COMPUTER- ARCHITECTUUR Versie: 3.0 Datum: 05/07/2014 Auteur: Roggemans M.

Transcriptie

1 COMPUTER- ARCHITECTUUR Versie: 3.0 Datum: 05/07/2014 Auteur: Roggemans M. roggemans marc Pagina

2 Inhoudsopgave: Inhoudsopgave:... 2 Inleiding:... 7 Hoofdstuk 1 Historiek Inleiding Technologische evolutie... 8 Hoofdstuk 2 Soorten computers Inleiding Embedded & her-programmeerbare computers Administratieve toepassingen Industriële toepassingen Automotive toepassingen Info-tainment toepassingen Diverse toepassingen Hoofdstuk 3 Basisarchitectuur Inleiding Mechanisch equivalent Elektronisch blokschema Microcontroller, microprocessor of S.O.C Hoofdstuk 4 Talstelsels, codes, bits en bytes Inleiding Codes & getallen Binair, hexadecimaal en BCD ASCII codes en UNICODE Poorten De inverter (NOT) De AND gate OR gate Exclusive or gate De flip-flop Adder Hoofdstuk 5 Soorten geheugen &toepassingen Inleiding ROM PROM EPROM EEPROM FLASH RAM SRAM DRAM NVRAM FRAM & MRAM Memristor Hoofdstuk 6 Soorten I/O & toepassingen Inleiding Parallelle I/O Seriële I/O Counters / Timers / RTC roggemans marc Pagina

3 6.5 AD en DA Allerhande controllers Hoofdstuk 7 Programma, stack en interrupt Inleiding Lagere programmeertalen Hogere programmeertalen Programmaverloop jump/call Doorgeven van parameters Interrupt routines Hoofdstuk 8 Massageheugens Inleiding Floppy disk Harddisk Bandgeheugen CD DVD Hoofdstuk 9 Communicatie Inleiding Parallelle communicatie Seriële communicatie RS232: RS485: Optisch: Modems: Andere: Synchrone seriële communicatie Asynchrone seriële communicatie Aard van de verbinding Simplex Half duplex Full Duplex Topologieën Punt tot punt Bus Ster Ring Web Boom Protocol Voorbeelden LPT poort COM poort USB Ethernet WiFi Hoofdstuk 10 Besturingssystemen Inleiding BIOS of monitor DOS Windows Roggemans M. Pagina

4 Hoofdstuk 11 Systeemprestaties Inleiding Kloksnelheid Cache Pipelining FPU RISC & CISC Hyperthreading Multi processor Hoofdstuk 12 Standaard I/O componenten Inleiding Muis Toetsenbord CRT en LCD schermen Aanraakbeeldschermen Touchpad Touchstick Toekomst? Besluit Bibliografie Roggemans M. Pagina

5 Roggemans M. Pagina

6 roggemans marc Pagina

7 Inleiding: Deze cursus is geschreven voor studenten in de professionele bachelor opleiding (alle richtingen). Het is een introductie naar de vakken informatica en microprocessoren of microcontrollers. Er is geen specifieke voorkennis nodig. De cursus wordt gebruikt als leidraad tijdens een hoorcollege van 12 uur. We gaan er van uit dat extra notities vanuit de les noodzakelijk zijn om alle leerstof te kunnen verwerken. De cursus kan ook voor zelfstudie gebruikt worden. In dat geval kan het noodzakelijk zijn het www te gebruiken om bepaalde begrippen verder te verduidelijken. De cursus legt ook historische verbanden om de leerstof in de tijd te duiden. Het is niet de bedoeling om een geschiedkundig werk te produceren. Data en plaatsen zijn dus louter indicatief en moeten helpen om een beter inzicht te bekomen in (minder) recente gebeurtenissen (je kan het heden maar begrijpen als je het verleden kent, en waarschijnlijk blijft de toekomst zoals steeds onvoorspelbaar). Aangezien dit een technologie vak is (hier worden enkel begrippen en technologieën verduidelijkt die in andere vakken gebruikt worden), zal geheugenwerk noodzakelijk zijn om aan de evaluatie zinvol deel te nemen. Probeer ook in te zien en te begrijpen waarom bepaalde evoluties zich doorzetten. De beoordeling van het vak verloopt via een schriftelijk examen. De student moet een professionele oplossing kunnen aanreiken voor gerelateerde problemen. Dit houdt in (indien van toepassing) een schema opstellen, verklaren van de principiële werking en verduidelijken van gebruikte begrippen. Het is duidelijk dat een combinatie van verschillende technieken noodzakelijk kan zijn. De wijze van evaluatie is voor alle types van studiecontracten, en voor alle evaluatieperiodes dezelfde. Doorheen de cursus worden opzettelijk afbeeldingen en voorbeelden gebruikt die op het WWW te vinden zijn. Die bieden niet steeds een correcte en afdoende oplossing voor gestelde problemen. Door de uitvoerige bespreking van die voorbeelden tijdens de hoorcolleges willen we een kritische ingesteldheid aanmoedigen. Een actieve participatie aan de lessen is dan ook aanbevolen. Roggemans M. Pagina

8 Hoofdstuk 1 Historiek 1.1 Inleiding De geschiedenis van de mens start ongeveer jaar geleden (denken de wetenschappers). Stel dat je een lijn van 1km zou trekken, dan stelt elk jaar 1 millimeter voor. De geboorte van Christus is 2000 jaar geleden, of zo'n 2 meter van het einde van de lijn. De Gulden Sporenslag van 1302 (de Vlaamse feestdag) ligt op een kleine 70 centimeter van het einde van de lijn (De Chinezen kenden het buskruid toen reeds dertig centimeter!). Om de eerste stoomboot te zien varen moet je maar 20 centimeter terug gaan. Aan 12 cm heb je voldoende om de eerste gloeilamp te zien branden. 10 cm voor de eerste auto met verbrandingsmotor en het eerste vliegtuig. Voor de raket moet je maar 5 cm terug. Die laatste 5 cm komt overeen met 50 jaar. In die periode ontstaan zowat alle belangrijke elektronische toestellen en uitvindingen. Enkele mijlpalen in de geschiedenis van de elektronica worden hieronder vermeld. 1.2 Technologische evolutie De uitvinding van de elektronenbuis (uitgevonden in 1904 door Sir Ambrose Fleming (en dus 10 cm terug)) markeert de start van een nieuw tijdperk (figuur 1.2.1). Figuur Elektronenbuis van Sir Ambrose Fleming Roggemans M. Pagina

9 De transistor in 1947 (door William Schockley, Brattain en Bardeen) verhoogt de betrouwbaarheid en verlaagt het volume en stroomverbruik (figuur 1.2.2) Figuur De transistor (W. Schockley, Brattain & Bardeen) De microchip in 1958 (door Jack St. Clair Kilbey) is de start van de miniaturisatie, en toenemende complexiteit (figuur 1.2.3) Figuur De microchip (St. Clair Kilbey) Roggemans M. Pagina

10 Deze uitvindingen hebben het uitzicht en de inzetbaarheid van computers drastisch veranderd, maar zijn niet verantwoordelijk voor het ontstaan ervan. In onderstaande tekst geven we een chronologisch overzicht van de computer in de evolutie. In de dertiende eeuw gebruikt men in China het telraam (nu trouwens nog, en ook elders) (figuur 1.2.4). Figuur Telraam In 1623 Maakt Wilhelm Schickard de calculating clock, de eerste rekenmachine (figuur 1.2.5). Figuur W. Schickard Roggemans M. Pagina

11 In 1642 doet Blaise Pascal een poging met de niet erg betrouwbare Pascaline (figuur 1.2.6). Figuur De Pascaline De arithmometer van de Fransman Thomas was het eerste commerciële toestel. Het werd in 1820 op de markt gebracht (er zijn 1500 toestellen verkocht)(figuur 1.2.7). Figuur Arithmometer van Thomas Roggemans M. Pagina

12 Het probleem met bovenstaande machines was de onmogelijkheid om opeenvolgende bewerkingen uit te voeren. De sturing van een weefgetouw (figuur 1.2.8), ontworpen door Basil Bouchon kon met ponskaarten bediend worden. Hierin vinden we de fundamentele onderdelen terug van de moderne computer (1725). Dit systeem werd verder aangepast door Vaucanson (1745) en uiteindelijk door Jacquard in Figuur Weefgetouw Het idee om ponskaarten te gebruiken werd door Charles Babbage (1830) gebruikt om zijn Analythical Engine te bouwen (figuur 1.2.9). Figuur Analythical Engine C. Babbage Roggemans M. Pagina

13 De machine heeft nooit praktische toepassingen gekend. Een variant werd door Scheutz op de markt gebracht in De machine kan bit getallen per minuut bewerken (figuur ). Figuur Versie Scheutz Felt's comptograph is een optel machine met ingebouwde printer?! (figuur 1,2,11). Figuur Felt s comptograph Roggemans M. Pagina

14 Herman Hollerith gebruikte de ponskaarten als techniek om in 1890 zijn telmachine te bouwen die gebruikt werd tijdens de volkstelling in de Verenigde Staten (figuur ). Figuur Hollerith systeem met ponskaarten Roggemans M. Pagina

15 Figuur Hollerith systeem met ponskaarten Van worden mechanische rekenmachines op grote schaal geïntroduceerd. In 1919 publiceren W.H. Eccles en F.W. Jordan een artikel over hoe een flipflop gebouwd kan worden (figuur ). Dit laat toe om 1 bit aan informatie op te slaan. Figuur Opbouw van een Flip-Flop Roggemans M. Pagina

16 George Stibitz bouwt tussen 1937 en 1940 de eerste elektromechanische computer ooit. Het model K (omdat het thuis op de keukentafel geboren werd) wordt in onderstaande figuur (1.2.14) weergegeven. De machine bestaat uit 450 relais, en kan het quotiënt van 2 8 bit getallen in 30 seconden berekenen. De machine gebruikt een teletype voor input en output. Hiermee was het ook de eerste "computer" met bediening op afstand. Figuur Model K van Stibitz WO2 heeft voor gevolg dat de technische evolutie versneld wordt. Door buizen te gebruiken i.p.v. relais worden computers sneller. In de U.S.A., Engeland en Duitsland worden bijna gelijktijdig nieuwe machines ontworpen. Sommige worden te laat vrijgegeven om een commercieel succes te kunnen worden. Roggemans M. Pagina

17 In de periode van 1939 tot 1942 maak Konrad Zuse verschillende computers die nooit door het Duitse leger gebruikt zullen worden (wegens geen directe bijdrage tot de oorlogsvoering zo dacht men). In de periode tussen 1949 en 1969 bouwde zijn bedrijf 250 computers (figuur ). Figuur Computer van Konrad Zuse Roggemans M. Pagina

18 In de Verenigde Staten (1944) wordt de Harvard Mark 1 ontworpen door IBM (figuur ). Het toestel weegt 5 ton en bevat ongeveer componenten. Hij is in staat om in 0.3 seconden een optelling uit te voeren. Voor een vermenigvuldiging zijn er 6 seconden nodig. De computer bestaat hoofdzakelijk uit (elektro)mechanische onderdelen. Figuur Harvard Mark I De computer bleef in gebruik tot Hij was gemiddeld 1 keer per week defect. Roggemans M. Pagina

19 De ENIAC ( ) was de eerste volledig elektronische computer (figuur ). Hij bevatte buizen, woog 30 ton en nam 72 vierkante meter in beslag. Het opgenomen vermogen was 200kW. Voor een optelling was 200uS nodig, voor een vermenigvuldiging 6mS. Het apparaat was niet erg betrouwbaar en leverde maar 20% juiste resultaten. (Atanasoff en Berry leverden de inspiratie, Eckert en Mauchly waren de bouwers). Figuur Eniac Roggemans M. Pagina

20 In Engeland wordt de Colossus (figuur ) gebouwd door Tommy Flowers (1944). Het apparaat werd in het grootste geheim gebruikt door het leger voor het decoderen van geheime boodschappen. De computer gebruikt parallel processing technieken. Figuur Colossus Roggemans M. Pagina

21 In de jaren na de oorlog volgen de ontwerpen elkaar op. Lampen worden vervangen door transitoren, en vanaf de jaren 1970 door geïntegreerde schakelingen. De introductie van de home computer zorgt er voor dat de computer niet enkel voor bedrijven betaalbaar is. Onderstaande computers zijn hier enkele voorbeelden van. 1977: TANDY TRS-80 (4-16kRAM, kostprijs 600$ (Z80 CPU)) 1977: APPLE2 (4-64kRAM, kostprijs 700$) 1980: SINCLAIR ZX80 (4k ROM, 1k RAM (ZW TV als scherm)) Roggemans M. Pagina

22 1984: IBM PC (64k RAM, 64k ROM, 8088 CPU) 1986: APPLE MACINTOSH (1Mbyte RAM 128kROM. 16 bit processor) Na de introductie van de 16 bit processoren zijn de rekenkracht en de grafische mogelijkheden steeds verder uitgebouwd. De PC wordt ook gebruikt voor ontspanning en multi media. Intel opteerde om zijn 8086 familie steeds verder uit te bouwen. Op volgende blz. zie je de evolutie van de Intel processoren. We zouden dit verhaal ook voor andere CPU s kunnen herhalen (68000, MIPS, ARM, ). De x86 is wel de meest gebruikte voor PC s. 1971: Intel invents microprocessor 4004 kloksnelheid:108khz 4 bit processor 2300 transistors 640 bytes geheugen maximaal 1972: 8008 introduced kloksnelheid:200khz 8 bit processor Roggemans M. Pagina

