De betekenis van moderne computersystemen

Inhoud leereenheid 1
De betekenis van moderne computersystemen
Introductie
Leerkern
1
21
22
De ontwikkeling van de computer 22
De dageraad van het computertijdperk 22
1.2
Vijf generaties commerciële computers 26
1.3
De ontwikkeling in cijfers en gebruikservaring
Soorten computersystemen en hun toepassing 37
Het netwerk als computer 43
1.1
2
3
Samenvatting
Zelftoets
43
45
Terugkoppeling
1
2
20
46
Uitwerking van de opgaven 46
Uitwerking van de zelftoets 46
34
Leereenheid 1
De betekenis van moderne computersystemen
INTRODUCTIE
De meeste mensen staan er misschien niet meer bij stil, maar we leven
tegenwoordig in een verregaand geautomatiseerde samenleving. Niet
alleen in het bedrijfsleven, maar ook in het leven van alledag heeft de
computer een centrale plaats veroverd. De huidige generatie weet echter
niet meer uit eigen ervaring hoe het vroeger zonder computers ging en
hoe de introductie van de personal computer vanaf 1985, de integratie
van computers in onze samenleving mogelijk heeft gemaakt. In
de beleving van personen die niet behoorden tot de voorhoede die alle
nieuwe ontwikkelingen snel oppakt, is de status van de computer ook
aanzienlijk veranderd. Was de computer eerst vooral een bedreiging
voor de werkgelegenheid, een rivaal voor het intelligente mensenras en
een gevaarlijk instrument in de handen van de machthebbers, is er nu
een genuanceerder beeld ontstaan. De meeste mensen kunnen nu goed
de negatieve aspecten bij de brede invoering van de computer onderscheiden van de positieve aspecten, hoewel het aantal verschillende
soorten systemen en toepassingen gigantisch gegroeid is. Zonder dat
men precies weet wat er zich onder de ‘motorkap’ afspeelt, is er in
zekere mate reeds vertrouwen ontstaan in de computer.
Ondanks het feit dat het werken met computers vanzelfsprekend is, is
het voor een juist begrip goed in deze leereenheid even stil te staan bij
de, soms stormachtige ontwikkeling van de computer. In deze ontwikkeling zijn computers gaandeweg toegespitst op specifieke toepassingen
die elk hun eigen eisen stellen aan snelheid, ondersteuning, elektrisch
vermogen, toepasbaarheid en prijs. We zullen dan ook een classificatie
geven van deze toepassingen en de daarbij horende verschillende types
computers. Enkele van deze computers zullen later in deze cursus weer
worden besproken.
Misschien dat u dan ook, door extrapolatie naar de toekomst, begrijpt
dat we in de nabije toekomst nog heel wat nieuwe ontwikkelingen
kunnen verwachten.
LEERDOELEN
Na het bestuderen van deze leereenheid wordt verwacht dat u
– in eigen woorden de ontwikkeling van de computer kunt schetsen
– enkele mijlpalen uit de geschiedenis van de commerciële computers
kunt noemen
– enkele karakteristieken van moderne computers, zoals de snelheid,
prijs, orde van grootte van data-opslag, betrouwbaarheid en
gebruiksvriendelijkheid kunt aangeven
– de verschillende soorten processoren en computers kunt noemen
– de koppeling tussen type computer of microprocessor en type
toepassing in eigen woorden kunt verklaren
OUN
21
De werking van computersystemen
Studeeraanwijzingen
De inhoud van deze leereenheid bestaat voornamelijk uit leestekst. U
hoeft niet alles van buiten te leren wat behandeld wordt, als u maar in
grote lijnen de inhoud kunt schetsen en het geheel in een groter verband
kunt plaatsen. Natuurlijk geven de begrippen en namen u een houvast
bij wat belangrijk is. De studielast van deze leereenheid is dan 3 uur.
LEERKERN
1
‘Computer’ is
Engels voor
rekenmachine.
Het begrip computer wordt tegenwoordig als vanzelfsprekend geassocieerd met elektronica, chips en software. Toch is dat niet altijd zo
geweest. Het idee om een apparaat voorgeprogrammeerde berekeningen
uit te laten voeren is dan ook al veel ouder dan de stormachtige ontwikkeling van de elektronica, die zich afspeelde in pakweg de afgelopen
zestig jaar. Voordat we de explosieve ontwikkeling van de elektronische
digitale computer bespreken, beschouwen we daarom in vogelvlucht
wat daaraan vooraf is gegaan.
1.1
Charles Babbage:
Analytical Engin
Zie leereenheid 2.
Ada Lovelace
De ontwikkeling van de computer
DE DAGERAAD VAN HET COMPUTERTIJDPERK
Rond 1840 bedacht de Engelse uitvinder en wiskundige Charles Babbage
een programmeerbare machine, de Analytical Engine, voor het uitvoeren
van willekeurige berekeningen (zie figuur 1.1). Net als de huidige
computers had deze machine al een invoer-, een reken- en een
uitvoereenheid, een geheugen en zelfs een controle-eenheid. In dit
opzicht was Babbage zijn tijd ver vooruit. Hij besteedde de rest van zijn
leven aan de verwezenlijking van de Analytical Engine. Helaas heeft hij
een werkende machine nooit aanschouwd, want bij de toenmalige stand
van de techniek, mechanisch met honderden tandwielen en hefbomen,
kon het apparaat vanwege de optredende wrijvingen nooit werken.
Wel waren er al programma’s voor geschreven door Babbages begaafde
zakelijke partner Ada Lovelace (zie figuur 1.1 rechts). Zij wordt dan ook
beschouwd als de eerste programmeur uit de geschiedenis. Om die
reden is de programmeertaal Ada naar haar genoemd.
FIGUUR 1.1
22
Charles Babbage (a), zijn geesteskind de Analytical
Engine (b) en Ada Lovelace (c), die programma’s schreef
voor het apparaat
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Herman Hollerith
Tabuleermachine
John Atanasoff met
de ABC-computer
Alan Turing
Thomas H. Flowers
met de COLOSSUS
In 1890 ontwierp én bouwde de wiskundige Herman Hollerith voor de
Amerikaanse regering een tabuleermachine om een volkstelling uit te
voeren. Deze keer betrof het een elektromechanisch apparaat, dat
werkte met ponskaarten. De ponskaart bevat kolommen waarbij
per kolom gaatjes kunnen worden geponst. Een kolom kan de vraag
voorstellen en de positie van een gaatje in zo’n kolom stelt dan een
mogelijk antwoord op de vraag voor. Bijvoorbeeld de leeftijd in twee
kolommen; een kolom voor de tientallen een kolom voor de eenheden.
Ook een kolom voor het geslacht met twee mogelijkheden. Door het
automatisch uitlezen van deze ponskaarten kon de tabuleermachine
binnen enkele dagen een antwoord geven op bijvoorbeeld het aantal
Amerikanen dat op het moment van de volkstelling tussen de 40 en 50
jaar oud was. De verwachting was dat de handmatige uitwerking van de
volkstelling circa dertien jaar in beslag zou nemen. De tabuleermachine
versnelde dit proces dus enorm. In 1896 richtte Hollerith de Tabulating
Machine Company op, die in 1924 door fusies opging in de bekende
computergigant IBM (International Business Machines Corporation).
Deze firma voltooide in 1944, na een voor die tijd formidabele financiële
investering van een miljoen dollar, de Mark I, een universele, maar nog
steeds elektromechanische computer, met een lengte van zo’n 16 meter
en een inhoud van 23 m3. De fundamentele bouwsteen van de Mark I
was het relais, een elektrische schakelaar. Het geklik van de relais
maakte de machine behoorlijk lawaaiig. De Mark I had 60 rijen van 24
schakelaars, elk voor het invoeren van getallen. De instructies werden
vanaf een papieren ponsband gelezen. De machine kon 72 getallen met
maximaal 23 decimale cijfers onthouden. Per seconde kon de Mark I
drie optellingen of aftrekkingen uitvoeren. Een vermenigvuldiging
nam zes seconden in beslag, terwijl de berekening van een logaritme of
goniometrische functie meer dan een minuut vergde. De Mark I was in
gebruik bij de Amerikaans marine.
Eind jaren dertig en begin jaren veertig werd ook elders op verschillende locaties gelijktijdig driftig aan de ontwikkeling van de computer
gewerkt, niet in de laatste plaats gestimuleerd door de Tweede Wereldoorlog. Het eerste werkende prototype van een ‘special purpose’
elektronische computer wordt officieel toegeschreven aan John Atanasoff,
een hoogleraar in de natuurkunde aan de Iowa State University in de
Verenigde Staten. Hij noemde zijn model dat in 1939 gereed kwam en
met elektronenbuizen werkte, de ABC (Atanasoff-Berry Computer).
De ABC-computer was ontworpen om stelsels lineaire algebraïsche
vergelijkingen op te lossen. In Engeland werkte een team, geïnspireerd
door onder meer de befaamde Alan Turing, met succes aan een elektronische computer, de COLOSSUS, om de geheime codes van de Duitsers te
kraken. De COLOSSUS was eind 1943 operationeel, maar de constructie en
werking was tot 1973 militair topgeheim. Hierdoor bleven de mensen
die fundamentele bijdragen aan de COLOSSUS hebben geleverd anoniem,
onder meer Thomas H. Flowers, de ontwerper van de COLOSSUS.
