Beginselen van Computerarchitectuur

Inleiding
kennismaking
• Wie zijn jullie?
• Wie ben ik?
Wat gaan we zien
•
•
•
•
•
•
De Computer
Besturingssystemen
Word
Excel
Powerpoint
beheerspakketten
Deel 1: De Computer
Overzicht
• Een beetje geschiedenis
• Het von Neumann model
– Logisch zicht
– Fysiek zicht
• Abstractieniveaus in computersystemen
• Architectuur vs. organisatie
• Hardwarecomponenten
Een beetje geschiedenis
• Computer = rekenaar
• Materiële ondersteuning van rekenen is
zeer oud
• Essentieel bij deze ondersteuning:
algoritme
een recept om via een
opeenvolging van
kleine transformaties
een resultaat te
berekenen
Algoritme
Transformaties
controle
Toestand
Uitvoering van een
algoritme
controle
transformaties
toestand
1
1181
+ 237
14 1 8
+++
Automatiseringsgeschiedenis
• Automatisering van de toestand: extern
toestandsgeheugen
– Vingers, keitjes, knoopjes
– Seizoensbepaling
Wolfsbeenderen
5000 V.C.
Steentijdperk
Automatiseringsgeschiedenis
• Automatisering van de toestand: extern
toestandsgeheugen
– Telraam Abacus(13e eeuw; China)
– geschreven symbolen
Automatiseringsgeschiedenis
• Automatisering van de transformaties
– Zeventiende eeuw
– Rekenlat (1622)
– Mechanische calculatoren
1622
William Schickard
1642 sommen
Blaise Pascal
1673 producten
Gotfried Leibniz
Automatiseringsgeschiedenis
• Automatisering van de controle
– Jacquardweefgetouw met ponskaarten
(begin 19e eeuw)
– Babbage: eerste samenvoeging van
toestand, transformatie en controle in
één model.
De machines van Babbage
Difference machine
1822
Analytical machine
1833
Automatiseringsgeschiedenis
• Echte doorbraak in de automatisering
van de controle
– Ontwikkelingen in de telefonie (begin 20e
eeuw)
– Konrad Zuse: eerste elektromechanisme
computer: Z1 (1938-1943, 1989)
– Mauchly & Eckert: eerste computer:
ENIAC: Electronic Numerical Integrator
And Computer (1946)
– John von Neumann: eerste stored program
computer: EDVAC (1949)
Z-1 (1938)
Puur mechanisch
Vermenigvuldiging: 5s!
Z-1
Deutsche Technik Museum Berlin-Kreuzberg
Gereconstrueerd in 1986-1989
Z-3 (1941)
Met relais
Vermenigvuldiging: 3s
Deutsche Museum in Muenchen
ENIAC (14 feb 1946)
14 vermenigvuldigingen per s
Mauchly
eerste bug
Eckert
Programmeren van de ENIAC
EDVAC (Electronic Discrete
Variable Automatic Computer)
John von
Neumann
(1903-1954)
300 vermenigvuldigingen per s
Overzicht
• Een beetje geschiedenis
• Het von Neumann model
– Logisch zicht
– Fysiek zicht
• Abstractieniveaus in computersystemen
• Architectuur vs. organisatie
Von Neumann-machine
Logisch zicht
O1
O2
R, S
Controle
klok
data
Geheugen
instructies
Von Neumann-machine
Fysisch zicht
BUS
adres
data
controle
CVE
Controle
klok
registers
Geheugen:bau-cellen
RAM
Invoer/Uitvoer
Het geheugen
• Array van geheugencellen of BAUcellen (basic addressable units)
• Elke BAU-cel heeft een adres
0
1
2
3
4
bau-cel 0
bau-cel 1
bau-cel 2
bau-cel 3
bau-cel 4
...