23 3500 transistors 16kbyte maximaal geheugen 1975: 8080 introduced kloksnelheid:2mhz 8 bit processor 4500 transistors 64kbyte maximaal geheugen 1978: 8086 introduced kloksnelheid:5-10mhz 16 bit processor transistors 1Mbyte maximaal geheugen 1980: IBM selects 8088 as basis for IBM PC 8088 is 8-bit external bus version of : 8087 floating point coprocessor adds 60 floating point instructions 80 bit floating point registers uses hybrid stack/register scheme 1982: introduced 24-bit address memory mapping & protection kloksnelheid:6-12.5mhz 16 bit processor transistors 16Mbyte maximaal geheugen 1985: introduced 32-bit address 32-bit GP registers kloksnelheid:16-33mhz 32 bit processor transistors 4Gbyte maximaal geheugen 1989: introduced kloksnelheid:16-33mhz 32 bit processor transistors 4Gbyte maximaal geheugen 1992: Pentium introduced kloksnelheid:60-66mhz Roggemans M. Pagina

24 32 bit processor transistors 4Gbyte maximaal geheugen 1995: Pentium Pro introduced kloksnelheid: mhz 32 bit processor transistors 64Gbyte maximaal geheugen 1996: Pentium with MMX extensions 57 new instructions Primarily for multimedia applications 1997: Pentium II (Pentium Pro with MMX) 1999: Pentium III Introduced Supports Intel s Internet Streaming SIMD technology Additional multimedia instructions Four 32-bit floating point operations in parallel Average, absolute difference, packed maximum/minimum Useful in speech recognition, video encoding/decoding 2000: Intanium introduced Release of IA-64 (RISC-like) architecture Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC) 128-bit bundle with three instructions and a template 128 general purpose registers and 128 floating point registers Done by a partnership between HP and Intel Able to run both UNIX and Microsoft windows 2004: Pentium 4 Prescott Clock speeds starting at 3.4GHz, 3.2GHz, 3GHz, and 2.8GHz New.09 micron "Strained SI" manufacturing process Improved Hyperthreading Technology 1MB on chip, Full Speed L2 Cache Increased 16KB L1 Data Cache Streaming SIMD Extensions - SSE2 and 13 new SSE3 Instructions 31 stage "Hyper Pipelined" Technology for extremely high clock speeds 800MHz "Quad Pumped" Front Side Bus Rapid Execution Engine - ALU clocked at 2X frequency of core 128bit Floating Point/Multimedia unit Roggemans M. Pagina

25 Intel "NetBurst" micro-architecture Supported by the Intel i875p and i865g chipsets, with Hyperthreading support Intel MMX media enhancement technology Memory cacheability up to 4 GB of addressable memory space and system memory scalability up to 64 GB of physical memory V operating voltage range Watts max power dissipation Transistor count: 125 million Die size: 112 mm 2 Intel architecture was due to the desire for backward compatibility Highly irregular architecture Over 50 million sold per year Figuur Intel core i7 In figuur is een in 2014 actuele Intel processor afgebeeld. Dit zijn enkele gegevens van de chip: Product information: Intel Core i7-4930x processor Extreme Edition 3.4 GHz core speed Up to 3.9 GHz with Intel Turbo Boost Technology 6 cores and 12 processing threads with Intel Hyper-Threading Technology 12 MB Intel Smart Cache 5 Giga bit per second memory transfer rate (GT/s) 22nm manufacturing process technology 1150-land LGA package Tenslotte nog een foto van de 4004 (figuur ) en de p4 van INTEL (figuur ). Roggemans M. Pagina

26 Figuur Intel 4004 processor Roggemans M. Pagina

27 Figuur Intel P4 processor Roggemans M. Pagina

28 Hoofdstuk 2 Soorten computers 2.1 Inleiding Computers bestaan er in verschillende uitvoeringsvormen, gaande van een silicium chip overdekt met epoxy hars (figuur 2.1.1), tot een PCB met tientallen geïntegreerde schakelingen (IC s) en connectoren voor verdere uitbereiding (figuur 2.1.2). Figuur Chip op CB, afscherming epoxy hars Figuur PCB met individuele componenten Roggemans M. Pagina

29 Het toepassingsgebied is heel divers. Van eenvoudige toepassingen zoals speelgoed (figuur 2.1.3) tot systemen om gegevens van radiotelescopen te verwerken (figuur 2.1.4). Figuur Speelgoed Figuur Computer voor bewerken gegevens radiotelescoop Roggemans M. Pagina

30 (De meetlat gaat per 10 cm (de hoogte is dus 65 cm)) Het gebruik van een programmeerbare bouwsteen laat toe om met standaard hardware een waaier aan toepassingen te bouwen. Door het programma aan te passen kan een nieuwe functionaliteit bekomen worden. 2.2 Embedded & her-programmeerbare computers Bij de beschrijving van computers komt de term embedded regelmatig voor. Het woordenboekje geeft als letterlijke vertaling: insluiten, vastzetten in. Embedded computers zitten als het ware begraven in een toepassing. De computer is er dus een integraal onderdeel van. Het is niet de bedoeling om het toestel een andere toepassing te geven. Als voorbeeld kan je een GSM nemen. Dit toestel bevat meerdere computers die verschillende taken uitvoeren: besturing van het beeldscherm en het toetsenbord, verzorgen van de communicatie met de zendmast, het omzetten van de digitale signalen naar audio en of visuele communicatie. Het is niet de bedoeling dat gebruiker het toestel van nieuwe programmatuur zal voorzien, zodat het bvb. een motorsturing wordt. Bij een PC is dit wel het geval. Het toestel is speciaal ontworpen om veelvuldig van taak te veranderen. Je kan er zelf ook een programma voor schrijven. 2.3 Administratieve toepassingen In administratieve toepassingen (figuur 2.3.1) vinden we zowel embedded systemen als her-programmeerbare computers terug. In hulptoestellen zoals scanners, printers, de computermuis, het klavier, vinden we embedded computers terug. De PC is een voorbeeld van een her-programmeerbaar systeem. Figuur Administratieve toepassingen Roggemans M. Pagina

31 2.4 Industriële toepassingen In industriële omgeving wordt er veel belang gehecht aan betrouwbaarheid van besturingssystemen. (Let op, een frituur is voor ons ook een industriële omgeving. We zouden beter kunnen spreken over een productie en of controle omgeving). De PLC (Programmable Logic Controller) wordt in bedrijven gebruikt voor het sturen van machines (figuur 2.4.1). Het toestel is heel betrouwbaar, zowel op hardware als software gebied. De fabrikanten garanderen dat ze gedurende lange tijd onderdelen blijven produceren. Figuur PLC Er bestaan ook heel kleine uitvoeringen die geschikt zijn voor kleinschalige toepassingen zoals de LOGO van Siemens (figuur 2.4.2). Figuur LOGO van Siemens Roggemans M. Pagina

32 Eenvoudige (bvb. temperatuur) regelaar of een intelligente sensor is ook een industriële toepassing (figuur 2.4.3). Figuur Temperatuurregelaar 2.5 Automotive toepassingen Automotive toepassingen hebben te maken met alles wat mobiel is. Deze categorie kan verder onderverdeeld worden in luchtvaart, ruimtevaart, voertuigen en militaire toepassingen. Dit type van toepassingen moet aan strengere voorwaarden voldoen dan industriële toepassingen. Vooral de mechanische belastingen, klimatologische omstandigheden en eventuele straling zijn veel ingrijpender. Onderstaande afbeeldingen (figuur 2.5.1) geven enkele toepassingen weer: Figuur Automotive toepassingen Roggemans M. Pagina

33 Figuur Automotive toepassingen 2.6 Info-tainment toepassingen Tenslotte is er de groep van computertoepassingen voor informatie verwerking of entertainment. Zowat alle audio visuele toepassingen vallen hieronder. Ook een GSM (figuur 2.6.2), GPS, en andere persoonlijke elektronica zoals spelconsoles (figuur 2.6.1). Figuur Spelconsole NINTENDO Roggemans M. Pagina

34 2.7 Diverse toepassingen Figuur GSM Tenslotte al die toepassingen die we over het hoofd zien zoals: vaatwassers, microgolf ovens, koffiezet apparaten, radio gestuurde uurwerken, polsuurwerken, automatisch antwoordapparaat, meettoestellen,.. Roggemans M. Pagina

35 Hoofdstuk 3 Basisarchitectuur 3.1 Inleiding Computers kunnen op verschillende manieren opgebouwd worden. Afhankelijk van de toepassing wordt er meer aandacht geschonken aan bepaalde mogelijkheden van de computer. In allemaal vinden we echter dezelfde fundamentele onderdelen terug: een geheugen voor het bewaren van programma en constanten (ROM) een geheugen voor het bewaren van variabelen (RAM) verschillende mogelijkheden om gegevens in te voeren of naar buiten te sturen (wordt Input Output of I/O genoemd) een centrale verwerkingseenheid die het programma kan uitvoeren en als gevolg daarvan berekeningen uitvoert met getallen (CPU of central processing unit) een blokgolf generator met een bepaalde frequentie die ook de werksnelheid van de computer is (de klok) een opstart circuit dat alle componenten in een gekende toestand brengt alvorens de computer het programma mag uitvoeren (POR of power on reset) de elektrische bedrading die de verschillende onderdelen met elkaar verbinden (de bussen) en de mechanische drager van verbindingen en componenten (PCB of printed circuit board) een voedingssysteem om het geheel van energie te voorzien (power supply) 3.2 Mechanisch equivalent In de figuren en zijn afbeeldingen opgenomen van een weefgetouw (ontwerp Jacquard) en een pianorol. Dit zijn de eerste mechanische computers. Ze maken gebruik van ponsband voor het opslaan van een programma. Een CPU leest het programma, en via pneumatische of mechanische actie wordt de informatie omgezet in een reeks bewerkingen. Het geheel wordt door een motor (klok) aangedreven. Omdat deze apparaten geen gegevens kunnen opslaan, en eigenlijk geen berekeningen uitvoeren, kan je het moeilijk computers noemen. Input kan eventueel wel voorzien worden. Eigenlijk zijn het automaten, zoals je ze wel eens kan terugvinden in wasmachines (figuur 3.2.3). roggemans marc Pagina

36 Figuur Mechanisch equivalent computer=weefgetouw Jacquard Figuur 3.2 Mechanisch uitlezen van geheugen (pianorol) Roggemans M. Pagina

37 Figuur Mechanische automaat wasmachine 3.3 Elektronisch blokschema Door de mechanische onderdelen te vervangen door elektronische onderdelen met een principiële gelijkaardige functie wordt een systeem bekomen dat (relatief) geen snelheidsbeperkingen meer heeft. Hierdoor wordt het takenpakket uitgebreid. Door de miniaturisatie van elektronische componenten kan de functionaliteit uitgebreid worden. Deze overgang is vergelijkbaar met de overstap van hout, als voornaamste grondstof voor werktuigen, naar ijzer. Een volgende technologische revolutie zal waarschijnlijk ingeluid worden met het gebruik van licht als drager van informatie. In figuur is een vereenvoudigd blokschema van een computer weergegeven. In de volgende lessen zullen we een volledig model uitwerken. Figuur is een voorbeeld van een praktische realisatie van een computer. In de pagina s die daar op volgen is het schema van de betrokken computer weergegeven. In de verdere hoofdstukken zullen de verschillende onderdelen uitvoeriger aan bod komen. Merk op dat in nieuwere computersystemen het aantal verbindingen drastisch toeneemt. Het eigenlijke blokschema blijft grotendeels hetzelfde. Roggemans M. Pagina

38 Figuur Eenvoudig blokschema computer Figuur Praktisch voorbeeld computer Roggemans M. Pagina

39 Roggemans M. Pagina

40 Roggemans M. Pagina

41 3.4 Microcontroller, microprocessor of S.O.C Wanneer de elementen uit het blokschema als afzonderlijke componenten op een PCB de computer vormen, dan noemen we dat een microprocessor systeem. Wanneer de CPU samen met het geheugen en de I/O in een component zit, wordt de term microcontroller gebruikt. Figuur geeft het blokschema van een populaire microcontroller: Figuur ADuC832 microcontroller Een S.O.C. of System On Chip is vergelijkbaar met een microcontroller. Het verschil tussen beide is vooral een software aangelegenheid. In figuur geven we een globaal blokdiagram dat toepasbaar is op een willekeurig computer systeem. Roggemans M. Pagina

42 Figuur Blokschema computer systeem Roggemans M. Pagina

43 Hoofdstuk 4 Talstelsels, codes, bits en bytes 4.1 Inleiding Inwendig in een computer worden maar twee spanningen gebruikt, 0V en de voedingsspanning. Omdat de voedingsspanning afhankelijk is van de gebruikte technologie (meestal 5 of 3.3 Volt) wordt die met een 1 aangeduid. Voor de 0V gebruiken we gewoonweg een 0. Op die manier hoeven we geen rekening te houden met de hardware van het systeem. Elke draad of geheugenplaats kan alleen een 0 of een 1 dragen. Dit elementaire gegevenselement noemen we een bit (binary digit). Uit het blokschema kunnen we afleiden dat groepen van geleiders meerdere bits gelijktijdig gaan transporteren. Inwendig in de componenten worden meerdere bits ook samen als een gegevenselement opgeslagen. Zijn het 4 bits samen, dan spreken we van een nibble. Acht bits of twee nibbles vormen een byte (by eight). Een word bestaat uit meerdere bytes. Hier wordt de definitie vaag. Gebruikelijk bestaat een word uit 16 bits, en een long word uit 32. Sommige microprocessoren werken voornamelijk met 32 bits, en noemen dat dan een word. Niet alleen informatie zit in de computer onder de vorm van bits, bytes en woorden, maar ook alle controlesignalen hebben deze voorstelling. Om de werking van een computer te begrijpen is het dan ook noodzakelijk om goed te begrijpen wat de betekenis van de gegevens is, en hoe het systeem er mee omgaat. 4.2 Codes & getallen Niet alle getallen hebben een numerische waarde. Zo kan 2015 het saldo zijn van uw bankrekening. In dat geval heeft een numerische betekenis. Je kan 2015 keer 1 euro uitgeven. Het kan ook de PIN code van uw bankkaart zijn. In dat geval heeft het numerisch geen enkele betekenis. Het is een code. Helaas gebruiken we wel getallen om de code voor te stellen. Als we niet weten waarvoor de getallen gebruikt gaan worden, kunnen we er ook geen betekenis aan toekennen. In een computer doet zich een gelijkaardig probleem voor. De complexiteit zal nog toenemen omdat we ook verschillende talstelsels door elkaar gebruiken. Het roggemans marc Pagina