De bijdragen zelf kwamen ook niet in de publiciteit waardoor andere
computerontwikkelingen hierop niet verder konden bouwen. Met de
openbaarmaking van dit project wordt nu algemeen erkend dat de
COLOSSUS de eerste werkende algemeen programmeerbare elektronische
digitale computer ter wereld is en niet de ENIAC, zoals tot voor kort werd
aangenomen (zie later in deze paragraaf).
OUN
23
De werking van computersystemen
Konrad Zuse met
de Z1
Eckert en Mauchly
met de ENIAC
In het Duitse kamp werd belangrijk pionierswerk verricht door Konrad
Zuse, die toen al veel van de concepten formuleerde die nu nog de basis
vormen voor de moderne computers. Omstreeks 1936 ontwierp en
realiseerde hij een computer, de Z1, die gebaseerd was op elektrische
relais, en later ook op elektronenbuizen. Zijn werk werd destijds door de
Duitse machthebbers onvoldoende ondersteund en zijn machines zijn in
het oorlogsgeweld verloren gegaan..
In 1943 vroeg en kreeg John Mauchly in Amerika geld om een
elektronische computer te realiseren. Samen met zijn studentassistent
J. Presser Eckert realiseerde hij aan de Universiteit van Pennsylvania de
ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) op basis van
de inzichten van professor Antanasoff. Doordat de ENIAC na de Tweede
Wereldoorlog gereed kwam, in 1946, kon over dit onderwerp volop
worden gepubliceerd, waardoor de ENIAC de belangrijkste impuls voor
de verwezenlijking van de hedendaagse commerciële computers is geworden en tot voor kort als ‘eerste elektronische computer’ werd gezien.
FIGUUR 1.2
De ENIAC: één van de eerste multifunctionele
elektronische computers
Dit prototype vulde gemakkelijk een zaal van tien bij vijftien meter.
Er waren 18 000 elektronenbuizen in verwerkt, hij woog 30 ton en
verbruikte 150 kW aan elektriciteit en maakte gebruik van een professionele luchtkoeling met grote ventilatoren om te vermijden dat het tot
een grote ‘meltdown’ in de elektronica kwam. Toch kon het geheugen niet
meer dan twintig getallen van tien cijfers bevatten en was deze computer
naar tegenwoordige maatstaven buitengewoon traag. Het ontwerp en de
constructie van de ENIAC waren een belangrijke stap vooruit, omdat
deze computer net als de COLOSSUS kon worden geprogrammeerd – zij
het door middel van schakelaars en kabeltjes – en invoer en uitvoer op
ponskaarten kon verwerken respectievelijk genereren.
24
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
EDVAC en
EDSAC met Von
Neumann
Stored-programconcept
In leereenheid 2
komen we hierop
terug.
Howard Aiken
Harvard
architectuur
Ringkerngeheugen
Jay Forrester
Gegevens en programma werden dus bij beide computers verschillend
behandeld. In de opvolgers van de ENIAC, namelijk de EDVAC (Electronic
Discrete Variable Automatic Computer) en de EDSAC (Electronic Delay
Storage Automatic Calculator), waaraan ook de computerpionier John
von Neumann meewerkte, werd het programma daarentegen op dezelfde
manier ingevoerd en opgeslagen als de gegevens, namelijk in het
geheugen. Dit principe, dat ook in de moderne computers nog wordt
toegepast, heet het stored-programconcept. Hoewel dit nu een logisch
en efficiënt principe lijkt, was het in die tijd niet vanzelfsprekend. Ook
rekende de EDSAC met binaire getallen en niet meer met decimale
getallen zoals de ENIAC.
Eind jaren veertig werkte Howard Aiken van Harvard University nog aan
opvolgers van de Mark I, de Mark III en IV, die afzonderlijke geheugens
hadden voor programmainstructies en gegevens. Deze ontwikkeling
staat bekend als de Harvard-architectuur.
Naast de processor is een snel, betrouwbaar, groot en goedkoop
geheugen in een computer (nog steeds) van groot belang. Eigenlijk
worstelden alle genoemde computers met het probleem om een geschikt
geheugen voor tussenresultaten te construeren. Een belangrijke stap
hierin die we hier niet onvermeld kunnen laten, was het gebruik van
ringkerngeheugens: magnetiseerbare ringetjes om de kruispunten van een
rooster van horizontale en verticale draden, zie figuur 1.3. Door het
sturen van stromen door de draden konden de ringetjes al of niet
gemagnetiseerd worden, hetgeen door detectie van stromen weer
afgelezen kon worden. Zo stelde de toestand van elk ringetje (wel of
geen magnetisatie) een stukje informatie voor. Deze geheugens werden
eind jaren veertig aan het Massachusetts Institute of Technology door Jay
Forrester ontwikkeld en vormden ruim 25 jaar de belangrijkste manier
om computergeheugens te realiseren. Het grote voordeel van deze
techniek was dat de gegevens in het geheugen niet verloren gingen als
de stroom uitgeschakeld werd.
FIGUUR 1.3
Magnetisch kerngeheugen
OUN
25
De werking van computersystemen
Ook Nederland kende in de jaren na de Tweede Wereldoorlog pioniers
in de computerbouw. Er waren drie centra in Nederland die grote rekenmachines ontwikkelden: het Mathematisch Centrum in Amsterdam
(A. van Wijngaarden, E.W. Dijkstra en G.A. Blaauw), het PTT Centraal
Laboratorium in Den Haag (L. Kosten, W.L van der Poel) en het
Natuurkundig Laboratorium van Philips in Eindhoven.
Rekenautomaten heetten ze in de jaren vijftig, met wonderlijke namen
als Testudo, Ptera en, bij Philips, de Peter en de Pascal (Philips Akelig
Snelle CALculator). Het waren kolossen van grijs gemoffeld staal, gevuld
met klikkende relais, gloeiende radiobuizen en vooral veel draden. De
eerste machine die in serie werd gebouwd, was de Zebra (Zeer
Eenvoudig Binair Rekenapparaat, 1957), een jaar later gevolgd door de
X1. De komst van de chip, met de IBM 360 in 1965, luidde het einde in van
het pionierstijdperk in Nederland.
ZEBRA en X1
Leestekst
Slimme vrouwen die zelf vaak niet de gelegenheid hadden gehad om een wiskundestudie
te volgen, speelden in de ondersteuning een cruciale rol bij het programmeren van de
rekenmonsters (zij werden de rekenaarsters genoemd), zoals dat ook bij de ontwikkeling
van de verschillende generaties van Enigma-machines in de Tweede Wereldoorlog het
geval was.
1.2
UNIVAC I
VIJF GENERATIES COMMERCIËLE COMPUTERS
Op 14 juni 1951 begon met de verkoop van het eerste exemplaar van de
UNIVAC I (Universal Automatic Computer, zie figuur 1.4), voor ongeveer
$ 1.000.000, officieel het tijdperk van de commerciële computers. De
machine werd gemaakt door de Eckert-Mauchly Computer Corporation
en was feitelijk gebaseerd op de ENIAC. Er zijn in totaal 48 exemplaren
van verkocht. Hiermee begon een explosieve ontwikkeling van de
computer. We kunnen deze ontwikkeling ruwweg onderverdelen in vijf
fasen, vijf generaties computers, onderscheiden naar de technologie
waarop ze gebaseerd waren. De grens tussen verschillende generaties is
overigens niet altijd exact aan te geven.
Eerste generatie: elektronenbuizen (1951-1958)
Met de verkoop van de eerste UNIVAC is de commerciële opmars van de
computer begonnen. IBM, dat al langer in de ponskaarten- en kantoorautomatisering actief was, begon pas in 1950 met het bouwen van zijn
eerste computer. De eerste IBM-computer, de IBM 701, kwam in 1952 op de
markt. Van deze computer werden uiteindelijk negentien exemplaren
verkocht. Beide computers, zoals ook andere van deze generatie, waren
gebaseerd op elektronenbuizen.
26
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
FIGUUR 1.4
Lee De Forest:
uitvinder van de
elektronenbuis in
1907
De UNIVAC I: de eerste commerciële computer
Elektronenbuizen
worden ook wel
oneerbiedig
radiobuizen
genoemd.
Elektronenbuizen (zie figuur 1.5a) zijn uitgevonden door Lee De Forest
in 1907 en waren tot de uitvinding van de transistor na de Tweede
Wereldoorlog de bouwstenen in de elektronica. Door de mogelijke
toepassing als snelle schakelaar werden zij ook in digitale computers
gebruikt.
Leestekst
Elektronenbuizen werken door het feit dat bepaalde materialen, bijvoorbeeld metalen en
oxiden, elektronen uitzenden bij verhitting in een vacuüm. Onder invloed van een
elektrische spanning bewegen deze elektronen zich in een elektronenbuis tussen twee
elektroden: van de kathode (aangesloten op de minpool van een spanningsbron, en verhit
door een gloeidraad) naar de anode (een metalen plaat, aangesloten op de pluspool van die
spanningsbron). Behalve deze twee elektroden is er in een elektronenbuis nog een derde
elektrode te vinden, die zich tussen de anode en de kathode bevindt: het raster.