Werking van de systeembus
adres
lezen
data
CVE
adres
schrijven
data
geheugen
Overzicht
• Een beetje geschiedenis
• Het von Neumann model
– Logisch zicht
– Fysiek zicht
• Abstractieniveaus in computersystemen
• Architectuur vs. organisatie
• Hardwarecomponenten
Abstractieniveaus
• Een computersysteem bestaat uit een
hiërarchie van lagen
• Elke laag heeft een goed gedefinieerde
interface naar de bovenliggende en
onderliggende lagen
• Essentieel bij de ondersteuning van
opwaartste compatibiliteit
Overzicht
• Een beetje geschiedenis
• Het von Neumann model
– Logisch zicht
– Fysiek zicht
• Abstractieniveaus in computersystemen
• Architectuur vs. organisatie
• Hardwarecomponenten
Lagen
Toepassingenprogramma’s
Hoog-niveauprogrammeertalen
Architectuur
Machinetaal
Controlesignalen
Functionele blokken
Poortnetwerken
Transistoren en verbindingen
Organisatie
Architectuur vs. Organisatie
“zichtbaar”
Architectuur
Architectuur
1
Architectuur 2
Hardware/software interface
Organisatie 1
Organisatie
Organisatie2
Organisatie 3
“onzichtbaar”
Compatibiliteit
Toepassingenprogramma’s
Hoog-niveauprogrammeertalen
Binaire compatibiliteit
Machinetaal
Hardware 1
Hardware 2
Hardware 3
Compatibiliteit
Toepassingenprogramma’s
Broncodecompatibiliteit
Hoog-niveauprogrammeertalen
Machinetaal1 Machinetaal2 Machinetaal3
Hardware 1
Hardware 2
Hardware 3
Emulatie
Toepassingenprogramma’s
Hoog-niveauprogrammeertalen
Machinetaal 1
Emulatie
Machinetaal 2
Hardware
Voorbeelden interpreters
•
•
•
•
•
•
•
•
Java virtuele machine
Visual Basic interpreter
Web-browser
Postscript interpreter
Pdf-interpreter
Perl interpreter
Lisp, Prolog
…
Overzicht
• Een beetje geschiedenis
• Het von Neumann model
– Logisch zicht
– Fysiek zicht
• Abstractieniveaus in computersystemen
• Architectuur vs. organisatie
• Hardwarecomponenten
Moederbord met socket
Moederbord met slot
Slocket
Processor
Koelvin+
ventilator
Processor
Chipset
Integreert verschillende
functies:
klokgenerator,
busregelaar, timer,
onderbrekingsregelaar,
DMA-regelaar, klok,
toetsenbordregelaar
Geheugenmodules
SIMM
DIMM
Single inline
memory module
Dual inline
memory module
Geheugemodules op het
moederbord
PCI-kaart (Peripheral
Component Interconnect)
PCI-slots
ISA-kaart (Industry Standard
Architecture)
Harde schijf
Harde schijf
EIDE (Enhanced Integrated
Device Electronics)
ISA-slots
Moederbord
PCI-slots
Processor slot
AGP-slot
Accelerated
Graphics Port
EIDE ports
Chipset
DIMM sockets
Secundaire geheugen
• Magnetische Schijven
• Magnetische banden (tapes)
• Optische schijven
Magnetische schijven
Magnetische schijven
Sturing + buffering van de harde schijf
Magnetische schijven
3 platen (platters)
6 oppervlakken
Magnetische schijven
Glazen of aluminium oppervlak met
magnetiseerbare laag, gepolijst.
Magnetische schijven
6 koppen (zweven 5 m boven oppervlak)
Per positie kunnen 6 sporen (op 6 oppervlakken)
gelezen worden (cilinder)
Magnetische schijven
spoor
sector
Tijden
• Zoektijd: verplaatsen van de kop naar
de juiste cilinder
• Latentietijd: wachten totdat de juiste
sector onder de kop komt
• Transfertijd: tijd nodig om gegevens te
lezen of te schrijven
Voorbeeld
Model
Capaciteit
Interface
Oppervlakken
Koppen
Sector:
Sporen/duim
Sporen
WDE18300
18.310 GB
SCSI
8
8
512 bytes
13500
13614
WD136AA
13.601 GB
EIDE
4
4
512 bytes
?