44 programma (de programmeur) moet daarom goed weten hoe de hardware in elkaar zit en wat het probleem is dat hij moet oplossen. 4.3 Binair, hexadecimaal en BCD Alle getallen zitten in de computer in binaire vorm (figuur 4.3.1), als een reeks van eentjes en nullen. Afhankelijk van de rekencapaciteit van de CPU per 8 of 16 of 32 of. Figuur Binaire weergave van getallen In deze cursus gaan we er van uit dat de rekencapaciteit van de CPU 8 bits of 1 byte is. Alle mogelijke waarden van die byte staan in onderstaande tabel: In totaal zijn er 256 mogelijkheden (2**8). Deze voorstelling (want eigenlijk zouden we voor elke bit de spanning moeten noteren die op die lijn of in dat Roggemans M. Pagina

45 geheugenelement zit) wordt de binaire voorstelling genoemd. Omdat deze schrijfwijze communicatief problemen geeft, werd een andere voorstelling bedacht. Per 4 bits (nibble) wordt een cijfer of een letter gebruikt: A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F De rechter kolom wordt de hexadecimale voorstelling genoemd omdat er 16 mogelijke toestanden zijn. De voorstelling 3C = Omdat er mogelijk vergissingen kunnen optreden tussen de voorstellingen wordt een achtervoegsel b (binair)of h (hexadecimaal) gebruikt: 3Ch = b. De gebruikte letters (zowel voor het hexadecimale getal, als voor het achtervoegsel) kunnen zowel in hoofdletters als kleine letters genoteerd worden. Beide voorstellingen kunnen gebruikt worden voor getallen of codes. Je kan maar weten wat de betekenis van een reeks 1en en 0en is als je weet hoe ze door de CPU verwerkt gaan worden. Een computerprogramma bestaat uit een reeks van codes. Die codes worden door de CPU uitgevoerd (geïnterpreteerd als opdrachten). Ook getallen hebben die voorstelling. Als we geen voorzorgen nemen kan de CPU niet weten wanneer het instructies zijn of wanneer getallen, met ongekende gevolgen (een blauw scherm zegt U niets?). Wanneer het duidelijk is welke voorstelling gebruikt wordt, kunnen de achtervoegsels weggelaten worden (wat we echt niet aanraden!!). Als we er van uit gaan dat we getallen voorstellen, zijn er verschillende talstelsels mogelijk. In het binaire talstelsel is de getalwaarde van elke bit afhankelijk van zijn positie in de byte. 101b = 1* * *2 0 = b = 1* * * * * * * *2 0 = 157 Roggemans M. Pagina

46 Als de hexadecimale voorstelling gebruikt werd, moet je in principe eerst naar de binaire voorstelling. Vanuit de hexadecimale voorstelling kan je ook rechtstreeks omrekenen. 3Ch = 3*16+C*1 = 48d + 12d = 60d Het is duidelijk dat onze decimale getallen omgerekend moeten worden naar de binaire voorstelling alvorens de CPU er berekeningen kan op uitvoeren. Als de uitkomst gekend is moet het binaire resultaat opnieuw omgezet worden naar de decimale voorstelling. Afhankelijk van de toepassing kunnen die omrekeningen vermeden worden. In dat geval zullen de getallen in BCD (Binary Coded Decimal) notatie opgeslagen worden. In onderstaande tabel staan de bitpatronen die toegelaten zijn voor BCD getallen. Zolang we de 4 bits afzonderlijk gebruiken, is er geen verschil tussen de numerische waarde van het binaire en het BCD getal. Maar in een byte kan de getalwaarde ernstig verschillen: 99h = b = 153d Indien we niet weten wat het gebruikte talstelsel is loopt het grondig mis. Zo is 99h+1 = 9Ah en bij een BCD voorstelling moet dat 100 worden. Binair hex BCD A B C D E F - Roggemans M. Pagina

47 Onderstaande tabel is een deel van de instructieset van een CPU. Merk op dat de instructies ook bestaan uit binaire codes. Adres code label mnemonic operand 0000 org 00000h FF mov a,#0ffh loop1: add a,#001h jc loop ljmp loop loop: mov a,#000h 000B ljmp loop1 De getallen in de kolom Adres en code staan in de hexadecimale waarde. 4.4 ASCII codes en UNICODE In veel toepassingen worden er tekstbestanden verwerkt. Elk symbool moet in het geheugen van computer opgeslagen kunnen worden. Je kan dit grafisch doen door een matrix van x*y bit te voorzien. Een letter bestaat dan uit meerdere bytes informatie (zie figuur 4.4.1): Figuur Grafische voorstelling van een letter in een matrix Dit neemt veel geheugen in beslag. Er is immers per beeldpunt 1 bit nodig. Als er een intensiteit en een kleur per bit moet zijn, wordt dat 3 bytes per beeldpunt (RGB). Het is veel eenvoudiger om de bitmap van alle symbolen in het geheugen van de computer op te slaan. Elke bitmap krijgt een unieke code toegewezen. Het volstaat nu om die unieke codes op te slaan in een bestand. Als de gegevens naar het scherm gestuurd worden, zullen ze vervangen worden door hun respectievelijke bitmap. Die codes worden de ASCII codes genoemd. Ze zijn in onderstaande tabel opgenomen. Roggemans M. Pagina

48 * A B C D E F 0 NU SO STX ETX EO EN AC C BEL BS TAB LF VT FF L H T Q K R SO SI 1 DLE DC DC DC DC NA SY ETB CA SU ES G EM FS K N N B C S RS US 2! " # $ % & ' ( ) * +, -. / : ; < = >? A B C D E F G H I J K L M N O 5 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ 6 ` a b c d e F g h i j k l m n o 7 p q r s t u V w x y z { } ~ De tabel bevat niet alleen codes voor symbolen, maar ook commando s voor een I/O apparaat. Wanneer je een tekst aanmaakt, zullen in een bestand alleen de codes van de symbolen waaruit de tekst bestaat opgeslagen worden (per karakter 1 byte). Allen bij het visualiseren of afdrukken worden die codes omgezet naar de bijhorende bitmaps. Omdat een moderne PC over gans de wereld toepasbaar moet zijn, of symbolen uit andere landen moet kunnen weergeven, zijn er onvoldoende ASCII codes (256). Om dit op te vangen werd vanaf 1988 de UNICODE ingevoerd. Dit codesysteem gebruikt codes van meerdere bytes. Meer informatie kan je terugvinden op De ASCII code set is een subset van de UNICODE. Programma s die UNICODE gebruiken kunnen dus ook bestanden in ASCII code verwerken. Omgekeerd is dat niet het geval. 4.5 Poorten Poorten zijn elektronische schakelingen die elementaire logische bewerkingen kunnen uitvoeren op bits. In een computer worden een logische 0 en een logische 1 voorgesteld door een spanning van 0 Volt en X Volt. X is afhankelijk van de gebruikte technologie. Vroeger was X=5 Volt, nu kan dat ook een lagere spanning zijn (0,8V). Voor elke bit moet er in de computer een aparte draad gebruikt worden. Daardoor krijg je al vlug een massa verbindingen om de data te transporteren tussen de verschillende onderdelen. De poorten worden dan gebruikt om elementaire bewerkingen uit te voeren tussen die bits. Men kan aantonen dat combinaties van die elementaire bewerkingen kunnen gebruikt worden om complexe berekeningen uit te voeren. Zo kan je een vermenigvuldiging als een reeks van optellingen bekijken. De elementaire bewerkingen worden ook in programmeertalen (zoals in een PLC of PC) gebruikt. Roggemans M. Pagina

49 4.5.1 De inverter (NOT) Een invertor (NOT poort) (figuur ) zal het niveau van een bit inverteren: 0 1 en 1 0 De linkse afbeelding is het elektrisch schema van de poort, de rechtse afbeelding is de grafische weergave van een kant en klaar IC. Figuur Inverter (NOT poort) I.P.V poort wordt ook dikwijls de naam GATE gebruikt De AND gate Een AND gate is een poort die 2 ingangen heeft en een uitgang. Wanneer beide ingangen op 1 staan, zal de uitgang ook de waarde 1 aannemen. In alle andere gevallen zal de uitgang 0 blijven. Je kan dit ook in een zin formuleren: Als ingang a en ingang b beide 1 zijn, zal de uitgang ook 1 zijn. Als ingang a en ingang b NIET beide 1 zijn, zal de uitgang 0 zijn In figuur is het symbool van een en-poort opgenomen, alsook de waarheidstabel. Die geeft de relatie tussen ingangen en uitgangen weer in een tabel. Hierdoor krijg je vlug een overzicht van de toestanden waarin de poort zich kan bevinden. Roggemans M. Pagina

50 Figuur AND gate (en poort) OR gate In figuur staan de gegevens van een of-poort. Hier zal de uitgang 1 zijn wanneer ingang a OF ingang b gelijk is aan 1. Met combinaties van deze en de twee voorgaande poorten kunnen andere functies gemaakt worden. Enkele hiervan worden in de volgende paragrafen bondig besproken. Roggemans M. Pagina

51 Figuur OR gate Exclusive or gate Figuur Excusieve of poort Roggemans M. Pagina

52 4.5.5 De flip-flop De flip-flop (figuur ) is een schakeling met een geheugen functie. Een aangelegd signaal aan de D-klem wordt met een puls op de CLK klem in de schakeling opgeslagen, en blijft aan de Q uitgang beschikbaar, ook wanneer het signaal aan de D-klem een andere waarde krijgt. Op dit principe is het cache geheugen van een PC gebaseerd (zie later SRAM). Figuur De Flip-Flop Adder In figuur is het schema van een optel-schakeling weergegeven. Hoe het werkt is in deze context niet belangrijk. We willen enkel aantonen dat je met fundamentele schakelingen complexere functies kan maken. Zo bestaan er ook schakelingen voor de ander 3 hoofdbewerkingen (-, x, /). Je kan er ook bouwen voor sin, cos,. Roggemans M. Pagina

53 Figuur bit adder Roggemans M. Pagina

54 Hoofdstuk 5 Soorten geheugen &toepassingen 5.1 Inleiding Het geheugen in een computer wordt gebruikt om data en programma vast te houden. Data zijn de gegevens die door een programma bewerkt worden (verzamelen, visualiseren, aanmaken). Het programma bestaat uit een reeks van opdrachten die door de CPU uitgevoerd kunnen worden. Beide soorten gegevens worden als bytes opgeslagen. Geheugens kunnen in twee grote groepen worden opgesplitst. Er zijn geheugens die hun gegevens verliezen bij het uitschakelen van de spanning (volatile memory), andere behouden hun inhoud zodat na het inschakelen van de spanning de gegevens terug beschikbaar zijn (non volatile memory). Bij het inschakelen van de computer moet er een programma in het geheugen zitten. Dit verklaart waarom er steeds ROM (Read Only Memory) aanwezig is. Dit type geheugen is non volatile. De computer start dus ALTIJD op met een programma in het geheugen. Mocht dat niet het geval zijn, voort de CPU willekeurige opdrachten uit, met onvoorspelbare gevolgen. Omdat er altijd wel variabelen zijn die door het programma aangepast worden is RAM (Random Access Memory) onmisbaar. Dit type geheugen kan door de CPU geschreven en gelezen worden. Het vormt het werkgeheugen van de computer. Er bestaan echter verschillende soorten ROM en RAM, die afhankelijk van de toepassing in aanmerking komen om toegepast te worden. Het bouwen van geheugen is niet eenvoudig. De eerste vormen van mechanisch geheugen zijn ponskaarten. Het al of niet aanwezig zijn van een gaatje bepaald welke data er opgeslagen wordt. Computers gebruiken geheugen dat gegevens opslaat onder de vorm van magneetvelden, elektronen of de toestand van een schakeling (geleiden of sperren). In figuur zie je een afbelding van een magnetic core memory. De gegevens worden op minuscule ferrietkernen opgeslagen als magneetvelden. Dit type geheugen gebruikt hetzelfde principe als een harde schijf. roggemans marc Pagina