Door het spanningsverschil tussen de kathode en het raster te variëren is de sterkte van de
elektronenstroom tussen de kathode en anode te beïnvloeden (zie figuur 1.5 rechts). In de
digitale compe zijn relatief groot en kwetsbaar. Computers die op deze componenten
waren gebaseerd, waren dan ook groot en niet erg betrouwbaar. Velen dachutertechniek
zijn alleen twee extremen van belang: ‘veel’ of ‘weinig’ stroom. De elektronenbuis wordt
dan gebruikt als schakelaar; de spanning op het rooster bepaalt dan de ‘stand’ van de
schakelaar.
Elektronenbuizen verbruiken veel energie en produceren daarom veel
warmte. Zten in die tijd dan ook dat computers slechts voor zeer
specialistische doelen bruikbaar zouden zijn.
OUN
27
De werking van computersystemen
a
FIGUUR 1.5
b
Diverse typen elektronenbuizen (a) en het principeschema van een elektronenbuis (b)
OPGAVE 1.1
In een interview met Eckert kwam naar voren dat bij de ENIAC eens in de
twee dagen één elektronenbuis sneuvelde van de 18 000 die de ENIAC
bezat. Wanneer er één sneuvelde, was de defecte buis binnen vijftien
minuten gelokaliseerd en doordat de mechanische opbouw doordacht
was, binnen enkele seconden vervangen. Wat betekenen deze feiten voor
de commerciële inzetbaarheid van computers met elektronenbuizen?
Tweede generatie: transistors (1959-1964)
In elektronenbuizen is een grote hitte en een vacuüm nodig om de
selectieve geleiding van elektronen mogelijk te maken. Een speciale
categorie vaste stoffen kan echter ook geschikt worden gemaakt om
selectief geleidend te worden: zogenaamde halfgeleiders. Voorbeelden
van halfgeleiders zijn silicium, overvloedig aanwezig in de vorm van
gewoon zand, en germanium. Door deze halfgeleiders te voorzien van
geringe onzuiverheden, het zogenaamde doteren, kan het geleidend
vermogen van deze stoffen kunstmatig worden geregeld, waardoor het
mogelijk wordt om dit als basis voor een schakelaar te gebruiken.
Halfgeleiders
Leestekst
Zie ook
leereenheid 4.
Sommige onzuiverheden hebben een overschot aan elektronen en verhogen daardoor
het geleidend vermogen (n-type). Andere onzuiverheden hebben juist een tekort aan
elektronen (‘gaten’), hetgeen eveneens het geleidend vermogen vergroot (p-type). Door
een n-type-materiaal met p-type-materiaal te verbinden ontstaat een gebied waarin de
elektronen vanuit het n-type-materiaal doordringen in het p-type-materiaal en gaten vanuit
het p-type-materiaal doordringen in het n-type-materiaal. Deze elektronen en gaten zullen
elkaar opheffen (recombineren), waardoor er vrijwel geen elektrische geleiding meer is. De
grootte van dit gebied (de n-p-overgang) kan beïnvloed worden door er een elektrische
spanning over aan te brengen en daarmee de geleidbaarheid te beïnvloeden. Op deze wijze
is het mogelijk om het geleidend vermogen van de n-p-overgang te regelen.
William Shockley
John Bardeen en
Walter Brattain
Puntcontacttransistor
28
Bij Bell Laboratories werd in 1945 een groep opgericht met als doel
een ‘solid-state’-versterker te produceren op basis van halfgeleidende
materialen. De groep stond onder leiding van William Shockley. Op basis
van de eigenschappen van germanium wisten John Bardeen en Walter
Brattain, leden van de Shockleygroep, eind 1947 een puntcontacttransistor
te maken. Deze puntcontacttransistor (zie figuur 1.6a) bestond uit een
klein plaatje metaal waarop een germaniumkristal was bevestigd. Op dit
kristal werden twee dunne metalen draadjes gemonteerd, die dichtbij
elkaar lagen. Met het aanbrengen van een spanningsverschil tussen elk
van de draden en het metalen plaatje veranderde het geleidende vermogen van het kristal, waardoor een schakelaar ontstond.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
De naam ‘transistor’ werd bedacht als samentrekking van ‘transfer’
en ‘resistor’, vanwege de eigenschap dat deze component selectief als
elektrische geleider of als isolator kan optreden. Aanvankelijk werd deze
prestatie nauwelijks opgemerkt. Toch staat deze uitvinding aan de basis
van de moderne elektronica. Het duurde echter tot 1950 voordat
Shockley een echte bipolaire transistor wist te produceren, waarmee
feitelijk de eerste grote stap in het tijdperk van de micro-elektronica
werd gezet.
Bipolaire transistor
Leestekst. In leereenheid 4 gaan we
hier dieper op in.
De bipolaire transistor bestaat uit twee n-p-overgangen binnen één kristal. De term
‘bipolair’ komt voort uit het feit dat bij een dergelijke transistor het geleidend vermogen op
zowel elektronen als op gaten is gebaseerd. Afhankelijk van de soort wordt er gesproken
over een n-p-n-transistor of van een p-n-p-transistor. Het middelste stukje halfgeleider is
erg dun. Op elk van de stukjes wordt een metallisch contact bevestigd. Als over één van de
n-p-overgangen een gering spanningsverschil wordt aangebracht, zodat het geleidend
vermogen van de n-p-overgang toeneemt, zal er een stroom gaan lopen door het middelste
gebied. Omdat dit gebied erg dun is, zal deze stroom ook het geleidend vermogen van de
tweede n-p-overgang beïnvloeden, zodat ook dit geleidend wordt. Met deze eigenschap is
een schakelaar met geringe afmetingen ontstaan.
Gordon Teal
Bipolaire siliciumtransistor
Het duurde nog tot 1954 voordat Gordon Teal, eerder werkzaam bij Bell
Laboratories, bij Texas Instruments op basis van silicium een transistor
wist te maken. Silicium kent een aantal voordelen ten opzichte van
germanium, waaronder de mogelijkheid om onder hogere temperaturen
te functioneren, waardoor het uitermate geschikt is voor militaire
toepassingen.
a
FIGUUR 1.6
b
De eerste transistor van Bardeen en Brattain (a) en
enkele meer recente transistors (b)
Door de grote investeringen van de Amerikaanse defensie ging de
halfgeleidertechniek met sprongen vooruit. Door de miniaturisering
konden transistors worden ondergebracht in een behuizing
van metaal of kunststof, die niet groter was dan enkele millimeters
(zie figuur 1.6b).
De transistor, in al zijn verschillende uitvoeringen, kon dus relais en
elektronenbuizen vervangen als schakelaar. Vergeleken met elektronenbuizen hebben transistors een langere levensduur, een kleinere omvang,
minder energieverbruik en daardoor veel minder warmteontwikkeling
OUN
29
De werking van computersystemen
en een grotere betrouwbaarheid. Door het bouwen van betrouwbare
computers op basis van transistors, nam de toepasbaarheid van
computers op administratief en bedrijfseconomisch gebied toe. Een
voorbeeld van een dergelijke computer is de IBM 1401. Voor het interne
geheugen van deze generatie computers werd nog gebruikgemaakt van
ringkerngeheugens.
Robert Noyce
Jack Kilby
IC of geïntegreerd
circuit
Planair proces
Derde generatie: geïntegreerde circuits (1965-1970)
Door de stimulans vanuit de ruimtevaartindustrie eind jaren vijftig en
begin jaren zestig ontstaat de behoefte om het volume, het gewicht en
het energieverbruik van elektronische schakelingen te verminderen.
Onafhankelijk van elkaar vatten Robert Noyce van Fairchild Semiconductors en Jack Kibly van Texas Instruments het plan op om transistors en
weerstanden op één schijfje halfgeleidermateriaal (een chip) onder te
brengen en te verbinden. Hierdoor ontstaat een schakeling met een
zeer kleine afmeting en een gering gewicht. Het resultaat wordt een
geïntegreerd circuit (IC, integrated circuit) genoemd. In 1959 slaagt Kibly
er als eerste in om dit te realiseren op plakjes germanium. Texas Instruments komt spoedig als eerste met een IC van $ 450 per stuk in de openbaarheid. Het is echter Noyce die later dat jaar met een proces komt om
op een betrouwbare wijze IC’s te produceren, het planaire proces. Het
voorhanden zijn van een betrouwbaar proces is essentieel voor de
massaproductie van IC’s. De verschillende elektronische functies
waarvoor eerder talloze onderdelen nodig waren, worden nu ondergebracht in een minuscuul schijfje, zoals dat in figuur 1.7. Hierdoor zijn
de productiekosten bij grote aantallen relatief laag. De hoogste kosten
zitten bij IC’s in onderzoek en ontwikkeling.
