mailprogramma’s. Veel pc’s worden nog steeds voorzien van een dvd-speler, maar het komt steeds vaker voor dat pc’s zonder speler worden geleverd.
Je kunt nog wel een extern exemplaar via USB op je pc aansluiten.
Toch zijn cd’s en dvd’s nog niet uit de markt verdwenen dankzij webwinkels en kleine speciaalzaken. Bovendien brengen sommige artiesten een nieuw album eerst alleen uit op cd en stellen die pas na enige tijd beschikbaar voor streaming.

Bekijk het filmpje: Optische opslag om een beeld te krijgen hoe een cd-rom (en ook een dvd-rom) worden geproduceerd.


De laatste drie letters van een cd-rom geven al aan dat je hier geen muziek of data aan kunt toevoegen. Als je zelf een cd wilt branden heb je een cd-r (compact disk recordable) nodig die je éénmaal kunt beschrijven of een cd-rw (cd-rewritable) die je een groot aantal keren kunt beschrijven en wissen.

Bij het beschrijven van een cd-r of cd-rw worden in de doorzichtige laag verkleuringen gebrand met behulp van een laserstraal, die de laag op die plaats ondoorzichtig maken voor licht. Door op sommige plaatsen verkleuringen aan te brengen en andere plaatsen doorzichtig te laten, ontstaat er een patroon dat als nullen en enen weer door een laserstraal kan worden gelezen.

Een cd-rw gebruikt een speciale kleurstoflaag. Bij het wissen wordt de laag met daarin de verkleuringen op hoge temperatuur eerst gesmolten. Daarna kristalliseert die laag bij een lagere temperatuur, klaar om opnieuw te worden beschreven.

Een dvd-rom wordt op dezelfde manier geproduceerd als een cd-rom door microscopisch kleine putjes (pits) in het oppervlak van de schijf te persen. De pits van een dvd zijn kleiner en de afstand tussen de sporen is kleiner. Daarom is de opslagcapaciteit van een enkellaags dvd (4,7 GB) zeven maal groter dan die van een cd. Op een enkellaags dvd past ongeveer een uur film in standaard beeld- en geluidskwaliteit. Voor films en tv series worden vaak dvd’s met meerdere lagen gebruikt om films in een hogere beeldkwaliteit te leveren of van een tv-serie meerdere afleveringen op een dvd te zetten.

Om zelf een dvd te branden, kun je kiezen uit dvd-r (éénmalig beschrijven) of dvd-rw (meerdere malen). Je kunt ook double layer dvd’s gebruiken om meerdere films op één disk te branden of voor een groot aantal zeer grote bestanden.

Voor films in HD (High Definition) kwaliteit of voor 3D films worden Blu-ray disks gebruikt. Om die af te spelen, wordt gebruik gemaakt van een blauwe laser. Die is nauwkeuriger en werkt met een kortere golflengte dan de rode laser van een cd of dvd. Daardoor kunnen kleinere details gelezen worden en kan een hogere gegevensdichtheid worden behaald. Als je zelf Blu-ray disks wilt branden, heb je de keus uit BD-R (éénmalig beschrijven) of BD-RE (meerdere malen). Een enkellaags disk heeft een opslagcapaciteit van 27 GB en op een disk met meerdere lagen kun je het dubbele of nog meer kwijt.

Elektronische opslag

Flashgeheugen werkt in principe hetzelfde als het werkgeheugen in je pc, maar is in tegenstelling tot het werkgeheugen niet vluchtig. Flashgeheugen (ook solid state geheugen genoemd), behoudt de data, ook als de elektronische spanning die gebruikt wordt om data op te slaan weer verdwijnt. Het wordt flashgeheugen genoemd, omdat de gebruikte EEPROM-chips in een flits gewist en weer beschreven kunnen worden. Flashgeheugen wordt gebruikt in smartphones en allerlei opslagmedia, zoals SD-kaartjes voor een camera, USB-sticks en SSD’s.