55 Figuur Magnetic core memory 5.2 ROM ROM geheugen is exact wat zijn naam aangeeft: Read Only Memory. Het kan enkel gelezen worden. Hoe kan je er dan data in krijgen? Een eerste mogelijkheid is bij de productie van het IC. De schakelingen worden zo opgebouwd dat de gegevens vast liggen. Figuur geeft een wafer weer. Dit is een schijf silicium waarop de schakelingen zijn aangebracht. Deze wafer wordt versneden tot meerdere dies of schijfjes. Die worden dan in een verpakking geplaatst en het IC is klaar. Omdat het productieproces aangepast moet worden afhankelijk van de data in het IC, kan je deze technologie maar gebruiken wanneer je duizenden IC s nodig hebt met dezelfde info. Bij elke herziening van die gegevens zijn de andere schakelingen onbruikbaar. In het voorbeeldschema kan je de benamingen van de klemmen van het IC nagaan. Naast een adresbus, databus en voedingsklemmen zijn er controlesignalen aanwezig. Bij een ROM chip is dat enkel een CS en een RD lijn. De notering met een lijntje erboven of een # teken na de benaming van het signaal geeft aan dat het over een actief laag signaal gaat. Roggemans M. Pagina

56 Figuur Een silicium chip PROM Bij de PROM (Programmable Read Only Memory) worden op elke bitpositie zekeringen geplaatst (figuur ). Bij het programmeren worden de zekeringen opgeblazen. Hierdoor kunnen de IC s op grote schaal gemaakt worden zonder dat ze gegevens bevatten, waardoor de kostprijs laag blijft. De gebruiker heeft geen minimale hoeveelheden meer aan te kopen. De gegevens worden last minute in de chip geprogrammeerd. Roggemans M. Pagina

57 Figuur Fuse in een PROM chip Om de IC s te programmeren wordt een device programmer gebruikt (figuur ). Figuur Device programmer EPROM Een PROM geheugen kan niet gewist worden. Het is dus niet herprogrammeerbaar. Een EPROM (Erasable Read Only Memory) kan met UV licht gewist worden (figuur ). Om dit mogelijk te maken wordt het IC voorzien van een venster. Het programmeren gebeurt op een analoge manier als bij de PROM. Om het IC te wissen is een UV lichtbron nodig (figuur ). Dit UV licht is erg schadelijk voor ons, zodat de lichtbron in een gesloten behuizing geplaatst wordt. Met een timer wordt de belichtingstijd ingesteld. Roggemans M. Pagina

58 Figuur EPROM Figuur UV lichtbron voor het wissen van geheugen IC s Het element dat gebruikt wordt om de informatie op te slaan is een floating gate MOSFET (figuur ). Figuur Floating gate geheugencel Roggemans M. Pagina

59 Er bestaan ook EPROM IC s in een plastic behuizing zonder venster. Hierdoor kan je ze niet meer wissen. De goedkope verpakking maakt ze een alternatief voor de PROM. Ze worden verkocht als OTPROM (One Time Programmable Read Only Memory), en hebben de fuse PROM van de markt verdrongen EEPROM De EPROM heeft twee belangrijke nadelen. De kostprijs van de verpakking maakt het IC relatief duur (keramisch materiaal). Bovendien is het niet mogelijk om het IC inwendig in de computer te herprogrammeren (bvb. een BIOS update in een PC) (tenzij je een UV lamp in de computer zou monteren ). Een EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory) werkt analoog als een EPROM. Alleen wordt er geen UV licht gebruikt bij het wissen, maar kan dat elektrisch gebeuren. Hierdoor is het mogelijk om het IC inwendig in de computer te herprogrammeren. Je zal dus voorzorgen moeten nemen om te voorkomen dat dit per ongeluk gebeurt. Door de goedkopere behuizing kan de prijs omlaag. Een EEPROM blijft echter relatief duur omdat er heel wat silicium nodig is om elke geheugenplaats afzonderlijk te kunnen wissen en te programmeren FLASH Om de kostprijs per bit te drukken kan je de wis-elektronica vereenvoudigen. Hierdoor wordt het geheugen sector wisbaar. Een sector of pagina (page) is een verzameling van meerdere bytes. Hierdoor komt er silicium vrij voor extra geheugenopslag. De capaciteit van FLASH geheugens is meestal erg groot (enkele Mbyte tot Gbyte). Hierdoor krijgen de verpakkingen veel aansluitingen, zoals in figuur wordt weergegeven. Figuur FLASH geheugen IC Roggemans M. Pagina

60 5.3 RAM RAM is een soort geheugen dat onbeperkt gelezen en geschreven kan worden. De informatie wordt opgeslagen door de toestand van een halfgeleider schakeling. Na het inschakelen van de voedingsspanning is de toestand van de halfgeleiders onbekend. Het geheugen is dus vluchtig. De bovenstaande geheugens hebben allemaal een beperkte levenscyclus. Je kan ze maar een beperkt aantal keer wissen en herprogrammeren (tussen de en keer). Hierdoor zijn ze niet geschikt als werkgeheugen van de computer. De CPU zal variabelen in het werkgeheugen tot miljoenen keer per seconde manipuleren SRAM RAM (Random Access Memory) is vluchtig, maar kan door zijn constructie onbeperkt gelezen of geschreven worden. Een betere naam zou schrijf/lees geheugen zijn. De SRAM (Static RAM) bestaat uit flip flop schakelingen (figuur ). Figuur Flip-flop schakeling Om deze schakeling te bouwen zijn meerdere transistoren nodig. Onderstaand equivalent schema is dat van een RS flip flop (figuur ). Voor een D flip flop komt dar nog een invertor bij. De flip flop zal de data vasthouden zolang er spanning aanwezig is. Bij het inschakelen van de voeding bevat de flip flop willekeurige data. Roggemans M. Pagina

61 Figuur Equivalent schema RS flip-flop DRAM DRAM (Dynamic RAM) gebruikt condensatoren om informatie op te slaan (figuur ). Hierdoor wordt er per bit minder silicium gebruikt. Figuur DRAM Roggemans M. Pagina

62 Dit geheugen is goedkoper dan SRAM, of bevat meer data voor dezelfde prijs. Een nadeel is wel dat het geheugen na enkele milliseconden zijn informatie verliest. Dit wordt voorkomen door het geheugen te refreshen. Er is een minimale geheugen capaciteit voordat het gebruik van DRAM economisch verantwoord is. Die grens is echter afhankelijk van economische omstandigheden. Wanner DRAM gebruikt wordt is bijkomende refresh logica noodzakelijk NVRAM Een belangrijk nadeel van RAM geheugen is het vluchtige karakter. In sommige toepassingen willen we niet dat de inhoud van het geheugen verloren gaat als de spanning uitgeschakeld wordt (dataloggers, instellingen van machines, ). Om dit te voorkomen kunnen we een batterij gebruiken om bepaalde delen van de computer onder spanning te houden. Bij een NVRAM (Non Volatile RAM) zit die batterij in het IC verwerkt (figuur ). Soms wordt ook een supercap gebruikt. Dat is een condensator van enkele Farad. Dit type geheugen is relatief duur en zal enkel gebruikt worden als het noodzakelijk is. Figuur NVRAM met inwendige batterij Het andere alternatief is battery back up waarbij de batterij niet in het IC zit (figuur ). Figuur Battery back up met externe/interne batterij Roggemans M. Pagina

63 5.3.4 FRAM & MRAM FRAM (Ferroelectric RAM) maakt gebruik van een capaciteit om een bit informatie op te slaan (vergelijkbaar met DRAM). Door echter een diëlectricum te gebruiken dat, niet vluchtig, polariseerbaar is krijgt die condensator een vaste lading. Door te meten hoeveel lading er nodig is om de condensator in een gekende toestand te brengen, kan de vorige toestand herkend worden. Het uitschakelen van de spanning verandert niets aan de toestand van het diëlectricum, zodat het ook een niet vluchtig geheugen is (figuur ). Figuur Inwendige opbouw FRAM Ondanks de naam van het geheugen heeft het niets met ijzer te maken. Ferroelectric slaat op de karakteristiek van het diëlectricum met betrekking op polarisatie, die overeenkomt met die van ijzer voor magnetisme. Het schrijven en lezen naar dit type geheugen kan heel snel, en er is principe geen beperking op het aantal keer dat je informatie kan lezen of schrijven. Fabrikanten zoals RAMTRON geven een levenscyclus van operaties op. Roggemans M. Pagina

64 MRAM (Magnetic RAM) werkt met een magnetiseerbaar materiaal in het IC (figuur ). Figuur Inwendige opbouw MRAM Memristor De Memristor (Memory Resistor) is een component die informatie kan opslaan door een wijziging van zijn eigenschappen. Dit verschijnsel werkt enkel op nanoschaal. Meer gedetailleerde informatie is beschikbaar via het internet. Roggemans M. Pagina

65 Hoofdstuk 6 Soorten I/O & toepassingen 6.1 Inleiding Een computer heeft weinig zin als er geen gegevens kunnen uitgewisseld worden met de omgeving. Gegevens hoeven niet steeds bestanden te zijn. Het kan ook gaan over het inlezen van schakelaars, aansturen van LED s of het opslaan van data op een harde schijf. Er bestaan vele soorten van I/O die bovendien aangepast worden aan de toepassing. Zo zal het schakelen van een ABS-ventiel anders gebeuren dan het schakelen van een hoogspanningslijn. Het begrip interface slaat soms op de schakeling die de 0 en 1 waarden van het digitale systeem moet omzetten naar de gewenste grootheden voor de omgeving (een LED is een interface die stroom omzet naar licht). Soms wordt een interface ook gebruikt als omschrijving van de schakeling die de signalen van de CPU omzet naar een specifieke I/O vorm. Zo zal een seriële interface de parallelle signalen van de CPU omvormen naar seriële signalen. De I/O vormen die wij hier bespreken behoren tot die laatste categorie. De interface van de eerste categorie behoort thuis in de cursussen analoge elektronica, vermogen elektronica en digitale technieken. 6.2 Parallelle I/O Parallelle I/O wordt gebruikt om meerdere ingangen of uitgangen gelijktijdig aan te sturen. Meestal worden poorten van 8 bits gebruikt (historische redenen). In het geval van output schrijft de CPU een byte data naar een adres. Op die plaats zit een elektronische schakeling die de data zal vasthouden (onthouden) en door geeft als spanning naar de buitenwereld. In de eenvoudigste vorm wordt hiervoor een latch gebruikt (figuur 6.2.1). Wordt een buffer gebruikt tussen het ingangssignaal en de CPU, dan kan de CPU door de buffer te activeren data inlezen (figuur 6.2.2). In figuur zijn beide componenten verbonden met een CPU. Er wordt een decodering toegepast op de adreslijnen om de betreffende (74HC574 en 74HC541) I/O componenten te activeren. In figuur zie je de opbouw van de decoder. Deze schakeling zal je in hedendaagse ontwerpen niet meer terug vinden. Een ontwerper zal gebruik maken van programmeerbare I/O bouwstenen. Die laten toe om te bepalen welke klemmen als input, en welke klemmen als output gebruikt gaan worden. In het hoofdstuk over datacommunicatie wordt ook de noodzaak van interrupts en handshake lijnen besproken. Roggemans M. Pagina

66 Figuur bit latch 74HC574 Figuur bit buffer 74HC541 Roggemans M. Pagina

67 Figuur Voorbeeld I/O met decoder Figuur HC138 decoder Roggemans M. Pagina

68 In figuur is een standaard parallelle I/O bouwsteen opgenomen. Als voorbeeld werd een Z80 PIO gebruikt. De eerste figuur geeft een blokschema van de inwendige componenten. De tweede figuur geeft de aansluitingen weer. Figuur Z80 PIO Nieuwere componenten hebben een hogere pincount, en zullen meerdere I/O functies groeperen. Bij een microcontroller (figuur 6.2.6) zijn alle klemmen in eerste instantie parallelle poorten. Door de instellingen in de chip aan te passen kunnen de klemmen ook voor andere functies gebruikt worden. Roggemans M. Pagina

69 Figuur Aansluitingen van een XC888 microcontroller 6.3 Seriële I/O Bij het gebruik van parallelle I/O treden er elektrische problemen op als de gegevens over grote afstanden moeten verplaatst worden (meer dan 1.5m). De voornaamste oorzaak hiervan zijn de elektrische karakteristieken van de gebruikte poort elektronica. Bovendien maakt het grote aantal geleiders de kabels en connectoren duur en onhandelbaar. Door de bits na elkaar te versturen kan een byte in de tijd verschoven door 1 draad verzonden worden. Er wordt een kloksignaal over een tweede draad verstuurd, zodat de ontvanger weet wanneer de bits beschikbaar zijn. Dit is de meest eenvoudige vorm van synchrone seriële communicatie (figuur 6.3.1). Figuur Synchrone seriële communicatie In het hoofdstuk over datacommunicatie worden verschillende systemen van dataoverdracht verder besproken. Roggemans M. Pagina

70 Een PC beschikt over meerdere seriële poorten: COM, USB, ETHERNET,. 6.4 Counters / Timers / RTC Counters zijn hardware tellers. Die kunnen gebruikt worden om externe signalen te tellen. Hierdoor is er voor die tel-operatie geen programma nodig. Als de counter gebruikt wordt voor het tellen van een signaal met een gekende frequentie, dan wordt de term timer gebruikt (er wordt tijd afgepast). Een voorbeeld van een 8051 microcontroller timer/counter is opgenomen in figuur Timers worden dikwijls gebruikt om de CPU op bepaalde tijdsintervallen een andere taak te laten uitvoeren. Figuur timer/counter Met de schakelaar C/T wordt het ingangssignaal voor de teller gekozen. Is de waarde van C/T=1 dan wordt een ingangssignaal op klem P3.4 geteld (counter werking). Is de waarde van C/T=0 dan wordt de systeemklok geteld (en dus wordt er tijd afgepast) en spreekt men van timer werking. Dergelijke counters en timers worden gebruikt om o.a.: Toerental van een motor te meten ABS systemen Kilometer teller Frequentie meting Meten van tijdsintervallen Roggemans M. Pagina