FIGUUR 1.7
IBM System/360
30
Een geïntegreerde schakeling: de behuizing is bepalend
voor het volume dat een IC inneemt
Computers die op basis van deze componenten werden gemaakt, waren
grote, voor die tijd krachtige en centrale computers. Een voorbeeld
hiervan is de beroemde IBM System/360-familie, welke eind 1964 op de
markt werd gebracht. De IBM System/360-familie bestond uit een aantal
computers die in prijs en prestatie varieerden: de modellen 20, 30, 40, 50,
60, 65 en 75. Zo kostte een model 40 (figuur 1.8 links) $ 225.000 terwijl
een model 60 (figuur 1.8 rechts) $ 1.000.000 kostte. De interne geheugens
van deze computers bestonden nog steeds uit ringkerngeheugens.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Interne geheugens op basis van IC’s werden pas vanaf ongeveer 1970
gebruikt, toen het aantal componenten dat per IC kon worden gerealiseerd, daarvoor groot genoeg was. In deze periode was het gebruikelijk
om gegevens en programma’s in te voeren op ponsband en ponskaarten.
De resultaten werden uitgevoerd door automatische typemachines en
regeldrukkers.
a
b
De IBM System/360 model 40 (a) en model 60 (b)
FIGUUR 1.8
Small Scale
Integration
Large Scale
Integration
Very Large Scale
Integration: VLSI
Wet van Moore
Vierde generatie: microprocessoren (1980-heden)
Met het opkomen van het IC is een proces gestart dat als één van de
basisvoorwaarden van de informatierevolutie wordt beschouwd: de
miniaturisering in de elektronica. Na de eerste IC’s werd het mogelijk om
steeds meer transistors op een IC te plaatsen, terwijl de grootte van een
enkele transistor en de breedte van de verbindingen afnamen. Met het
toenemen van het aantal transistors per IC nam ook de prijs per
transistor af. In de eerste IC’s waren slechts enkele tientallen transistors
te onderscheiden. Er wordt dan wel gesproken van Small Scale Integration
(SSI). Naarmate de miniaturisering voortschreed, werd er gesproken van
Large Scale Integration (LSI), waarbij er enkele honderden tot duizenden
transistors op een IC geplaatst werden. Tegenwoordig worden er
miljoenen transistors op een IC geplaatst, wat wordt aangeduid met Very
Large Scale Integration (VLSI).
Gordon E. Moore, toen hoofd Research van Fairchild Semiconductors en
in 1968 medeoprichter van Intel Corporation, beschreef in een artikel in
het blad Electronic in april 1965 dat de toename van het aantal transistors
per chip sinds 1959 elk jaar was verdubbeld en hij verwachtte dat deze
ontwikkeling zo zou doorgaan. De voorspelde verdubbeling van het
aantal transistors per jaar wordt ook wel de Wet van Moore genoemd.
Inmiddels is er een langere tijdlijn beschikbaar, zie tabel 1.1.
Jaarlijkse verdubbeling van het aantal transistors per
processorchip (Intel, M is miljoen).
TABEL 1.1
jaar
1971
1979
1989
2000
2007
aantal
2300
29000
1,2 M
42 M
820 M
type
4004
8088
80486
P4 Xeon
P 4 core
OUN
31
De werking van computersystemen
Op basis van deze getallen blijkt nu het aantal transistoren iedere twee
jaar te verdubbelen, wat neerkomt op een stijging van 40% per jaar. De
laatste jaren is het echter wel duidelijk geworden dat deze exponentiële
groei langzaam maar zeker zal stoppen. Fundamentele grenzen zullen
worden bereikt, waardoor een verschuiving naar een andere technologie
te verwachten is, maar er is nog veel discussie in de wetenschappelijke
wereld wanneer deze ombuiging plaats zal vinden; vooralsnog is deze
ombuiging nog niet zichtbaar.
Ofschoon niet expliciet vermeld, is er een verband tussen het aantal
transistors en het aantal functies, waaronder rekenfuncties, op een chip.
Naarmate het aantal transistoren groter is, kunnen tot dan op aparte
chips ondergebrachte functies worden toegevoegd op de chip waarop de
processor zich bevindt. Een voorbeeld hiervan is het toevoegen van een
apart geheugen (cache). We komen hier later op terug. Of omgekeerd,
een processor (een core) wordt toegevoegd aan andere functies, zoals
bijvoorbeeld bij modems waarbij de analoge schakelingen voor signaalbehandeling, een aantal functies en een processor worden toegevoegd
om het geheel te besturen en het communicatieprotocol te implementeren. Feitelijk is de mogelijkheid om meer transistoren per eenheid van
oppervlakte op een chip te plaatsen de motor achter de steeds maar weer
verdergaande integratie van functies op een chip.
Matoshi Shima
Ted Hoff
Frederico Faggin
Intel 4004
microprocessor
Intel 8088
microprocessor
De Japanse firma Busicom, een fabrikant van boekhoudmachines, gaf
rond 1969 de firma Intel, toentertijd voornamelijk een fabrikant van
halfgeleidergeheugenchips, de opdracht om op hun specificaties een
chip te maken die in de boekhoudmachine het rekenwerk zou uitvoeren.
Tot dan werd het rekenwerk door een kostbare verzameling van aparte
LSI-chips uitgevoerd. Kostbaar vanwege het samenbouwen van al deze
aparte chips. Een medewerker van Busicom Masatoshi Shima ging samen
met Ted Hoff en Frederico Faggin van Intel aan de slag om een algemeen
toepasbare goedkope ‘rekenchip’ te ontwerpen. Het resultaat was in
1971 de Intel 4004, zie figuur 1.9 en tabel 1.1, ‘s werelds eerste 4-bits
microprocessor. Busicom verkocht toen de rechten op het gebruik van
deze processor aan Intel, al was de toepassing in boekhoudmachines
uitgezonderd. Vanwege het onverwachte succes van de Intel 4004 werd
deze bijna onmiddellijk (1972) opgevolgd door een 8 bits variant, de
Intel 8008, en via de Intel 8080 en Intel 8086 ontstond in 1979 de Intel
8088, de processor van de IBM (compatible) personal computers
Door de komst van de microprocessor is het mogelijk om goedkopere
computers te maken, speciaal gericht op de thuis- of hobbymarkt,
zogenaamde homecomputers of personal computers. In Los Angeles
werd in 1975 al de eerste computershop geopend. De computer is een
consumentenartikel geworden. In 1976 komt Apple met de eerste
homecomputer, de Apple I met een processorchip van de firma Motorola.
IBM komt pas in 1981 met zijn eerste personal computer (pc). Omdat
echter de gebruikte principes en standaarden vrijgegeven worden,
verschijnen er dan (1980) op grote schaal pc-klonen. Al snel na de
introductie domineert de IBM-compatible pc de markt.
32
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
FIGUUR 1.9
De Intel 4004, de eerste microprocessor
Een hernieuwde impuls voor het gebruik van de pc komt van het
beschikbaar komen van internet-toegang vanuit de woningen (circa
1995) door inbellen via gewone telefoonverbindingen, gevolgd door
breedbandtoegang (2 Mbps of meer), draadloze communicatie (WiFi,
IEEE 802.11g, 2003) en laptops. Hierdoor evolueerde de pc van
rekenmachine naar een mobiel multimediaal informatiesysteem.
Mark Weiser
Pervasive
computing
Analoge computers
De vijfde generatie: onzichtbare computers
Wanneer we de hele ontwikkeling overzien, kunnen we maar één
conclusie trekken: computers krimpen! Op een chip komen processors,
geheugen, voorzieningen om in- en uitvoer te koppelen, kortom, een
complete computer op een chip. Gekoppeld door netwerken zal deze
‘computing dust’ ons onzichtbaar omringen met diensten om deuren te
openen, lichten te dimmen, routes aan te geven en duizenden andere
dingen voor ons te doen en te regelen. Deze visie, ontwikkeld door Mark
Weiser werd oorspronkelijk aangeduid met ubiquitous computing, maar de
term pervasive computing of ambient intelligence wordt nu vaker gebruikt.
Onzichtbaar moet hier geïnterpreteerd worden als: de gebruiker heeft
veel minder het besef dat er een computer in een apparaat zit die
rekenfuncties uitvoert. De perceptie van de hardware die reageert op
een actie van de gebruiker of op het aflopen van een proces (bijvoorbeeld: de wasbeurt in de wasmachine wordt afgesloten) staat voorop.
Dat daarvoor een processor rekenwerk verricht in het apparaat wordt
minder ervaren dan bij een pc het geval is.
Andere principes voor rekenmachines
Tot nu toe hebben we alleen digitale computers bekeken. Er zijn ook
computers die werken met de momentane waarde van signalen als
uitkomst van een berekening. Dit zijn de zogenaamde analoge computers,
die soms nog in dynamische systemen als rekenapparaat worden
gebruikt. Feitelijk simuleren deze computers de uitkomst van zogenaamde differentiaalvergelijkingen. Deze vergelijkingen zijn gebaseerd
op het vergelijken van veranderingen van variabelen in plaats van het
vergelijken van de waarde van variabelen, zoals bij gewone algebraïsche
vergelijkingen het geval is. De oplossing van een
differentiaalvergelijking is een functie.
OUN
33
De werking van computersystemen
Quantumcomputer
Een analoge computer werkt meestal met elektrische signalen en is een
systeem waarin versterkers, integratoren en differentiatoren de overeenkomende wiskundige functies uitvoeren. De programmering van een
analoge computer bestaat uit het met elkaar doorverbinden van één of
meer van deze componenten tot een schakeling ontstaat waarvan het
gedrag wordt beschreven door de op te lossen differentiaalvergelijking.