USB-sticks zijn niet alleen geschikt voor het meenemen en uitwisselen van data, maar met passende portable applicaties kun je een complete pc met je meenemen en overal je favoriete programma’s gebruiken. Er zijn ook nadelen: per gigabyte is een USB-stick veel duurder dan een mobiele externe harde schijf en bovendien verloopt de bestandsoverdracht een stuk trager. USB-sticks zijn klein, maar daardoor raak je ze ook gemakkelijk kwijt. Als je ze ook gebruikt voor je werk en de bestanden niet versleuteld hebt, kun je echt in de problemen komen.

Als je niet langer tevreden bent over de verwerkingssnelheid van je pc, is een upgrade naar een SSD (Solid State Drive) het meest zinvol. Dat heeft meer invloed dan een snellere processor of meer werkgeheugen. Een SSD werkt met flashgeheugen voor de elektronische opslag van data. De lees- en schrijfsnelheid van een SSD is vaak het dubbele of meer van die van een harde schijf en dat merk je keer op keer in de praktijk. Het besturingssysteem en al je programma’s worden in een paar seconden geladen en het opvragen en opslaan van data duurt eveneens heel kort. Bovendien maakt een SSD geen geluid, is energiezuinig en licht in gewicht en omdat er geen bewegende delen in gebruikt worden bij uitstek geschikt voor een laptop.

Nadelen zijn er ook: een SSD heeft een kleinere opslagcapaciteit dan veel populaire harde schijven en is al snel vele malen duurder in aanschaf. Bovendien kan het flashgeheugen niet onbeperkt gewist en weer beschreven worden. Maar tegen de tijd dat dit laatste een probleem voor je wordt, heb je hoogstwaarschijnlijk al een nieuwe pc of laptop gekocht.

Je kunt een SSD met een kleine opslagcapaciteit prima combineren met een grote traditionele harde schijf. Op de SSD installeer je dan het besturingssysteem en de programma’s die je het meest gebruikt. De harde schijf gebruik je in dat geval voor al je documenten, films en muziek.

Een nieuwe ontwikkeling is een hybride drive: een combinatie van een SSD en een harde schijf die als één schijf beschikbaar is. Het besturingssysteem beheert de inhoud automatisch: de meest gebruikte applicaties en bestanden komen op de SSD te staan en de rest op de harde schijf.

★ Aan de slag 33

    1. Noem twee redenen waarom een SSD zoveel sneller is dan een harde schijf.
    2. Een SSD is duurder dan een HD. Daarom worden moderne pc’s vaak geleverd met een relatief kleine SSD. Geef 2 redenen waarom dat voor een consument geen bezwaar hoeft te zijn.
    1. SD-geheugenkaarten en USB-sticks worden vaak flash geheugen genoemd. Waarom flash?
    2. Om ze te onderscheiden van RAM en cachegeheugen worden SD-geheugenkaarten en USB-sticks ook persistent geheugen genoemd. Waarom persistent?
    3. Wat is een nadeel van flashgeheugen in vergelijking met RAM?

Opslag in de cloud

In plaats van je bestanden op je eigen pc op te slaan, kun je ook kiezen voor opslag in de cloud. Je huurt daarvoor ruimte op een server die is aangesloten op het internet om daar je bestanden op te slaan. Het huren van die opslagruimte hoeft niet veel te kosten en tot een bepaald aantal GB is het vaak gratis. Zodra je eenmaal al je data in de cloud hebt opgeslagen, kun je er altijd en overal bij, mits je toegang hebt tot het internet. Met je bestanden werken kan via een webbrowser of een app voor je smartphone of tablet. Collega’s of vrienden kun je toegang geven tot je data door ze een link per mail te sturen of door een bestand in de publiek map te zetten.

Je kunt er ook voor kiezen mappen op je pc met de cloud te synchroniseren. Wijzigingen in bestanden of mappen worden dan direct in de cloud opgeslagen. Wanneer je wat later met je smartphone of tablet een wijziging aanbrengt, zie je het resultaat daarvan terug op je pc.