71 Een RTC (Real Time Clock) is ook een timer, maar telt de tijd in uren, minuten, seconden enz. In figuren (discrete component) en (inwendig in een controller) kan je de opbouw van een RTC zien. Figuur RTC (real time clock) Figuur RTC als onderdeel van een microcontroller Roggemans M. Pagina

72 Een batterij zal voorkomen dat bij het uitschakelen van de PC de tijdsinformatie verloren gaat. 6.5 AD en DA De meeste signalen in de reële wereld zijn analoog. Er zijn een oneindig aantal variaties mogelijk. Inwendig in de computer kunnen we maar met discrete getallen werken (bvb. 8bit). Een analoog signaal wordt daarom eerst naar een digitale waarde omgezet (figuur 6.5.1). Figuur Digitaliseren van een analoog signaal Die digitale waarde kan dan bewerkt worden, en terug naar een analoog signaal omgezet (figuur 6.5.2). Figuur Digitale bewerkingen op een analoog signaal De digitalisatie gebeurt met een AD (Analog to Digital) convertor. Het genereren van een analoog signaal gebeurt via een DA (Digital to Analog) convertor. Afhankelijk van Roggemans M. Pagina

73 de toepassing zal een ander type omvormer gebruikt worden. In figuur en staan een SAR ADC en een DAC met weerstandsnetwerk weergegeven. Figuur SAR ADC Figuur DAC met weerstanden Roggemans M. Pagina

74 6.6 Allerhande controllers Een computer gebruikt een divers gamma aan randapparatuur. Sommige van de randapparaten zijn erg complex. Om te vermijden dat de CPU hier veel tijd zou aan besteden worden ze via een controller aangestuurd. Een beeldscherm (CRT of TFT) is hier een voorbeeld van. De controller beschikt over voldoende geheugen om een beeld op te slaan. Het omzetten van die informatie naar een weergave op het scherm wordt door de controller uitgevoerd, zonder tussenkomst van de CPU. In sommige gevallen kan de controller ook bewerkingen op de informatie uitvoeren. Gamers gebruiken dan ook speciale controllers (3D accelerators) (figuur 6.6.1). Figuur Grafische kaart (CRT controller) Roggemans M. Pagina

75 Ook de harde schijf en DVD lezer behoren tot de complexe I/O en beschikken over eigen controllers. Die zitten op de elektronische schakeling van het betreffende medium (figuur 6.6.2). Figuur Controller op een harde schijf Roggemans M. Pagina

76 Hoofdstuk 7 Programma, stack en interrupt 7.1 Inleiding Het tastbare bestanddeel van een computer is de hardware. Het is uiteindelijk de software die zal bepalen wat de computer doet. De software (programma), bestaat uit een lijst van opdrachten (instructies) die in het geheugen opgeslagen zitten. Een hardware mechanisme zal na het resetten van de computer een eerste instructie ophalen en naar de CPU transporteren. Afhankelijk van de ingelezen code wordt een opdracht uitgevoerd. Het aantal mogelijke opdrachten is relatief beperkt: data op een adres lezen data op een adres wegschrijven een bewerking uitvoeren op een getal (+, -, *, /, AND, OR, XOR, ) naar een andere plaats in het programma springen (al of niet na een test) een subroutine (procedure, functie) opstarten en beëindigen Een programmeur moet de hardware dan ook heel goed kennen om te weten waar welke data mag opgeslagen worden. Het besturen van de I/O gebeurt ook door het lezen en schrijven van data op I/O adressen. Ook al deze componenten moeten gekend zijn. Een programma is dan ook gebonden aan een bepaald soort hardware. Een Intel CPU (standaard PC) gebruikt andere codes dan een Atmel. Niet elk type PC is inwendig op dezelfde manier opgebouwd. De syntax die gebruikt wordt om een programma te schrijven noemen we een programmeertaal. 7.2 Lagere programmeertalen Machinetaal bestaat uit uitvoerbare codes. Er is dus geen enkele vertaling nodig om het programma uitvoerbaar te maken. In onderstaande tabel zie je een voorbeeld van een programma in machinetaal. In de eerste kolom staat het adres waar de code in het geheugen van de computer moet staan. De tweede kolom is de code die door de CPU uitgevoerd moet worden. De waarden staan in hexadecimale notatie, eigenlijk zouden we de binaire notatie moeten gebruiken. Adres code FF B Roggemans M. Pagina

77 Merk op dat in ons voorbeeld elk geheugenadres 1 byte data kan bevatten. Op adres 0000h zal de byte 74h staan. Op adres 0001h staat de byte FFh, op 0002h staat 24h etc. Als je op die manier een computer programmeert, moet je over een apparaat beschikken dat toelaat rechtstreeks in het geheugen de machinecodes te plaatsen. Bij het schrijven van het programma moet je bovendien weten wat de betekenis is van elke machinecode (welke actie de CPU zal uitvoeren) Omdat dit niet leesbaar (onthoudbaar) is worden menmonics gebruikt. Dit zijn verkorte omschrijvingen van wat een instructie voor de CPU betekend. Adres code label mnemonic operand FF mov a,#0ffh loop1: add a,#001h jc loop ljmp loop loop: mov a,#000h 000B ljmp loop1 Het programma wordt nu wel leesbaar (mov=verplaats, add=+, jc=jump if Carry, ljmp=long jump). De lijst met mnemonics wordt assembly language genoemd (machinetaal). Deze taal is voor een programmeur eenvoudiger in gebruik dan de uitvoerbare codes. Een assembler is een hulpprogramma dat de lijst met mnemonics omzet in een lijst met codes. (vroeger werd dat met de hand uitgevoerd via tabellen). Assembly of machinetaal worden lagere talen genoemd, omdat er een eenduidig verband is tussen de opdracht en wat de CPU zal doen. Je kan deze taal maar gebruiken als je de hardware 100% beheerst. Deze taal is heel krachtig, omdat er geen enkele controle is op de opdrachten die je door de CPU laat uitvoeren. Lagere talen kan je moeilijk gebruiken op grote systemen, omdat de hardware complex is, en er bovendien interactie is met andere programma s in de computer. 7.3 Hogere programmeertalen Een hogere programmeertaal bestaat uit een syntax die dichter aanleunt bij de manier waarop mensen een probleem omschrijven. Je hoeft als programmeur niet te weten hoe de computer inwendig werkt. Sommige hogere talen werken zelfs grafisch (o.a. Flowcode en Labview) Bij een hogere taal zal een compiler of interpreter de opdrachten in het programma omzetten in codes die door de CPU uitgevoerd kunnen worden. Een compiler zal het gehele programma in een keer omzetten. De uitvoerbare code (*.exe) wordt in de computer opgeslagen. Roggemans M. Pagina

78 Bij een interpreter wordt de broncode (het programma zoals het door de programmeur is geschreven) in het geheugen geladen. De interpreter zal dan lijn per lijn het programma vertalen en uitvoeren. Het is duidelijk dat een gecompileerd programma sneller uitgevoerd zal worden. In de verdere tekst gebruiken we een compiler als voorbeeld. Het verhaal is analoog voor een interpreter. Door een compiler te gebruiken moet de programmeur de hardware niet meer grondig kennen. De taal die hij kan gebruiken leunt dichter aan bij onze leefwereld. De compiler is gemaakt voor een bepaald type computer. Op een PC moet een andere compiler gebruikt worden dan op een Mac, de taal kan volledig identiek blijven (de compiler is immers zelf een programma dat door de CPU uitgevoerd moet worden). De compiler moet ook rekening houden met eventuele andere software in het systeem. Als voorbeeld het assembly programma met daaronder het BASIC equivalent. ASSEMBLY : BASIC : Adres code label mnemonic operand FF mov a,#0ffh loop1: add a,#001h jc loop ljmp loop loop: mov a,#000h 000B ljmp loop1 Lijnnummer opdracht 10 a = a = a if a = 256 goto 40 else a = 0 50 goto 20 Bij het programmeren in een hogere taal zal de compiler er ook op toezien dat je het systeem niet in gevaar brengt. Je moet dus braaf zijn of de vertaling wordt afgebroken. Programmeurs die systeemsoftware schrijven (XP, Windows) willen echter alle mogelijkheden open laten. Zij gebruiken daarom de C taal. Deze taal zit in het midden tussen assembly en een hogere taal. Het gevaar bestaat wel dat je brokken zal maken (systeem dat vastloopt). Er wordt van C ook wel eens gezegd dat de taal de programmeur genoeg touw geeft om zich op te hangen. Assembly laat de programmeur ook nog toe om het stoeltje weg te duwen. Roggemans M. Pagina

79 7.4 Programmaverloop jump/call Een belangrijk onderdeel van elke programmeertaal zijn de mogelijkheden om het programmaverloop te veranderen. We onderscheiden twee manieren om dat te doen. Je kan die manieren vergelijken met bungee springen (figuur 7.4.1). De CALL De JUMP Figuur Vergelijking tussen jump en call Het oproepen van een procedure (subroutine) gebeurt met een call functie. Het is de bedoeling dat het programma terugkeert naar de plaats waar de functie opgeroepen is. Bij de jump of sprong is het de bedoeling het programma elders verder te zetten. De PC (Program Counter of adresteller) is een register dat door de CPU gebruikt wordt om te onthouden waar hij in het geheugen instructies aan het uitvoeren is. Bij het resetten wordt deze teller met het startadres van het geheugen geladen (hier moet een programma staan!). De jump instructie zal de program counter laden met het geheugenadres van de volgende uit te voeren instructie (figuur 7.4.2). Roggemans M. Pagina

80 1233 Bla bla bla 1234 Jump hier gaan we verder Figuur Werking van de jump instructie 1233 Bla bla bla 1234 Call return adres voor call 1236 Call return adres voor call 2000 hier gaan we verder 2xxx return 3000 Return adres stackpointer Figuur Werking van de call instructie Roggemans M. Pagina

81 Bij de call zal er een mechanisme (elastiek) moeten bestaan zodat de CPU kan bepalen van waar het aanroepen van de procedure werd uitgevoerd. Om dit mogelijk te maken moet de RETURN instructie gebruikt worden, en zal een deel van het geheugen als STACK ruimte gebruikt worden (figuur 7.4.3). De STACKPOINTER is een register dat door de CPU gebruikt wordt om bij te houden waar de stack zich bevindt. Het opzetten van dit stack systeem moet in een lagere taal door de programmeur in het programma voorzien worden. Bij het doorgeven van parameters wordt dikwijls de stack gebruikt. Omdat met de stack heel voorzichtig moet omgesprongen worden, loopt het hier dikwijls mis in een programma. In onderstaand voorbeeld is er een stack voorzien vanaf De stackpointer wordt met deze waarde geladen. Bij een call wordt het return adres in de stack weggeschreven. Voor de eerste call zal dat 1235 zijn, voor de tweede call Na wegschrijven op het adres in de stackpointer van het return adres wordt de stackpointer aangepast. Het is dus mogelijk om subroutines te nesten. De return instructie leest het return adres van de stack en schrijft het in de program counter. Zo weet de CPU waar hij verder moet gaan. 7.5 Doorgeven van parameters Bij het gebruik van functies (subroutines) zal in de meeste gevallen de functie een input en een output hebben. Stel dat je HALLO! op het scherm zal afdrukken dan heb je een print functie nodig. De input is de tekst HALLO!, de output zijn de karakters op het scherm. Print HALLO! zou de syntax kunnen zijn van het commando in de hogere programmeertaal. HALLO! is dan de parameter die aan de functie doorgegeven moeten worden. Er zijn verschillende manieren om een parameter door te geven: In de CPU registers. Elke CPU heeft een aantal inwendige geheugenplaatsen om berekeningen uit te voeren. Je kan met instructies de parameter(s) daar in laden. De functie kan dan zo geschreven zijn dat ze weet welke registers de parameter(s) bevatten. Helaas is het aantal registers in een CPU beperkt. Door de parameter(s) in geheugenplaatsen te stoppen en dan het startadres in een CPU register te laden. Door de parameter(s) op de stack te schrijven. Roggemans M. Pagina

82 7.6 Interrupt routines Figuur Interrupt bij mensen Een CPU voert instructies sequentieel uit. Elke instructie heeft een bepaalde uitvoeringstijd. Als een programma uit 1000 instructies bestaat, en elke instructie duurt 1 microseconde, dan zal de CPU 1 milliseconde nodig hebben om het programma uit te voeren. Als de CPU moet reageren op een extern signaal, dan zijn er twee manieren om dat op te vangen: Polling is een systeem waarbij er in het programma instructies zijn opgenomen die de betreffende input zullen opvragen en testen. Als gebeurtenissen zich na korte tijd herhalen, bestaat het gevaar dat de CPU nog niet opnieuw dat deel van het programma uitvoert dat de ingang test. Er kunnen dan gebeurtenissen verloren gaan. Interrupt is een systeem waarbij een hardware schakeling de CPU zal verwittigen dat de gebeurtenis heeft plaatsgehad, en dat bijhorende software moet uitgevoerd worden. De CPU start dan een interruptroutine op die de gebeurtenis zal verwerken. Je kan een interrupt het best vergelijken met een hardware geactiveerde call instructie. Op deze manier kan de CPU binnen de microseconde reageren op een gebeurtenis. Uiteindelijk zal dit systeem onze computer sneller maken. De CPU hoeft geen tijd meer te gebruiken om gebeurtenissen af te vragen. Roggemans M. Pagina