Daarnaast moeten op bepaalde punten in de deze schakeling de
startvoorwaarden worden ingesteld: randvoorwaarden in het wiskundig
jargon. Het signaal dat na de start van de computer in de schakeling
ontstaat en getoond wordt op een beeldscherm is de gezochte oplossing
van de differentiaalvergelijking. Analoge computers worden overigens
steeds meer geschiedenis en worden vervangen door digitale computers
die de oplossing numeriek benaderen. De hierbij gebruikte methoden
worden ontleend aan de numerieke wiskunde.
In de toekomst maakt mogelijkerwijs de quantumcomputer een kans, al
is een praktisch bruikbare vorm nog steeds ver weg. Deze computer is
gebaseerd op principes uit de quantummechanica en werkt met qubits
(quantumbits). De qubits hebben de waarde 0 of 1, maar het bijzondere
is dat de combinatie van deze bits met een bepaalde waarschijnlijkheid
gelijktijdig optreedt. Bijvoorbeeld een rijtje van drie qubits kan zich
tegelijk in elk van de acht mogelijke combinaties bevinden, elk met een
bepaalde waarschijnlijkheid. Bij een digitale computer bevindt de
combinatie zich op een bepaald moment maar in één van de mogelijk
acht combinaties, wel met een waarschijnlijkheid van 1. Het zich
tegelijkertijd in meerdere toestanden bevinden, wordt superpositie
genoemd. Een ander fenomeen is het optreden van entanglement
(Nederlands: verknoping). Dit is het principe dat een observatie op één
object onmiddellijk effect heeft op een hieraan gepaard object, ook al is
dit object duizenden kilometers verwijderd van het geobserveerde
object. Beide effecten zorgen ervoor dat met name algoritmes voor het
splitsen van een geheim getal in zijn priemgetallen, veel sneller verlopen
dan op conventionele digitale computers. Hiermee wordt het
beschermingsmechanisme van alle digitale gegevens ondergraven en
wordt dit mechanisme ‘kraakbaar’. In deze cursus laten we echter de
analoge en quantumcomputer buiten beschouwing.
1.3
DE ONTWIKKELING IN CIJFERS EN GEBRUIKSERVARING
Gedurende de evolutie van de moderne digitale computer zijn er
honderden verschillende typen ontworpen en gebouwd. De meeste zijn
alweer vergeten, maar enkele hebben moderne ontwerpen sterk
beïnvloed.
De scheidslijn tussen bestaand en vernieuwend wordt vooral bepaald
door de voortschrijdende technologie op het gebied van de elektronica en
de schaal waarop wordt geproduceerd. In deze paragraaf presenteren we
een aantal metrieken die deze ontwikkeling zo goed mogelijk weergeven.
Computers werden in de loop van de tijd
– steeds sneller
– steeds kleiner
– steeds goedkoper en
– ze konden meer gegevens in het interne geheugen opslaan.
34
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Tabel 1.2 geeft een indruk van de ontwikkelingen die de computer in de
loop van de tijd heeft doorgemaakt op het gebied van prestatie,
geheugencapaciteit en prijs-prestatieverhouding.
Metriek: prijsprestatie
verhouding
De ontwikkeling van prestatie, geheugencapaciteit,
prijs, gecorrigeerde prijs en relatieve prijs-prestatieverhouding van computers (peiling 2007)
TABEL 1.2
jaar
naam
prestatie
(optellingen
per seconde)
geheugencapaciteit
(KB)
oorspronkelijke
prijs
(US Dollars)
gecorrigeerde
prijs 2007
(US Dollars)
prijsprestatieverhouding
1951
1964
UNIVAC I
IBM S/360
model 50
PDP-8
Cray-1
IBM pc
HP 9000/
model 750
Intel Pentium
Pro pc
(200 MHz)
Intel Pentium 4
PC (3.0 GHz)
AMD Barcelona
PC (2,5 GHz)
2 000
500 000
48
64
1 000 000
1 000 000
7 670 724
6 018 798
1
319
330 000
166 000 000
240 000
50 000 000
4
32 768
256
16 384
16 000
4 000 000
3 000
7 400
94 685
13 509 798
6 859
11 807
13 367
47 127
134 208
16 241 889
400 000 000
16 384
4 400
6 211
247 021 234
6 000 000 000
262 144
1 600
2 009
11 451 750 000
20 000 000 000
2 097 152
800
800
95 884 051 042
1965
1976
1981
1991
1996
2003
2007
Benchmark
In leereenheid 15
gaan we hier dieper
op in.
In tabel 1.2 wordt met name duidelijk hoe de prijs-prestatieverhouding
van computersystemen in de loop der jaren is verbeterd. Voor de
prestatie wordt het aantal optellingen per seconde gemeten. Deze
vergelijkingsmaatstaf is echter niet erg representatief voor de prestatie
van een computersysteem, omdat de taak van een dergelijk systeem niet
alleen uit optellen bestaat. Een meer representatieve, objectieve vergelijking is mogelijk door elk computersysteem een vastgestelde mix
van programma’s te laten uitvoeren en te vergelijken hoeveel tijd het
onderzochte systeem hiervoor nodig heeft. Deze gestandaardiseerde
vergelijking noemen we een benchmark. In tabel 1.3 staat een aantal
benchmarks.
TABEL 1.3
Prestatie van centrale processing units (CPU) over de
periode 2006- 2009, gemeten met een benchmark
(SPEC CINT2006)
Metriek:
Benchmarking
Jaar/kwartaal
type
score
2006/4
2007/4
2008/4
2009/2
Apple Xserve (3000 MHz Intel Dual-Core Xeon)
Dell Precision T7400 (Intel Xeon X5482, 3.20 GHz)
Intel Asus P6T Deluxe (Intel Core i7-940)
ASUS TS700-E6 server system (Intel Xeon W5580)
16,6
24,2
27,8
33,2
Leestekst
In tabel 1.3 wordt de programmaverzameling uit CINT2006 gebruikt voor processors
(CPU). SPEC vergelijkt computers ook op andere toepassingen zoals webservers en
mailservers, Java client/server systemen, vermogensopname, enzovoorts. Op elke
toepassing wordt een collectie van toepasselijke software losgelaten om zo de prestatie
objectief te vergelijken. In tabel 1.3 zijn steeds de hoogste scores in het aangegeven kwartaal
genomen. SPEC CINT2006 is de opvolger van SPEC CINT2000, maar ze zijn helaas niet met
elkaar te vergelijken. Vandaar de korte tijdlijn in tabel 1.3.
OUN
35
De werking van computersystemen
OPGAVE 1.2
U werkt bij een bedrijf dat computers ontwikkelt en op de markt brengt.
Uw chef vraagt uw mening over het voornemen om een computer te
ontwikkelen die driemaal zo snel zal zijn als gelijksoortige machines op
dit moment. Ook vertelt hij u dat de ontwikkeling waarschijnlijk zo’n
drie jaar zal duren. Wat zou u daarvan zeggen?
Metriek:
spoorbreedte
Een andere metriek is die van de spoorbreedte waarmee de fijnste
structuren van een processor of geheugen in een halfgeleiderchip
worden geëtst. Deze spoorbreedte wordt uitgedrukt in micrometer
(1 μm = 10-6 m) of nanometer (1 nm = 10-9 m). In tabel 1.4 staat deze
ontwikkeling.
Miniaturisering aan de hand van spoorbreedte
TABEL 1.4
jaar
1971
1978
1989
1999
2003
afmeting
10 μm
3 μm
1 μm
0,18 μm 90 nm
2007
2009
2011
45 nm
32 nm
22 nm
In tabel 1.4 hebben we in verband met de ruimte een aantal tussenliggende stappen achterwege gelaten, maar de reductie in afmeting met
een factor 200 in de beschouwde periode is duidelijk.
In leereenheid 12
bekijken we
geheugens in detail.
Een soortgelijke ontwikkeling als bij processoren zien we bij halfgeleider
geheugens. De structuren die hiervoor in de chip worden gebruikt zijn
iets eenvoudiger dan bij een processor, maar de manier waarop deze
geheugens worden gemaakt is dezelfde. Figuur 1.10 toont deze
ontwikkeling.
Deze figuur geeft een verviervoudiging per drie jaar te zien en wordt
aangeduid met de DRAM-groeiregel (DRAM = Dynamic Random Access
Memory).
10
10
aantal
transistors
16M
7
10
6
1M
10
4M
256K
5
10
4K
4
10
3
256M
64M
8
10
10
1024M
512M
9
10
16K
64K
1K
1965
1970
FIGUUR 1.10
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
jaar van
introductie
De toename van de capaciteit van een geheugenchip
Elke drie jaar verviervoudigt de capaciteit. Per jaar betekent dit een toename van ca. 60 %.
36
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Voor harde schijven zien we een soortgelijke ontwikkeling.