16343
Voorbeeld
Model
Zoektijd
Spoor/spoor
Latentie
Toerental
BW disk
BW host
Buffer
WDE18300
5.7 ms
0.6 ms
2.99 ms
10 036 RPM
45 MB/s
80 MB/s
2-8 MB
WD136AA
10.5
2 ms
5.5 ms
5400 RPM
25 MB/s
66.6 MB/s
2 MB
Voorbeeld
Model
Foutprob.
MTBF
Levensduur
Opstarttijd
Vermogen
WDE18300
<1/1014
1000000h
114 jaar
5 jaar
25s
14W
WD136AA
<1/1014
500000h
57 jaar
5 jaar
10s
6W
Master Control Block
Eerste sector die door het besturingssysteem
geladen wordt na het opstarten van de CVE.
Meestal sector 0 van spoor 0 van oppervlak 0
Ook master boot record genaamd
Buffering
• Laat toe om sneller te communiceren
met de schijf, dan de snelheid waarmee
kan gelezen of geschreven worden
Interleaving
Minimaliseert de latentietijd bij
sequentieel lezen
8
1
4
5
7
2
3
9
6
Floppy disk
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Zelfde principe als de hard-disk
Veel kleiner (1,44 MB)
Draait niet indien niet gebruikt
Rotatiesnelheid: 300 TPM
Aantal sporen: 80
Sectors per spoor: 18
Bandbreedte: 500 kb/s (64,5 kB/s)
Nu: ZIP (100-250 MB), en Jaz (2 GB)
Duur
Tapes
• Vooral voor backup
• Goedkoop medium
• Voornamelijk
– Dat
– DLT
• Capaciteit 4-150 GB
CD-ROM
• Origineel 74 min muziek: 783 MB
CD-ROM
DVD-ROM
Inhoud
• Bussen
• Communicatie en synchronisatie
• Secundair geheugen
• Invoerapparaten
• Uitvoerapparaten
• Verbinding met de buitenwereld
Invoerapparaten
• Toetsenbord
• Muizen & trackballs, joysticks
• Lichtpennen en aanwijsschermen
Toetsenbord
• 101 toetsen (enhanced keyboard)
• 104 toetsen (windows keyboard)
• Layout: querty, azerty, qwertz, dvorak
Toetsenbordmatrix
Bij toetsaanslag: sluiten van de schakelaar
Omzetting scancode (x,y) naar letterteken
Interne buffering (16 bytes)
Toetsenborden
• Bounce: bij een toetsaanslag soms
schakeldender  slechts 1 teken
• Bij ingeduwd houden: typematics. Na
een zeker tijdsinterval b.v. 30 x het
teken per seconde.
• Op laptops: vaak speciale (compacte)
toetsenborden en afzonderlijke
numerieke toetsenborden
Muis: bovenaanzicht
encoder chip
roterende bal
Muis: onderaanzicht
roterende bal
Muis
“rollers”
90º: X- en Y-richting
Muis
infrarode
pulsgenerator
Andere muistypes
• Trackball: omgekeerde muis
– B.v. bij laptops, of bij draagbare muizen
• Touchpad: bij laptops (wrijven en tikken)
• Staafje tussen toetsen
• Joystick: xy-positie + rotatie
Lichtpennen en
aanwijsschermen
• Lichtpen: detecteert de elektronenstraal
per refresh. Enkel bruikbaar indien het
pixel niet zwart is.