83 Hoofdstuk 8 Massageheugens 8.1 Inleiding Geheugen is een fundamenteel onderdeel van een computer. Hoe groter het geheugen, hoe meer informatie beschikbaar is in het apparaat. Hoeveel geheugen is veel? Deze vraag is erg tijdsgebonden. Mijn eerste computersysteem beschikte over 4000 bytes ROM, en 2000 bytes RAM. Nooit vol gekregen. Computers evolueren, net zoals de toepassingen waarvoor ze gebruikt worden. Door de evolutie in halfgeleider technologie kan voor dezelfde prijs steeds meer geheugen aangeboden worden. Helaas blijven halfgeleidergeheugens in prijs per bit relatief hoog. Daarom worden andere systemen gebruikt om bestanden op te slaan. Het gaat hier niet over werkgeheugen, maar opslagmedia voor informatie die beschikbaar moet zijn. In dit hoofdstuk beperken we ons tot magnetische en optische media. Flash geheugen wordt ook als massageheugen toegepast, maar de capaciteit blijft relatief beperkt. Het belangrijkste voordeel van massageheugen is de lage prijs per bit. Het belangrijkste nadeel is de snelheid waarmee de CPU informatie uit dit type geheugen kan opvragen. In dit hoofdstuk worden ook types van massageheugen behandeld die niet meer gebruikt worden. Dit doen we enkel om aan te tonen dat ook hier er een geleidelijke evolutie is geweest. 8.2 Floppy disk De floppy disk werd in 1971 op de markt gebracht door IBM. Onder leiding van Alan Shugart werd de 8 duim floppy ontwikkeld om informatie te kunnen opladen op harddisk drives. Het kreeg de naam floppy omdat het een flexibel geheel was. De opslagcapaciteit bedroeg ongeveer bytes (0,1 Mega Byte). In 1976 Werd door Alan Shugart voor WANG een 5 ¼ duim uitvoering gemaakt voor een homecomputer van WANG. In 1981 introduceerde SONY de 3 ½ duim uitvoering (figuur 8,2,1). De capaciteit van de 8 drive werd nog opgevoerd tot 1.6 mega byte. Voor de 5.25 drive is dat 1.2 mega byte en op de 3.5 drive kan 1.44 mega byte aan informatie opgeslagen worden. Een floppy is een kunststof film bedekt met een magnetische laag. Een lees/schrijf kop wordt gebruikt om magnetische informatie op te slaan en te lezen (figuur 8.2.2). Roggemans M. Pagina

84 Figuur Vergelijking tussen floppy diskettes Figuur Mechanische opbouw van een floppy drive De koppen komen in contact met het magnetische medium (figuur 8.2.3). Hierdoor moet de rotatiesnelheid laag blijven, en zal het medium verslijten. Het voordeel van deze constructie is dan weer dat stofdeeltjes de werking niet beïnvloeden. Roggemans M. Pagina

85 Figuur Lees/schrijf koppen op een floppy disk In nieuwe computers wordt geen floppy meer gebruikt. Een flash stick (figuur 8.2.4) met een capaciteit van 1 Giga Byte vervangt dus 700 floppy s. Figuur USB-stick 8.3 Harddisk De harddisk is een verdere ontwikkeling van de Magnetic drum (figuur 8.3.1). Die werd in 1953 door IBM ontwikkeld en op de markt gebracht. Het toestel kan 2000 woorden aan informatie opslaan. In onderstaande figuren kan je de werking achterhalen. Roggemans M. Pagina

86 Figuur Magnetic drum Roggemans M. Pagina

87 In 1956 komt brengt IBM een computer op de markt die schijven gebruikt. De opslagcapaciteit is 5 mega byte (figuur 8.3.2). Roggemans M. Pagina

88 Figuur IBM computer met 5MB HD capaciteit Figuur Lees/schrijfkop per harde schijf Roggemans M. Pagina

89 Figuur laat duidelijk zien dat er in de beginfase maar een set koppen gebruikt werd voor de vele schijven, wat de toegang traag maakt. In figuur kan je zien dat er per schijf koppen gebruikt worden. Bij de harde schijf zweven de koppen boven het medium. In de eerste modellen werd er perslucht gebruikt om de kop te laten zweven. Bij latere modellen gaat de kop automatisch zweven boven de schijf (zoals een blad papier dat je boven een tafel beweegt). Figuur laat de HDD zien zoals die vele jaren gebruikt werd. Figuur HD unit Het systeem van grote HD-units wordt nog steeds gebruikt voor bedrijven. In figuur staat een moderne drive van HP met zijns specificaties afgebeeld. Roggemans M. Pagina

90 Figuur HP HD Roggemans M. Pagina

91 Na een verdere miniaturisatie krijg je de HDD zoals we die nu kennen (figuur 8.3.6). Figuur Moderne HD Het werkingsprincipe wordt in figuur verduidelijkt. Wanneer je het vergelijkt met de werking van de floppy, blijkt hoe gelijklopend beide principes zijn. Het belangrijkste verschil is dat de koppen de HD niet raken, bij de floppy is dat wel het geval. Hierdoor kan het medium sneller draaien, en is de data ook sneller toegankelijk. Bovendien is er geen slijtage, waardoor het medium langer meegaat. Door de geometrie van de koppen kleiner te maken kan er bovendien meer data op eenzelfde oppervlakte opgeslagen worden. Figuur Principiële werking HD Roggemans M. Pagina

92 Figuur geeft schematisch weer hoe de data op de schijf weggeschreven wordt: Figuur Verdeling van de HD in tracks en sectoren Uiteindelijk zijn de verschillen tussen een harde schijf en een floppy fundamenteel miniem. Een harde schijf is wel veel gevoeliger voor mechanische trillingen. Hierdoor kan het luchtkussen tussen de schijf en de kop (figuur 8.3.9) verdwijnen met een crash voor gevolg. Figuur Luchtkussen tussen HD en lees/schrijf kop 8.4 Bandgeheugen Bandgeheugen kan je best vergelijken met een floppy. Er is een flexibele drager waarop een magnetiseerbaar materiaal is aangebracht. Figuur laat een wat ouder model zien. De technologie wordt nog altijd aangeboden (figuur 8.4.2). Roggemans M. Pagina

93 Figuur Tape memory Figuur HP tape memory Roggemans M. Pagina

94 8.5 CD In de jaren 196x kwam James Russel op het idee om muziek op te slaan en weer te geven met behulp van licht. In 1970 had hij een patent klaar voor een toestel dat met optische schijven werkte. In 1985 had hij reeds 26 patenten met betrekking tot CD- ROM technologie. Aanvankelijk bleken weinig bedrijven interesse te tonen in zijn ontwerp. Vanaf 1982 Zijn Philips en SONY de grote ontwikkelaars van apparatuur. Figuur laat de principiële werking zien. Een meer gedetailleerde werking zie je in figuur Figuur laat zien hoe de data op de CD opgeslagen wordt. Figuur Optisch systeem CD Roggemans M. Pagina

95 Figuur detail optisch systeem CD Figuur Data op een CD Roggemans M. Pagina

96 Figuur geeft de relatie tussen digitale informatie en het putjespatroon. Figuur Relatie tussen data en optisch patroon Putjes en land (geen putje) geven een andere lichtintensiteit (figuur 8.5.5). Figuur Relatie lichtintensiteit en pit/land verhouding Roggemans M. Pagina

97 Ten slotte nog even het inwendige van een drive in figuur Figuur Inwendige van een CD drive Vanaf 1988 wordt er werk gemaakt van schrijfbare CD s (figuur 8.5.7). Figuur RW CD s Roggemans M. Pagina

98 Het (her)schrijven van de CD kan alleen wanneer de laser op twee vermogens gebruikt kan worden. Voor het schrijven (wissen) is een hoger vermogen nodig. De CD wordt niet verdeeld in sectoren en tracks zoals bij de HD, maar als een spiraal. De spiraal maakt ongeveer omwentelingen en heeft een totale lengte van 4,5 km. 8.6 DVD De DVD verschijnt in 1996 op de markt. De technologie verloopt analoog aan die van de CD. De golflengte van de laser verkleint, zodat de geometrie van de putjes en de afstanden tussen de sporen kleiner worden. Informatie wordt ook op twee diepten aangebracht (zelfs dubbelzijdig) waardoor de totale capaciteit toeneemt. De volgende stap is het gebruik van blauwe lasers. Hierdoor neemt de capaciteit verder toe (27 giga byte per laag). Roggemans M. Pagina

99 Hoofdstuk 9 Communicatie 9.1 Inleiding In dit hoofdstuk komt de communicatie tussen computers onderling of hun randapparaten aan bod. Aangezien randapparaten ook een vorm van computer bevatten, gaat het steeds over inter-computer communicatie (communicatie tussen computers). Die communicatie beperkt zich niet alleen tot data (zoals bij het surfen op het internet), maar kan ook betrekking hebben op multi-processing, waarbij meerdere computers samen een probleem oplossen. Dit hoofdstuk zal zich beperken tot enkele fundamentele begrippen met betrekking tot datacommunicatie. (Meestal is Roggemans M. Pagina

100 het eenvoudiger om met meerdere computers 1 probleem op te lossen, dan met 1 computer meerdere problemen). 9.2 Parallelle communicatie Deze vorm van communicatie is het logische gevolg van de PIO mogelijkheden van een computer. Over 8 draden zal informatie uitgewisseld worden. Omdat er synchronisatie tussen de twee apparaten noodzakelijk is, worden handshake lijnen voorzien (figuur 9.2.1). Hierdoor zullen er minimaal 10 (8+2) draden gebruikt worden. Tenslotte is er een massadraad nodig als spanningsreferentie. Figuur Handshake signalen bij PIO Wil men over dezelfde draden in twee richtingen communiceren, dan zullen meer handshake signalen nodig zijn. Deze vorm van communicatie heeft dezelfde nadelen als de PIO: beperking in afstand, dikke kabels, grote connectoren. Deze communicatie zal meestal TTL specificaties gebruiken (figuur 9.2.2). Door de beperkte ruisniveau s kan het vlug mislopen. Figuur TTL specificaties voor signalen Roggemans M. Pagina

101 Daarnaast zijn er ook de capacitieve, resistieve en inductieve effecten van de geleiders (figuur 9.2.3). Figuur RLC gedrag geleiders De elektrische karakteristieken van geleiders zijn verantwoordelijk voor het vervormen van de signalen die overgedragen worden. Je kan hieraan verhelpen door de signalen zelf aan te passen (hogere spanningen gebruiken, stroom sturen i.p.v. spanning, modulatietechnieken). Op parallelle communicatie wordt dat niet toegepast omdat dit per geleider zou moeten gebeuren, wat opnieuw (gelet op het grote aantal geleiders) geen goede zaak zou zijn. 9.3 Seriële communicatie Figuur Parallelle en seriële communicatie Roggemans M. Pagina

102 Zoals bij seriële I/O reeds vermeld, zijn er verschillende voordelen verbonden aan seriële communicatie. Je merkt dadelijk dat het aantal geleiders vermindert (figuur 9.3.1), er kan dus een eenvoudigere connector gebruikt worden. Bovendien wordt seriële communicatie over grotere afstanden gebruikt dan parallelle communicatie. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van level shifters en/of modulatietechnieken. Het signaal wordt niet op TTL niveau verzonden. Hieronder worden enkele veel gebruikte interfaces besproken. RS232: Door het gebruik van grotere spanningen kunnen grotere afstanden overbrugd worden. (15m theoretisch) RS485: Roggemans M. Pagina

103 Hier wordt gewerkt met 0 en 5 volt signalen, maar volgens een differentieel signaal. Uiteindelijk wordt er gereageerd op een spanningsverschil tussen de A en B lijn van 100 millivolt. De drivers kunnen meer stroom leveren dan TTL chips, zodat de capacitieve effecten onder controle blijven. (Bruikbaar tot 1000m, afhankelijk van de snelheid, zie figuur 9.3.2) Figuur How fast, how far? Optisch: Roggemans M. Pagina

104 Bovenstaande figuur geeft weer hoe optische communicatie uitgevoerd kan worden. Een afstandsbediening van een TV werkt gelijkaardig. Om een grotere afstand te kunnen overbruggen wordt een glasvezel tussen zender en ontvanger aangebracht. Glasvezel heeft tal van voordelen t.o.v. elektrische systemen: Geen elektromagnetische uitstraling Niet gevoelig voor elektromagnetische straling Heel hoge communicatiesnelheden Niet gevoelig aan corrosie Grote afstanden overbrugbaar Als belangrijkste nadeel is er de prijs. Modems: Er bestaan verschillende soorten modems: ADSL, kabel modems, voice band modems,. Een MOdulator DEModulator zal digitale signalen omzetten naar analoge om ze over een analoog medium te kunnen transporteren. Bij ontvangst worden de analoge signalen terug omgezet naar digitale waarden (figuur 9.3.3). Roggemans M. Pagina

105 Figuur Toepassing van een modem Afhankelijk van de beschikbare analoge bandbreedte kunnen hogere transfersnelheden gehaald worden. Bij een telefoonmodem is de bandbreedte tussen 300 en 3400 Hz, voor een ADSL modem wordt dat 1MHz. Andere: Bovenstaande opsommingen zijn maar een beperkte greep uit de mogelijkheden om signalen te transporteren. Je kan ook met stroom werken i.p.v. spanning. Maar ook draadloos behoort tot de mogelijkheden. De US navy gebruikt zelfs een akoestisch systeem. Automotive toepassingen vragen dan weer een robuust systeem. Daar zal je o.a. CAN en LIN terugvinden Synchrone seriële communicatie Bij synchrone seriële communicatie zal samen met de data een kloksignaal verzonden worden (figuur ). Hierdoor kan de ontvanger bepalen waar de bits zich in het signaal bevinden. In figuur worden klok en data via aparte geleiders verzonden. Dit zal in de meeste gevallen niet via een aparte draad gebeuren, maar beide zullen gemengd worden tot een nieuw signaal (figuur ). Roggemans M. Pagina