TABEL 1.5
Ontwikkeling harde schijven
jaar
1981
1985
1989
1995
2000
2004
2009
capaciteit
5 MB
40 MB
40 MB
1,2 GB
80 GB
250 GB
1 TB
kosten/MB
340 $
45 $
36 $
68,6 c
0,69 c
0,115 c
0,013 c
Tussen 1985 en 1989 zien we geen groei in capaciteit, wel een kostenreductie. De achterblijvende groei tussen 1985 en 1989 werd veroorzaakt
doordat de toenmalige besturingssystemen (MSDOS) voor de pc geen
grotere harde schijf konden aansturen dan 40 MB.
Metriek:
gebruiksgemak
De exponentiële groei van de capaciteit van processors, geheugen en
harde schijven heeft niet alleen bewerkstelligd dat grotere problemen
sneller opgelost konden worden, maar heeft ook veel gebruiksvriendelijker programma’s mogelijk gemaakt. De eerste computers werden
bediend door hooggeschoolde specialisten, georganiseerd in de computercentra van grote bedrijven. De betere prestatie van de pc maakte
het mogelijk dat de interactie tussen computer en gebruiker via grafische
symbolen plaatsvindt. Hierdoor, en vanwege het gebruikte analogon
van het bureaublad, is deze interactie veel eenvoudiger en makkelijker
te begrijpen voor een groot publiek. Een scholier van nu gebruikt een
laptop met evenveel gemak als de specialisten van vroeger en de beschikbare rekenkracht is te vergelijken met die van een supercomputer
van tien jaar geleden.
Van Gorden Moore is de uitspraak dat wanneer de vliegtuigindustrie een soortgelijke
ontwikkeling als hierboven had doorgemaakt, een verkeersvliegtuig nu rond de $ 500 zou
kosten, rondom de aarde zou vliegen in krap twintig minuten en daarbij circa twintig liter
brandstof zou verbruiken. Het vliegtuig zou echter ook tot het formaat van een
schoenendoos zijn gekrompen!
2
Soorten computersystemen en hun toepassing
De computer heeft ons gemak opgeleverd en allerlei nieuwe mogelijkheden geschapen – bijvoorbeeld in de communicatie en in de
informatievoorziening – en heeft de dienstverlening sterk uitgebreid.
Toepassingen van digitale systemen zijn doorgedrongen tot in alle
hoeken en gaten van onze samenleving. Ze kunnen ruwweg in drie
categorieën onderverdeeld worden: direct zichtbare, de via netwerken
toegankelijke computers en ‘ingebouwde’ toepassingen.
Direct zichtbare computersystemen zijn bijvoorbeeld de pc’s, laptops,
spelcomputers en elektronische agenda’s thuis of op uw werk. Van de
tweede categorie, de via netwerken toegankelijke computersystemen
maakt u gebruik als u telefoneert, de dienstregeling van het openbaar
vervoer raadpleegt, iets bestelt bij een bedrijf, girale betalingen verricht,
een verzekering afsluit, een bibliotheekcatalogus raadpleegt, of naar de
OUN
37
De werking van computersystemen
weersverwachting kijkt. Ten slotte zult u zich minder bewust zijn van de
‘ingebouwde’ computersystemen. Gespecialiseerde computersystemen,
zoals de microcontroller, vinden een plek in vrijwel alle elektronica die
in apparaten is ingebouwd. Een middenklasse-auto telt bijvoorbeeld al
meer dan dertig van deze microcontrollers die allerlei functies in die
auto verzorgen. U vindt ze ook in radio- en televisietoestellen, thermometers, mobiele telefoons, ze besturen een modern vliegtuig, enzovoorts.
Een aparte klasse van deze ingebouwde computersystemen zijn de
‘wegwerpcomputers’ die u op labels (RFID) of felicitatiekaarten aantreft.
Kenmerkend voor deze systemen is dat ze doorgaans één taak verrichten
met een minimum aan ondersteuning van hard- of software.
In de loop der jaren zijn computers in vele soorten en maten ontstaan.
Elke categorie computers heeft zijn eigen toepassingsgebied. De grenzen
tussen deze categorieën zijn niet altijd scherp te trekken, zoals bij super-,
mainframe-, mini- en microcomputers. Hier is het onderscheid vooral
gebaseerd op capaciteit, complexiteit, mogelijkheden, fysieke omvang en
prijs.
TABEL 1.5
Seymour Gray
Cray-1, de eerste
supercomputer
Het landschap van computersystemen (2008)
type
prijs ($)
voorbeeld van een toepassing
supercomper
computercluster
mainframe
server
personal computer
spelcomputer
microcontroller
wegwerp computers
135M
50 - 500k
5M
5k
500
200 - 400
5 - 15
0,5
simulatie atoomkernreacties
zoekmachine, simulaties
transactieverwerking in bank
websever
desktop of notebook computer
spelletjes
(huishoudelijke) apparaten
RFID, felicitatiekaarten
Supercomputers
Vandaag de dag zijn supercomputers ‘maatwerkproducten’ van de
gevestigde computerproducenten, zoals IBM en Hewlett Packard,
meestal ook voor speciale klanten. Deze machines gebruiken een groot
aantal processors gelijktijdig, hebben werk- en schijfgeheugens met
enorme omvang en zijn via zeer snelle netwerken met de gebruikers
gekoppeld. Ze worden ingezet voor rekenintensieve taken, zoals
simulatie van klimaatmodellen en weersvoorspelling, aerodynamica,
doorrekenen van moleculaire structuren voor nieuwe materialen en
medicijnen, de simulatie van botsende melkwegstelsels en
atoomkernreacties, enzovoorts. Gezien deze onderwerpen vinden we
supercomputers vooral binnen grote universiteiten en
onderzoeksinstellingen.
Een pioneer op dit gebied was Cray Research, Inc., opgericht door
Seymour Cray. Dit bedrijf produceerde in 1976 de eerste commerciële
supercomputer, de Cray-1 (figuur 1.11). In 1996 is Cray na faillissement
overgegaan naar SGI computers, dat nog steeds bestaat maar geen
dominante rol meer speelt in de markt van de supercomputers.
Veel van de ingenieurs die voor Silicon Grafics (SGI) werkten, zijn in de jaren ’90
overgestapt naar Nvidia en ATI. Deze bedrijven maken de grafische chips die de
beeldverwerking in de videokaarten verzorgen in pc’s. Later in de cursus zullen we zien
dat deze grafische chips vanwege hun enorme rekencapaciteit worden ingezet in betaalbare
desktop supercomputers.
38
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
FIGUUR 1.11
De Cray-1, de eerste commerciële supercomputer (1976)
Supercomputers worden echter steeds meer door computerclusters
vervangen.
Computerclusters
Werkstations
bespreken we
hieronder.
Serverfarm
Computerclusters
Bij een computercluster worden algemeen verkrijgbare pc’s en werkstations
via zeer snelle netwerken tot één systeem met elkaar verbonden. Het geheel wordt door speciale software bestuurd, waardoor deze afzonderlijk
machines gezamenlijk aan één probleem kunnen werken. Een rekentaak
wordt dan, net zoals bij supercomputers gebeurt, gesplitst in onafhankelijke deeltaken die door elk van de aangesloten pc’s of werkstations kan
worden uitgevoerd. Het hieruit resulterende parallellisme heeft een
cluster gemeen met een supercomputer. De resultaten van die deeltaken
worden weer geassembleerd tot het eindresultaat. Deze systemen laten
zich makkelijk opschalen, van een handvol pc’s tot in de honderden pc’s,
afhankelijk van de behoefte. Een veelvuldige toepassing van een cluster
is die van een zoekmachine. Een dergelijk cluster ontvangt per seconde
honderden verzoeken om zoekresultaten. De binnenkomende verzoeken
worden dan gedistribueerd naar de afzonderlijke servers die een
specifiek verzoek afhandelen. Een dergelijk cluster wordt ook wel een
serverfarm genoemd.
Mainframes
Mainframecomputers zijn de eerste computers die commercieel werden
toegepast. Ze hebben een plaats gekregen in de computercentra van
grote bedrijven. Nog steeds zijn deze computercentra bij grote bedrijven
te vinden. De reden dat deze kostbare machines er nog zijn, is het feit
dat het uiterst kostbaar is om de dertig jaar oude software (COBOL) en
gegevens te converteren voor gebruik op bijvoorbeeld een goedkoper
cluster. Ook kunnen mainframes zeer grote gegevensbanken hanteren.
OUN
39
De werking van computersystemen
Deze laatste eigenschap blies deze machines een nieuw leven in,
namelijk als krachtige internetserver. Deze servers zijn nodig in
bijvoorbeeld internetwinkels om de grote aantallen transacties te
hanteren en de bijbehorende enorme gegevensbanken tijdig bij te
werken.
Servers
Personal computers
en werkstations
CAD en CAM
Notebook- en
desktopmodel
40
Servers
Krachtige pc’s of werkstations worden vaak als netwerkserver ingezet
voor zowel local area netwerken, binnen één bedrijf, als op het internet
zelf. In de regel bestaat het opvoeren uit het toevoegen van gigabytes
aan werkgeheugen, terabytes aan hardeschijfruimte en snelle netwerkverbindingen. Servers worden net zoals pc’s en werkstations bestuurd
door Windows, LINUX of een dialect van UNIX. Servers vervullen
specifieke taken ten behoeve van netwerkgebruikers, bijvoorbeeld het
op verzoek uitleveren van webpagina’s.