Er zijn ook nadelen: de snelheid van up- en downloaden is afhankelijk van je internetprovider en bij zeer veel of zeer grote bestanden verloopt dat traag. Bovendien staan al je data in de cloud en als je ze niet zelf versleuteld hebt, moet je erop vertrouwen dat de clouddienst dat doet en ze daar veilig staan.

★ Aan de slag 34

  1. Noem een paar populaire clouddiensten.
  2. Noem drie voordelen van cloud computing
  3. Gebruik je zelf een clouddienst? Waarom of waarom niet?
  4. Als je een clouddienst gebruikt, versleutel je dan je bestanden zelf voordat je ze naar de cloud stuurt? Waarom?
  5. Geef je anderen (soms) toegang tot je bestanden en zo ja, hoe doe je dat dan?

 

F Randapparatuur

Poorten

Aan de achterkant van een pc vind je een aantal I/O (Input/Output) poorten (aansluitingen) om randapparaten met de pc te verbinden.
Veel randapparatuur, zoals een toetsenbord, muis en printer wordt op een van de USB-poorten aangesloten of wordt draadloos aangestuurd.

Klik op de link hieronder en ga met de muis over de poorten in deze afbeelding om te zien waarvoor deze poorten gebruikt worden.

Poorten

 

 

Randapparaten die zijn aangesloten op een van de poorten zijn daarmee ook aangesloten op de bus en kunnen zo communiceren met de CPU en het werkgeheugen. Die communicatie wordt geregeld door speciale chips op het moederbord, de controllers. De I/O processor in de controller neemt instructies van de CPU aan en voert die uit. Zodra de CPU bijvoorbeeld een printopdracht naar de printercontroller stuurt, zorgt die voor de verwerking en meldt het resultaat weer aan de CPU. De toetsenbord controller op de afbeelding hiernaast regelt de communicatie tussen het toetsenbord en de CPU. Het resultaat daarvan zie je bij elke toetsaanslag op je scherm.

Elk randapparaat moet zonder problemen kunnen communiceren met het besturingssysteem. Vaak zijn er van een randapparaat zoals een printer, netwerkkaart of monitor een aantal verschillende typen beschikbaar. Daarom wordt bij dergelijke apparaten voor elk besturingssysteem het benodigde type driver geleverd door de fabrikant. Het besturingssysteem verzorgt met behulp van de driver de communicatie tussen de hardware en de gebruikte applicatie.

Een printerdriver bijvoorbeeld, is uniek voor elk merk en type printer. Voor de meest gangbare printers zijn de drivers al standaard in het besturingssysteem aanwezig, maar voor een nieuw type printer moet alsnog een driver worden geïnstalleerd.

Net als bij besturingssystemen en applicaties worden drivers door de fabrikant regelmatig bijgewerkt om fouten te herstellen of extra functies aan te bieden en het is daarom raadzaam die updates te installeren.

 

  • Het arrangement Enigma - Computerarchitectuur - kopie 1 is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    C
    Laatst gewijzigd
    2025-04-22 21:32:39
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie.

    Het thema 'Hardware' is ontwikkeld door auteurs en medewerkers van Enigma-online. Fair Use In de modules van Enigma-online wordt gebruik gemaakt van beeld- en filmmateriaal dat beschikbaar is op internet. Bij het gebruik zijn we uitgegaan van fair use. Meer informatie: Fair use Mocht u vragen/opmerkingen hebben, neem dan contact op via de helpdesk VO-content.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    work in progress
    Leerniveau
    HAVO 4; VWO 6; HAVO 5; VWO 4; VWO 5;
    Leerinhoud en doelen
    Informatica;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Trefwoorden
    arrangeerbaar, arrangeerbare, computerarchitectuur, leerlijn, rearrangeerbare

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    VO-content Informatica. (2024).

    Module: Enigma - Computerarchitectuur

    https://maken.wikiwijs.nl/157975/Module__Enigma___Computerarchitectuur

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van