106 Figuur Synchrone seriële communicatie Figuur Combinatie klok en data bij HD dataopslag Roggemans M. Pagina

107 Het grote voordeel van synchrone communicatie is de hogere communicatiesnelheid die gehaald kan worden. Het nadeel is complexe elektronica om klok en data uit elkaar te halen. Synchrone communicatie wordt o.a. gebruikt voor internet verbindingen Asynchrone seriële communicatie Asynchrone communicatie vindt zijn oorsprong in elektromechanische dataoverdracht. Rond 1900 was er een tekort aan goede telegrafisten. Verschillende ontwerpers gingen op zoek naar een toestel dat eenvoudig te bedienen was (zoals een schrijfmachine), en zelf de codering voor zijn rekening nam. Aan de andere kant moest een gelijkaardig toestel de codes opnieuw omzetten naar leesbare symbolen. In figuur staat een toestel van Deze toestellen gebruikten asynchrone dataoverdracht. Het signaal bevat geen klokinformatie. Elke bit wordt een vaste tijd op de lijn geplaatst. Om aan te geven waar de informatie start wordt een startbit toegevoegd. Een stopbit moet vermijden dat de startbit niet gezien wordt. (De lijn moet na elke byte terug in rust komen.) Figuur Primitieve teletype Binnen elke bit wordt nagegaan wat het niveau ervan is. Als de snelheid van de zender en ontvanger afwijken kan de overdracht falen (figuur ) Roggemans M. Pagina

108 Figuur Zender en ontvanger lopen niet synchroon Bij hoge transfersnelheden zal het minste verschil op de aan beide zijden ingestelde bittijd fouten veroorzaken. 110 bits per seconde was een gebruikelijke snelheid. Door deze signalen elektronisch te verzenden en te ontvangen kan nu bits per seconde gehaald worden. De communicatiesnelheid wordt uitgedrukt in baud (bits per seconde). Door de eenvoud van de hardware zijn zowat alle computersystemen met dit type communicatie. Bij een PC is dat de COM poort. 9.4 Aard van de verbinding Afhankelijk hoe we computers met elkaar verbinden krijgen we een andere topologie. Ongeacht de topologie kan een verbinding simplex, half duplex of full duplex verlopen Simplex Bij simplex communicatie verloopt de gegevensoverdracht uitsluitend in een richting. Dit is bvb. het geval bij de afstandsbediening van een TV toestel. Roggemans M. Pagina

109 9.4.2 Half duplex Als er om beurten communicatie mogelijk is in beide richtingen omschrijven we de verbinding als half duplex. Dit is bvb. gebruikelijk bij een radioverbinding Full Duplex Bij een full duplex verbinding is er communicatie mogelijk in beide richtingen gelijktijdig. Wanneer twee personen met elkaar praten, kan dat full duplex verlopen (of dat zinvol is?). 9.5 Topologieën Topologieën omschrijven hoe computers met elkaar verbonden kunnen worden. De verbindingen kunnen in sommige gevallen simplex, half duplex of full duplex verlopen. Dat is in grote mate afhankelijk van het communicatie medium. De verbindingen die in de verschillende topologieën worden gebruikt kunnen van uiteenlopende aard zijn: koperdraad, glasvezel, draadloos. Afhankelijk van de topologie worden dan ook gepaste modems of level shifters gebruikt Punt tot punt Dit is de eenvoudigste verbinding. Ze zal twee computers met elkaar verbinden. Roggemans M. Pagina

110 Deze verbinding is eenvoudig te beheren. De communicatie protocols blijven dan ook relatief eenvoudig. Het is immers altijd duidelijk wie met wie wil communiceren. Alleen wanneer de verbinding half duplex verloopt kunnen er problemen ontstaan wanneer de twee toestellen gelijktijdig met elkaar willen communiceren. Vb: COM poort van een PC Bus Bij een busverbinding worden verschillende computers via hetzelfde medium met elkaar verbonden. Dit geeft een eenvoudige bekabeling, maar het communicatieprotocol zal complexer worden (botsingen in het dataverkeer worden mogelijk). Bovendien is dit systeem kwetsbaar (mechanisch), en mogelijk ook niet erg veilig naar onrechtmatig gebruik van data. Door gebruik te maken van routers of switches kan je een bus netwerk opsplitsen in gescheiden delen (figuur en figuur ). Figuur Bus netwerk Roggemans M. Pagina

111 Figuur Bus netwerk in de praktijk Ster Bij de ster topologie wordt een centrale node gebruikt. Alle computers maken een punt tot punt verbinding met die centrale node. De verbindingen tussen de centrale node en de deelstations verloopt volgens een punt tot punt verbinding. Roggemans M. Pagina

112 9.5.4 Ring Bij een ringtopologie wordt de informatie in een vaste richting doorgegeven. Meestal wordt een redundante tweede verbinding in de andere richting aangebracht (figuur ). Wanneer een verbinding uitvalt (mechanische beschadiging), neemt de andere verbinding over Web Figuur Redundante ringverbinding Roggemans M. Pagina

113 Een web topologie geeft de hoogste graad van betrouwbaarheid. Vooral telefoonnetwerken en het www gebruiken dit systeem. Alle deelnemers in het netwerk worden met meerdere deelnemers verbonden. Wanneer een verbinding uitvalt kan er altijd een alternatief pad uitgewerkt worden om twee willekeurige deelnemers met elkaar te verbinden Boom Bovenstaande figuur laat een boomtopologie zien. Dit wordt o.a. gebruikt bij een USB verbinding. (Universele Seriële Bus). 9.6 Protocol Een protocol is een lijst van afspraken die communicatie tussen twee of meer deelnemers mogelijk maakt. Die lijst van afspraken moet alle onderdelen van de communicatie behandelen, vanaf het fysische communicatiemedium tot en met de toepassing. Pas dan zal er gegarandeerd communicatie mogelijk zijn. Protocols vormen een complex geheel en maken geen expliciet deel uit van deze cursus. Figuur geeft het lagensysteem weer dat de verschillende activiteiten tijdens de communicatie beschrijft. Figuur is een praktisch voorbeeld hiervan. Roggemans M. Pagina

114 Figuur OSI (Open Systems Interconnection) lagen model communicatie Roggemans M. Pagina

115 Figuur Praktisch voorbeeld lagen model 9.7 Voorbeelden In de volgende paragrafen geven we summier enkele toepassingen van communicatie. Hier ook een foto waarop de stekkers staan LPT poort De LPT poort van een computer is een parallelle communicatie poort. Origineel enkel bedoelt om een printer aan te sturen. Later kon er informatie in twee richtingen verstuurd worden. Het was vooral de bedoeling om snel data tussen twee apparaten over te dragen. In figuur wordt de gebruikte connector en signalen weergegeven. Roggemans M. Pagina

116 Figuur LPT poort PC COM poort De COM poort laat toe om een asynchrone seriële verbinding te maken met RS232 level shifters. Helaas hebben de meeste laptops deze verbinding niet meer. Je kan ze wel via een USB naar serieel adapter verkrijgen. Heel wat industriële toepassingen maken van deze verbinding gebruik. Figuur geeft de functie van de klemmen van een DB9 connector weer. Figuur DB9 COM aansluitingen Roggemans M. Pagina

117 9.7.3 USB USB werd ontworpen door een consortium van verschillende bedrijven. Het was de bedoeling om een standaard communicatiesysteem te bekomen tussen een computer en zijn randapparatuur. Pas nadat de bestuurssystemen USB zijn gaan ondersteunen is het medium populair geworden. USB is geen bussysteem zoals de naam laat vermoeden, maar een boomstructuur. Het protocol om het geheel te besturen is niet bepaald eenvoudig ( ). In figuur staan de aansluitingen en hun functie weergegeven. Pin Signal Definition 1 VCC Cable power 2 Data N/A 3 +Data N/A 4 Ground Cable ground Figuur USB aansluitingsgegevens Er bestaan verschillende standaarden voor USB verbindingen. Er is vooral een groot verschil in transfersnelheid. Bij het maken van de connectie wordt altijd de hoogst mogelijke communicatiesnelheid gebruikt Ethernet Via de ethernet stekker kan een computer verbonden worden met andere computers. De ethernet verbinding is een bussysteem. Ethernet verbindingen bestaan er in verschillende snelheden. Omdat met ethernet grote afstanden overbrugd kunnen worden, is het medium bij uitstek om een netwerk op te zetten. Eigenlijk is het www een grote bus. Om te vermijden dat over die ene bus alle communicatie verloopt, wordt ze onderverdeeld in segmenten. Roggemans M. Pagina

118 9.7.5 WiFi Dit systeem laat toe om draadloos een netwerk op te zetten tussen computers. Aangezien het een draadloos medium is, moet de gebruiker aandacht schenken aan de veiligheid. Dit kan je door de data te versleutelen. Roggemans M. Pagina

119 Hoofdstuk 10 Besturingssystemen 10.1 Inleiding Na het inschakelen van de voedingsspanning zal een computer instructies uitvoeren. Er moet dan ook steeds een programma aanwezig zijn in het geheugen. Is dat niet het geval, dan zal de computer, hoe dan ook, de inhoud van geheugenplaatsen lezen en de zinloze codes als programma uitvoeren. Computersystemen zullen dus altijd een minimale hoeveelheid software moeten bevatten die bij het opstarten uitgevoerd wordt. Daarna zijn er twee mogelijkheden: De computer start een operating system op: Dit systeem ken je van de PC. Op het moederbord zit een minimale hoeveelheid software die na het inschakelen van de spanning de computer laat booten (=opstarten (de software is de BIOS)). Die software is verantwoordelijk voor het zoeken naar een ander programma (het operating system (zeg maar Windows)) dat er zal voor zorgen dat de computer door de gebruiker bediend kan worden. Als je niets doet zal de computer als het ware blijven wachten tot de gebruiker een programma opstart. Start een programma automatisch, dan zal de gebruiker door een aantal manipulaties toch de controle over de computer kunnen verwerven. De computer start een gebruikersprogramma op: In dit geval wordt automatisch een toepassing opgestart na het inschakelen van de spanning. De minimale hoeveelheid software die nodig is bij het opstarten kan in de applicatie verwerkt zitten. Zowat alle kleine embedded applications werken op deze manier. Bij een embedded applicatie zal de software (firmware) zelden aangepast worden. Het is duidelijk dat er op de markt een grote verscheidenheid aanwezig is aan operating systemen zoals o.a. LINUX, UNIX en verschillende RTOS. Ook een GSM bevat een OS BIOS of monitor Een monitor, een bios of een kernel zijn minimale programma s die in ROM aanwezig zijn in de computer. Na het inschakelen van de voedingsspanning wordt dit programma opgestart. In de meeste gevallen zal het een aantal elementaire initialisaties doorvoeren (stack, communicatie met de buitenwereld, initialisatie noodzakelijke hardware). Daarna laat het via een console (scherm en klavier) de gebruiker toe om de computer te bedienen of start het een ander programma op Roggemans M. Pagina

120 (eventueel operating system of een applicatie). Omdat die opstartsoftware eigen is aan de hardware (zit in ROM op het moederbord), moet de programmeur ervan die hardware grondig kennen. Hij zal dan meestal ook routines aanbieden voor het gebruik van de standaard I/O op het moederbord. Een gebruiker van de computer hoeft die hardware niet grondig te kennen, hij moet zich enkel zorgen maken over de functie die hij wil uitvoeren DOS DOS (Disk Operating System) voor 8086 is geschreven door Tim Patterson in De rechten van DOS werden door Microsoft gekocht voor minder dan $ in In 1981 komt de software op de markt als MS-DOS. Vanaf 1988 wordt MS- DOS 4 op de markt gebracht, met de mogelijkheid om een grafische muis te gebruiken. In 1995 wordt MS-DOS 7 op de markt gebracht, het is dan een onderdeel van WINDOWS 95 dat in hetzelfde jaar beschikbaar wordt. Dit betekent het einde van MS-DOS voor PC. DOS is een command line operating system (figuur ). De gebruiker moet na een prompt zijn bevel ingeven. Er kan maar 1 programma actief zijn op de PC. Het OS kan wel in de achtergrond taken blijven uitvoeren. Alhoewel het niet meer gebruikt wordt op PC s blijven afgietsels ervan opduiken in kleine 80x86 systemen. Figuur Promt command line DOS 10.4 Windows Windows 1 verscheen op de markt in Omdat er niet veel toepassingen beschikbaar waren, kende het geen groot succes. In 1987 komt Windows 2 op de markt. In 1990 komt na een grondige opkuis Windows 3 in de winkels. Deze versie kon programma s laten lopen boven het 640kbyte geheugen van de PC. Van deze uitvoering werden exemplaren op de markt gebracht. Vanaf 2001 verschijnen de XP uitvoeringen van Windows. Windows is een grafisch systeem dat meerdere programma s en gebruikers toelaat op een systeem. Het OS maakt gebruik van de beschikbare hardware in de PC om memory management toe te passen. Het gebruikt ook de system en user modes van de CPU. Helaas vraagt de grafische omgeving veel van het systeem, waardoor de Roggemans M. Pagina