Personal computers en werkstations
Personal computers en werkstations zijn computers voor persoonlijk
gebruik. Het onderscheid tussen pc en werkstation is voornamelijk
historisch. De pc werd voornamelijk in de kantooromgeving gebruikt
voor tekstverwerking, spreadsheets, grafische vormgeving, terwijl het
werkstation werd ingezet om ontwerpsoftware te gebruiken.
Voorbeelden van deze laatste toepassing zijn pakketten voor Computer
Aided Design (CAD), waarmee producten kunnen worden ontworpen
en later eventueel geproduceerd, door op basis van het ontwerp de
machines in de fabriek direct, zonder menselijke tussenkomst, aan te
sturen. In het laatste geval wordt er gesproken van Computer Aided
Manufacturing (CAM). Tegenwoordig is dit onderscheid tussen pc en
werkstation nagenoeg verdwenen en vinden we alleen nog verschil in
het besturingssysteem: de pc gebruikt Windows of OS en het werkstation
UNIX, LINUX of Solaris. Al verdwijnt ook dit verschil steeds meer naar de
achtergrond.
Pc’s en werkstations worden uitgevoerd als desktopmodel of als notebook.
Het verschil is de behuizing en de accenten op ontwerpbeslissingen.
Een desktopmodel heeft een apart toetsenbord, muis en beeldscherm
en het ontwerp is gericht op het gebruik op één plek. Een notebook of
laptop is gericht op mobiel gebruik waarbij toetsenbord, beeldscherm
en muis in één behuizing zijn geïntegreerd en het energiegebruik is
geoptimaliseerd. Beide worden geleverd met gigabytes
aan werkgeheugen, honderden gigabytes aan harde schijfruimte,
cd-rom/dvd-drive, multimediatoepassingen als geluidskaart, speakers
en hoge-resolutiescherm en natuurlijk met voorzieningen voor (draadloze) internettoegang.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
a
FIGUUR 1.12
Multimediatoepassingen
Subnotebook
Spelcomputer
b
De personal computer
a Desktop model
b Notebookmodel
In tegenstelling tot werkstations zijn pc’s en notebooks ook gericht
op het weergeven van multimediatoepassingen (audio, video); niet in de
laatste plaats gestimuleerd door de (permanente) internetverbindingen.
Een bijzondere vorm van een notebook is een subnotebook of netbook
die met name op de verbetering van mobiliteit is gericht. Ze worden
gekenmerkt door vooral de reductie van veel energie gebruikende
onderdelen zoals beeldscherm en processor. De reductie van het
beeldscherm leidt tot kleinere afmetingen en langer batterijgebruik.
Gebruik van een speciaal vervaardigde energiezuinige processor leidt
tot minder koeling en heeft daardoor ook een positief effect op de
gebruiksduur van de batterij, en vanwege de reductie in koeling ook
op de afmetingen en dus het gewicht. Doordat de prestatie van de
energiezuinige processor achterblijft bij de normale processor is het
netbook vooral bedoeld voor internettoepassingen.
Spelcomputers
Spelcomputers zijn computers met uitgebreide grafische en geluidsmogelijkheden door het gebruik van gespecialiseerde processoren. In
de regel kunnen ze alleen spelletjes laden en hebben ze ook ten opzichte
van pc’s minder mogelijkheden tot uitbreiding. De processoren die in
een spelcomputer gebruikt worden zijn geavanceerd. Er worden
krachtige clustercomputers gebouwd, samengesteld uit processoren
van spelcomputers vanwege de beperkte kosten in relatie met de hoge
verwerkingscapaciteit.
FIGUUR 1.13
Een spelcomputer
OUN
41
De werking van computersystemen
Het verschil tussen een pc en een spelcomputer is niet zozeer de
gebruikte processor, die in beide toepassingen qua capaciteit ongeveer
gelijk is, maar dat een spelcomputer een gesloten systeem is. Dat wil
zeggen dat de spelcomputer niet kan worden uitgebreid met extra
insteekkaarten. Ook, en dat is het belangrijkste verschil, zijn spelcomputers ontworpen en geoptimaliseerd voor één specifieke taak: het
afspelen van kwalitatief hoogwaardige, interactieve 3D-spelletjes met
bijbehorend stereo geluid van hoge kwaliteit. Al het andere is minder
belangrijk. Door de opgelegde beperkingen, zoals de afwezigheid van
harde schijven, hoge-definitiemonitoren en lagere kloksnelheden, zijn
deze computers goedkoper dan pc’s.
Embedded
systemen
Personal digital
assistants
Real time
42
Embedded systemen
Behalve de direct zichtbare en indirect toegankelijke computers zijn er
ook computers op plaatsen waar velen zich niet eens bewust zijn van de
aanwezigheid ervan. Het betreft hier de ingebouwde ofwel embedded
systemen. Het zijn computers die in consumentenproducten en vooral
mobiele telefoons zijn ingebouwd, zonder dat die daar als zodanig
zichtbaar zijn. De gebruiker van zo’n product heeft een aantal knoppen
en eventueel nog een display ter beschikking, waarmee hij het apparaat
bedient. Voordat er sprake was van embedded systemen, werden met
deze knoppen langs elektrische of mechanische weg de functies van
het apparaat gestart. Nu worden die functies gerealiseerd door een
computerprogramma, dat uitgevoerd wordt door het embedded
systeem.
Het actieve hart van een embedded systeem is de microcontroller. Het
programma in de microcontroller leest de stand van de knoppen af,
bestuurt de diverse onderdelen van het apparaat en geeft eventueel
de status door op een display. Voorbeelden van apparaten waarin
‘embedded’ processoren worden gebruikt, zijn videorecorders,
wasmachines met hun verschillende wasprogramma’s, magnetrons
met speciale kookprogramma’s en personal digital assistants (PDA). Bij
moderne toepassingen zijn deze controllers gekoppeld in netwerken
om een systeem te besturen. Bijvoorbeeld in moderne vliegtuigen - fly
by wire - waar gemakkelijk meer dan tweehonderd van deze controllers
voor de goede gang van zaken zorgen.
Het verschil tussen controllers en de processor in de pc is drieërlei. In de
eerste plaats zijn controllers extreem goedkoop en wordt er dus gewerkt
met kleine financiële marges. Een prijsverschil van enkele centen kan het
commercieel succes van een controller bepalen. Ook speelt de hoogte
van de prijs een belangrijke rol. Deze prijs kan bij grote volumes zo
laag worden dat je een computer in een wekkerradio kunt gebruiken
die zelf in de winkel niet meer dan € 9,95 mag kosten! In de tweede
plaats werken vrijwel alle controllers in real time. Dat wil zeggen dat alle
bewerkingen die de controller uitvoert aan een tijdslimiet zijn gebonden.
In de regel is deze tijdslimiet gebonden aan het verloop van de tijd; de
plek van inslag van een kogel moet zijn berekend voordat de kogel
inslaat! In de derde plaats zijn controllers onderworpen aan beperkingen
ten aanzien van afmeting, gewicht en energieverbruik, en zijn er andere
elektrische en mechanische begrenzingen.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Ondanks de hiervoor aangegeven verschillen lijken de microcontroller en de processor in
een pc op elkaar wat betreft, werking en programmering. Een microcontroller heeft echter
een lagere kloksnelheid, verwerkt uitsluitend gehele getallen, heeft geen instructies voor de
verwerking van multimedia, heeft kortere registers (8 of 16 bits) en geen caches. Daarom
hebben we in leereenheid 19 gekozen voor een goedkope microcontroller om mee te
experimenteren en een aantal fundamentele eigenschappen zichtbaar te maken.
Wegwerpcomputers
Wanneer men het criterium hanteert dat een computer over een centrale
verwerkingseenheid moet beschikken, dan zijn smart cards voorbeelden
van wergwerpcomputers. Smartcards die bijvoorbeeld voor financiële
transacties gebruikt worden, beschikken over één of meer ingebouwde
microcontrollers en kunnen grote hoeveelheden gegevens opslaan en
verwerken en kunnen complexe berekeningen uitvoeren die
bijvoorbeeld nodig zijn voor het versleutelen van boodschappen en het
verwerken van digitale handtekeningen.
Wegwerpcomputer
3
Het netwerk als computer
Door de ontwikkeling van het Internet is de vraag ontstaan of allerlei
programma’s en gegevens lokaal, dat wil zeggen op de pc zelf, moeten
worden opgeslagen en ook de berekeningen door de pc zelf moeten
worden gedaan. Een mogelijkheid is dat de berekeningen of opslag van
gegevens door gespecialiseerde service providers worden gedaan, waarbij
de pc alleen de resultaten toont en van waaruit het programma wordt
bediend. Een voorbeeld is een tekstverwerker die vanuit het netwerk
wordt aangeroepen om uw tekst te bewerken, waarna u deze tekst
lokaal of weer bij een andere service provider kunt opslaan. Voor een
andere bewerking, zoals verwerking met een spreadsheet, gaat u weer
naar een andere provider die u deze programmatuur laat gebruiken.
Deze ontwikkeling staat bekend als cloud computing Deze ontwikkeling,
zou de pc zoals we die nu kennen, eenvoudiger en goedkoper maken.