• Aanwijsscherm
– Optisch (met leds, of met camera)
– Elektrisch (verandering weerstand)
Inhoud
• Bussen
• Communicatie en synchronisatie
• Secundair geheugen
• Invoerapparaten
• Uitvoerapparaten
• Verbinding met de buitenwereld
Uitvoerapparaten
• Laserprinters
• Ink jet printers
• Video display
Laser printer
Ink Jet Printers
• Goedkoop
• Voldoende snel (4 ppm, ZW)
• Goede resolutie: 300 dpi tot 1200 dpi
(dots per inch)
Spuitgaten
Gaten van 50 m
diameter
Gaten van 25 m
diameter
Ink jet methoden
Thermisch (dampvorming)
Piezo-elektrisch
(mechanisch)
(epson)
Video display
• Technologie:
– CRT: Kathodestraalbuis (Cathode Ray Tube)
– LCD: Liquid Cristal Display
•
•
•
•
Schermafmeting, aspect ratio & oriëntatie
Maximale resolutie & kleurendiepte
Dot pitch (grootte van een pixel)
Refresh rate
Afmeting, aspect-ratio &
oriëntatie
• Grootte: 12, 14, 15, 17, 19, 21 duim
• Aspect-ratio: 4:3 (zoals TV) of 16:9 (film)
• Oriëntatie: landschap of portret
Opmerking: zichtbare grootte < opgegeven grootte
Kleurendiepte, resolutie, dot
pitch
• True color: 8 bits per kleurcomponent
(rood, groen, blauw) per pixel: 16,8
miljoen combinaties (SVGA-standaard)
• Resolutie
– XGA: 800x600 pixels & true color
– UXGA: 1600x1200 pixels & true color
• Resolutie & kleurendiepte bepalen de
hoeveelheid videoram in de videokaart
• Dot pitch: grootte van een pixel
Dot pitch
0,31
0,28 (courant)
0,27
0,26
0,25
0,51 (TV)
Refresh rate
• Aantal keer dat het scherm per seconde
herschreven wordt
• Om flikkering te vermijden  72 Hz, best
85 Hz
• Non-interlaced: per periode wordt het
volledige scherm herschreven, en niet
50% van de lijnen (even/oneven).
Analoog vs. digitaal
• VGA (Video graphics array): zet het
binaire beeld om in een analoog signaal
dat naar de (analoge) monitor gestuurd
wordt
• DVI (Digital Video Interface): stuurt de
digitale informatie rechtstreeks naar een
digitale monitor
LCD-schermen
• LCD: Liquid Cristal Display
• Twee types:
– Passive matrix LCD
– Active matrix LCD (gebaseerd op een
dunne film transistor TFT)
• Lichtbron:
– Ingebouwd (backlit)
– Omgevingslicht (reflective)
Inhoud
• Bussen
• Communicatie en synchronisatie
• Secundair geheugen
• Invoerapparaten
• Uitvoerapparaten
• Verbinding met de buitenwereld
Externe verbindingen
•
•
•
•
•
•
Infrarood (IrDA)
Seriële poort
Parallelle poort
USB poort
PS/2 poort
Ethernet-poort
9 kB/s (75 kb/s)
14,3 kB/s (115 kb/s)
1 MB/s
1,5 MB/s
10 MB/s (100 Mb/s)
USB-poort
Universal Serial Bus
•
•
•
•
•
Kan bijna alle andere poorten vervangen
Uitbreidbaar tot 127 poorten
Meeste randapparaten aansluitbaar
Bandbreedte: 12 Mb/s = 1,5 MB/s
Hogere bandbreedte: FireWire 400 Mb/s =
50 MB/s (vnl. videotoepassingen)
USB-connectoren
USB A (computerzijde)
USB B (apparaatzijde)
USB-hub
van 1  4 aansluitingen
Deel 2:
Besturingssystemen
Overzicht
•
•
•
•
Dos
Windows 95 – NT – 2000
Unix
Linux
Deel 3: Internet
Overzicht
•
•
•
•
•
•
Een beetje geschiedenis
TCP/IP
Email
WWW - Webbrowser
FTP
Toekomst