De pc zou alleen als in- en uitvoermedium functioneren. De
afhankelijkheid van derden ten aanzien van de beschikbaarheid en de
uitvoering van programmatuur stuit bij de meeste pc-gebruikers nog op
grote weerstand en ook spelen privacykwesties een rol.
Een andere ontwikkeling is een groot aantal computers via een netwerk
verbinden om een bepaalde (reken)taak te verrichten en zo een grote
supercomputer te realiseren. Een dergelijke ontwikkeling wordt grid
computing genoemd.
Cloud computing
Grid computing
SAMENVATTING
Paragraaf 1
In deze leereenheid zijn we ingegaan op het ontstaan, de ontwikkeling
en de betekenis van de hedendaagse computer. De computer als apparaat om voorgeprogrammeerde berekeningen uit te voeren, dateert van
ongeveer 1840, toen Charles Babbage de Analytical Engine uitvond. Het
duurde tot de jaren ’30-40 van de twintigste eeuw vóór de eerste elektronische computer werd uitgevonden. Namen als John Atanasoff, Alan
Turing en Konrad Zuse worden genoemd als het gaat om de concepten
OUN
43
De werking van computersystemen
van de moderne computer. De tijd van de moderne computer begint
echter pas echt met de ENIAC, ontwikkeld door John Mauchly en
J. Presper Eckert en de COLOSSUS. In de opvolger van deze machine,
de EDSAC, waaraan ook John von Neumann werkte, wordt voor het eerst
het stored-programconcept toegepast.
Het commerciële pad van de computer begint op 14 juni 1951, als de
eerste computer wordt verkocht, de UNIVAC I. De computers van de
eerste generatie (1951-1958) waren gebaseerd op elektronenbuizen.
Hierdoor waren de eerste computers groot en niet erg betrouwbaar.
Met de uitvinding van de transistor door John Bardeen en Walter
Brattain onder leiding van William Shockley kwam hier echter
verandering in. De computers van de tweede generatie (1959-1964)
werden hierdoor kleiner, goedkoper en betrouwbaarder. Nadat er
meerdere transistors op één chip konden worden gerealiseerd, werden
computers nog kleiner en goedkoper. De derde-generatiecomputers
(1965-1970) waren op IC’s gebaseerd. Met het verschijnen van de eerste
microprocessor, de Intel 4004 in 1971, wordt het mogelijk om een complete computer op één chip te realiseren. De vierde-generatiecomputers
zijn hierop gebaseerd (1971-heden). De vijfde-generatiecomputers
worden gekenmerkt door een verdergaande miniaturisering en specialisatie, zodanig dat de gebruiker veel minder zicht en invloed heeft op
de aanwezigheid van een controller in een apparaat en de functies die
deze uitvoert.
Met het voortschrijden van de halfgeleidertechnologie wordt het
mogelijk om steeds meer transistors op een chip te plaatsen. Dit besef
wordt vaak uitgedrukt in de Wet van Moore: elk jaar treedt er een
verdubbeling op van het aantal transistors per chip. De computers
worden hierdoor steeds sneller, goedkoper en kleiner en ze kunnen
steeds meer gegevens in het interne geheugen opslaan.
Paragraaf 2
44
In deze paragraaf zijn we ingegaan op de verschillende soorten
computers en hun toepassingsgebied. Computers zijn er tegenwoordig
in vele soorten, elk met hun eigen toepassingsgebied:
– supercomputers: getallenkrakers voor wetenschappelijke toepassingen,
die al hun rekencapaciteit inzetten voor het uitvoeren van één centrale
taak
– computerclusters waarin computers (servers) zijn gekoppeld in een
netwerk om een bepaalde taak uit te voeren. Zoekmachines zijn een
voorbeeld hiervan
– servers als op zich staande computers die specifieke taken ten behoeve
van netwerkgebruikers uitvoeren
– mainframes: krachtige computers voor grote instellingen en thans voor
internetwinkels worden ingezet
– pc’s en werkstations: computers bedoeld voor gebruik door een enkele
persoon
– embedded systemen die allerlei technische systemen besturen
– wegwerpcomputers, zeer goedkope computers die worden gebruikt in
SMARTcards.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
Paragraaf 3
In de laatste paragraaf zijn we ingegaan op het koppelen van computers
via een netwerk. Door hier in applicaties gebruik van te maken worden
vele diensten mogelijk die voorheen ondenkbaar waren. Voor de
gebruiker is dit vaak geheel onzichtbaar, waardoor het netwerk voor
hem de computer wordt.
ZELFTOETS
1
Beschrijf in eigen woorden de ontwikkeling van de computer, vanaf de
eerste concepten van programmeerbare machines tot aan de
hedendaagse computer. Bespreek alleen de hoofdlijnen.
2
Welke soorten computers kent u en wat zijn de typische
toepassingsgebieden van deze soorten?
OUN
45
De werking van computersystemen
TERUGKOPPELING
1
1.1
Uitwerking van de opgaven
Eens per twee dagen een storing die vijftien minuten duurde, was toen
aanvaardbaar, maar vandaag de dag volstrekt onacceptabel. Voor de
commerciële inzet moet de werking van computers veel betrouwbaarder
worden. Dat doel is ook bereikt door de toepassing van geïntegreerde
circuits, de LSI- en VLSI-chips, die zelfs gelet op hun complexiteit de
betrouwbaarheid van elektronenbuizen ver overtreffen. Een processor
met zijn miljoenen transistoren en veel hogere klokfrequenties (gelijk
aan het aantal keren schakelen per seconde) functioneert jarenlang
probleemloos.
Hier ligt waarschijnlijk de oorsprong van de opmerking ‘De computer heeft een fout
gemaakt’, die klanten nog wel eens te horen krijgen als er iets misgegaan is met een
geautomatiseerd systeem. In de tijd van de buizencomputers had dat kunnen kloppen,
tegenwoordig gaat het echter altijd om een menselijke fout in de programmatuur of de
invoer.
1.2
Uit de getallen van tabel 1.3 valt de gemiddelde groei van de prestatie
van computers af te leiden. Hiervoor wordt het absolute en relatieve
verschil in score tussen de opeenvolgende jaren bepaald.
TABEL 1.6
Prestatiegroei van werkstations in de periode 2006-2009,
absoluut en relatief
Jaar/kwartaal
score
2006/4
2007/4
2008/4
2009/2
16,6
24,2
27,8
33,2
groei t.o.v vorig jaar
(absoluut)
groei t.o.v vorig jaar
(relatief in %)
7,6
3,6
5,4
45
13
20
Zoals tabel 1.6 laat zien wisselt de relatieve groei tussen de opeenvolgende jaren nogal. Wel laat de groei tussen 2008/4 en 2009/2 weer een
sprong zien. Laten we eens aannemen dat de gemiddelde jaarlijkse groei
in score 40% per jaar zou zijn. Over een periode van drie jaar zou dan de
score 1,43 = 2,75 keer de huidige score moeten zijn. Ofwel zo rond de 90.
Gelet op het grillige verloop en de hoge aangenomen groei, is het voorstel dan tamelijk ambitieus.
2
1
46
Uitwerking van de zelftoets
Minimaal dient u aandacht te besteden aan
– Charles Babbage en de Analytical Engine omstreeks 1840
– de eerste elektronische computers in de jaren 1930 en 1940
– J. Presper Eckert en John Mauchly met de ENIAC in 1946
– John von Neumann en het stored-programconcept
– eerste generatie 1951-1958 op basis van elektronenbuizen
– tweede generatie 1959-1964 op basis van transistors
– derde generatie 1965-1970 op basis van IC’s
– vierde generatie 1971-heden op basis van microprocessoren.
OUN
Leereenheid 1 De betekenis van moderne computersystemen
2
Soorten computers zijn:
– supercomputers: getallenkrakers voor wetenschappelijke toepassingen
– computerclusters: computers die onderling in een netwerk zijn
verbonden en als geheel één taak uitvoeren, zoals bijvoorbeeld
zoekmachines op internet
– mainframes: krachtige computers voor grote instellingen en
internetwinkels
– server: computer in een netwerk die voor netwerkgebruikers een
specifieke taak uitvoert, bijvoorbeeld een mailserver
– pc of werkstation: computer voor individueel gebruik voor
kantoortoepassingen (pc) of CAD/CAM-toepassingen (werkstation)
– spelcomputer: computer voor individueel gebruik en geoptimaliseerd
voor het spelen van spelletjes
– embedded systemen als ingebouwde besturing van huishoudelijke
apparaten en technische systemen
– wegwerpcomputers toegepast in SMARTcards.
Verder lezen:
Copeland, B. Jack e.a., COLOSSUS - The secrets of Bletchly Park’s Codebreaking
Computers. Oxford University Press, 2006, ISBN 978-0-19-248055-4.
Looijen, M., Grepen uit de geschiedenis van de automatisering. Kluwer, 1992,
ISBN 90-267-1716-4.
Bogaard, A. van den, H. Lintsen, F. Veraart en O. de Wit, De eeuw van de
computer, de geschiedenis van de informatietechnologie in Nederland.
Kluwer, 2008, ISBN 9789013060072.
OUN
47