121 snelheid van de CPU niet steeds tot zijn recht komt in een applicatie. XP en NT controleren ook strak de toegang naar de I/O van de computer. De latere versies (VISTA en WINDOWS 7) bestaan in 32 bit en 64 bit uitvoeringen. Niet alle oude software draait onder beide versies. Voor de gebruiker is het voornaamste verschil het maximale RAM geheugen dat gebruikt kan worden (32 bit = 4 Gbyte, 64 bit = Gbyte). Roggemans M. Pagina

122 Hoofdstuk 11 Systeemprestaties 11.1 Inleiding Heel dikwijls worden computers met elkaar vergeleken op basis van hun performantie. De vraag is alleen welke performantie? Is de snelheid waarmee instructies verwerkt worden belangrijk? De capaciteit van het geheugen?. Laten we even een tractor vergelijken met een Porsche (figuur ). Figuur Maak uw keuze! Voor een snelheidsrace lijkt de Porsche de ideale keuze, maar om een veld te ploegen helemaal niet (tenzij er maar 1 geul gemaakt moet worden). Wil je liever een Porsche met een 2PK (figuur ) vergelijken? Figuur PK van CITROEN Roggemans M. Pagina

123 Als het op zuinigheid, laag gewicht en lage aankoopprijs gaat, is de keuze evident. De samenstelling van een computer kan gericht zijn op verschillende doelstellingen. Je zou willen dat hij piepklein is, geen stroom verbruikt, bijna gratis is, super snel kan rekenen en een gigantisch geheugen heeft. Dat zijn in de meeste gevallen tegenstrijdige doelstellingen. Er zijn zelfs heel veel toepassingen waar er bijna geen behoefte is aan geheugen en rekensnelheid. Denk maar aan een digitaal uurwerk. In de volgende paragrafen overlopen we de factoren die de systeemperformantie gaan beïnvloeden Kloksnelheid De kloksnelheid van een computer is evenredig met de uitvoeringssnelheid (aantal instructies per seconde dat de CPU uitvoerd). Wil je de rekensnelheid opvoeren, dan kan dat als de klok een hogere frequentie heeft. De maximale werkfrequentie is echter afhankelijk van de inwendige opbouw van de CPU. Waar dat in 1980 rond de 1MHZ was, zijn we nu bij 4000MHz. Dit is enkel mogelijk door een kleinere geometrie van de componenten. Niet alleen de CPU zal de maximale snelheid bepalen. Ook de andere componenten moeten een voldoende lage propagation delay hebben en een korte acces tijd. Het verhogen van de klok kan alleen wanneer alle componenten voldoende snel zijn. Het verhogen van de klok brengt mee dat er sneller geschakeld wordt. Hierdoor zal het stroomverbruik toenemen, en dus ook de warmte dissipatie. Wanneer een toepassing batterijspanning gebruikt willen we het stroomverbruik laten dalen. Dat kan door de kloksnelheid te verlagen. In een laptop zal de werksnelheid van de CPU aangepast worden aan de gevraagde rekenkracht. Op die manier tracht de fabrikant de levensduur van de batterij te verlengen. Je kan dit merken aan het toerental van de ventilator. Die moet de gedissipeerde warmte afvoeren. Hoe hoger de snelheid, hoe hoger het stroomverbruik, hoe sneller de ventilator moet draaien. Figuur geeft het stroomverbruik (in Ampere) van een P4 CPU in functie van de CPU klok. Figuur Stroomverbruik (in Ampere) in functie van kloksnelheid CPU PC Roggemans M. Pagina

124 Figuur geeft het stroomverbruik t.o.v. de werkfrequentie voor een single chip computer. Figuur Stroomverbruik (in ma) in functie van kloksnelheid CPU microcontroller 11.3 Cache De snelheid van de CPU en het geheugen zouden van dezelfde orde moeten zijn. Als het geheugen sneller is, dan heb je te veel betaald voor het geheugen (prijs is afhankelijk van de snelheid). Als de CPU sneller is, dan moeten wait states gebruikt worden. Een wait state is een actie waarbij de CPU opzettelijk vertraagd wordt. De klok wordt als het ware tijdelijk lager gezet. In een PC is de CPU veel sneller dan OFF chip memory. Hierdoor zou er dus permanent met een lagere kloksnelheid gewerkt worden. Figuur geeft het principe van cache weer in een PC. In de CPU wordt een klein geheugen ingebouwd met dezelfde snelheid als de CPU. De processor kan daaruit tegen maximale snelheid informatie ophalen en instructies uitvoeren. De capaciteit is mega bytes groot (tussen 8 en 64). De hoeveelheid is beperkt door het maximale aantal transistoren dat on chip kan zitten. De L2 cache is groter maar zal trager zijn. Het uiteindelijke geheugen (zeg maar de RAM) is giga bytes groot, maar veel trager. Tenslotte zien we dat de harde schijf nog groter, maar ook nog trager is. Figuur geeft de structuur van een PC weer met de verschillende bussen en hun toepassingen. Roggemans M. Pagina

125 Figuur Cache memory in een PC Figuur PC met verschillende bussen Roggemans M. Pagina

126 Je kan besluiten dat het opvoeren van de kloksnelheid niet noodzakelijk een evenredige stijging in performantie voor gevolg heeft. Door verschillende deelsystemen te gebruiken die elk op hun maximale snelheid draaien kan je wel optimaliseren. Het is duidelijk dat wanneer de data in vb. L1 cache aangepast moet worden, het systeem tijdens die aanpassing op de snelheid van L2 cache, RAM of harde schijf zal werken. De snelheid van het systeem zal dus in grot mate afhangen van de applicatie die uitgevoerd wordt Pipelining Een CPU doorloopt een vaste cyclus bij het uitvoeren van een instructie. Eerst moet de instructie uit het geheugen gelezen worden (fetch). Daarna moet de instructie gedecodeerd worden (uitzoeken wat er moet gebeuren) (decode). Uiteindelijk moet de instructie uitgevoerd worden (execute) (figuur ). Figuur Onderdelen CPU De uitkomst van de bewerking wordt ook terug naar het geheugen geschreven. Voor al die transacties worden de bussen gebruikt. Door de bussen optimaal te gebruiken kan de snelheid van het systeem opgevoerd worden. Zo kan terwijl de CPU inwendig een instructie decodeert (en de bussen niet gebruikt worden), reeds een volgende instructie gelezen worden. Hierdoor worden de bussen, maar ook de andere onderdelen in de CPU optimaler gebruikt (figuur ). Dit gaat ook op voor het uitvoeren van berekeningen etc. Deze structuur is echter niet zonder gevaar. Het is best mogelijk dat een instructie de uitkomst nodig heeft van de vorige, en die is dan nog niet beschikbaar. De programmeur, of de compiler zal hier rekening mee moeten houden. Ook bij spronginstructies gaat het voordeel van een pipeline verloren. Roggemans M. Pagina

127 Figuur Pipelining vergeleken met sequentiële uitvoering Volgens de figuur is de snelheid van het systeem een factor 5 sneller geworden. Dit is echter alleen het geval wanneer er geen wijziging is in programmaverloop (opnieuw vullen van de pipeline) of wanneer de opeenvolgende instructies niet dezelfde data wijzigen FPU Figuur is het blokschema van een P4 CPU. Door meerdere rekeneenheden in de CPU in te bouwen kan de snelheid opgevoerd worden. Een FPU (Floating Point Unit) Is een hardware schakeling om berekeningen uit te voeren op getallen in exponentiele notatie. Omdat de berekeningen in hardware uitgevoerd worden, bespaar je de instructies die anders nodig zijn om de berekening uit te voeren. Als de CPU niet kan vermenigvuldigen, dan moet die instructie vervangen worden door een reeks van optellingen, wat natuurlijk meer tijd in beslag zal nemen. Omdat een berekening met een FPU (zelfs in hardware) wel wat tijd nodig heeft om een berekening uit te voeren worden verschillende rekeneenheden ingebouwd. Afhankelijk van de aard van de berekening wordt de Integer Unit gebruikt of de FPU. Door meerdere van deze units in te bouwen kunnen berekeningen parallel uitgevoerd worden. Dit is wat vergelijkbaar met de pipelining van vorige paragraaf. Ook hier mag de ene berekening niet het resultaat van een simultaan uitgevoerde berekening nodig hebben. Roggemans M. Pagina

128 Figuur Functieblokken in een P4 CPU 11.6 RISC & CISC Figuur geeft de verschillen weer tussen RISC (Reduced Instruction Set Computer) en CISC (Complex Instruction Set Computer). Roggemans M. Pagina

129 Figuur Vergelijking RISC en CISC CPU s De CISC processor was er eerst. In 1974 bedacht John Cocke van IBM dat maar 20 % van de CPU instructies gebruikt werden. Door de andere 80% niet te implementeren kon het aantal transistoren in de chip omlaag, en dus ook de kostprijs. Door een eenvoudigere structuur kan de decodering van de instructies ook sneller gebeuren. Het nadeel is wel (zie vorige paragraaf) dat er meer RISC instructies nodig zijn om de CISC equivalenten uit te voeren. Vandaag is blijkbaar de prijs van de CPU bepalend voor de keuze. Op gebied van performantie raken voor en tegenstanders het niet echt eens. Een bijkomend voordeel van een RISC is lagere stroomverbruik. Voor veel embedded applicaties wordt dan ook een RISC systeem gebruikt (ARM7, CORTEX). Roggemans M. Pagina

130 11.7 Hyperthreading Niet alle onderdelen in een CPU worden permanent gebruikt. Je kan meerdere programma s zodanig gaan opsplitsen en samenvoegen dat de CPU optimaal gebruikt wordt (figuur ). Figuur Hyperthreading Superscalar: de CPU beschikt over meerdere rekenunits. Het programma kan dus opgesplitst worden in onderdelen die simultaan door de CPU uitgevoerd kunnen worden (de sofware moet dit toelaten) Multiprocessing: 2 CPU s voeren 2 programma s uit. De CPU s zijn van het superscalar type. Hyperthreading: 1 CPU voert 2 programma s uit. De twee programma s gebruiken optimaal de functionele onderdelen van de CPU Multiprocessing & hyperthreading: Er lopen nu 4 programma s op 2 CPU s. Zou er 1 CPU gebruikt worden met maar 1 rekeneenheid, dan zou die er t.o.v. de superscalar uit de eerste kolom van figuur ongeveer 3 keer langer over doen om hetzelfde programma uit te voeren (heeft maar 1 unit i.p.v. 3) De echte tijdswinst kan dus niet objectief bepaald worden, maar is afhankelijk van de applicatie!! Roggemans M. Pagina

131 11.8 Multi processor Uit de figuur kan je aflijden dat de samenwerking tussen meerdere processoren duidelijk tijdswinst kan opleveren. Processoren die over communicatie poorten beschikken om dit te realiseren worden ook wel transputers genoemd (figuur ). Figuur Transputer Om multi-processing te gebruiken kan het ook zijn dat de verschillende CPU s een gemeenschappelijk geheugen gebruiken. Sommige grafische kaarten van PC s gebruiken samen met de CPU een gemeenschappelijk deel van het RAM geheugen. Langs deze weg wisselen ze met elkaar gegevens uit. Roggemans M. Pagina

132 Hoofdstuk 12 Standaard I/O componenten 12.1 Inleiding Een computer is meer dan alleen een CPU en wat geheugen. Heel wat componenten en randapparaten vormen de computer. Door standaarden af te spreken kan je componenten gebruiken van verschillende fabrikanten. Hierdoor ontstaat er ook concurrentie met lage prijzen tot gevolg. Niet alle componenten zullen hier besproken worden. We beperken ons tot enkele algemene principes en toepassingen Muis In 1983 brengt microsoft zijn eerste muis op de markt voor de luttele prijs van $195. In figuur is de opbouw van de originele muis te zien. Figuur a Originele muis roggemans marc Pagina

133 Figuur b Originele muis Door de stalen kogel en de optische sluizen te vervangen door een camera en een DSP processor bekom je een optische muis (figuur ). Roggemans M. Pagina

134 Figuur Optische muis In onderstaande tabellen is opgenomen hoe de data er uit ziet die door de muis verzonden wordt (LB=left button, RB=right button, X en Y slaat op de verplaatsing in die richting) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1. X 1 LB RB Y7 Y6 X7 X6 2. X 0 X5 X4 X3 X2 X1 X0 3. X 0 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 Een optische muis bevat minimaal 1 microcontroller, en is dus een autonomm computersysteem!! Roggemans M. Pagina

135 12.3 Toetsenbord Een toetsenbord wordt via een synchrone seriële verbinding aangesloten op de computer. Het toetsenbord bevat een eigen microcontroller die de schakelaars verwerkt. In het klavier zit een microcontroller die de schakelaars inleest en doorgeeft wat de actie is naar de PC (klavier is dus ook een computer!) Figuren , en geven 3 manieren om een keyboard te scannen. Figuur Deze manier vraagt ontzettend veel aansluitingen om al de schakelaars te kunnen lezen. Figuur Door gebruik te maken van diodes kan het aantal aansluitingen verminderd worden. Roggemans M. Pagina

136 Figuur Tenslotte een matrix opstelling. Dit laat toe om met een minimum aan aansluitingen en componenten een maximum aan schakelaars in te lezen. Door het eenvoud in gebruik is de standaard seriële verbinding tussen klavier en PC vervangen door een USB aanluiting CRT en LCD schermen De werking van een CRT scherm kan je terugvinden in figuur CRT staat voor Cathode Ray Tube. Hierbij wordt er een elektronenbundel op de voorste glasplaat van het display gericht. Door de intensiteit van de bundel i.f.v. de plaats te variëren kunnen beelden bekomen worden. Een CRT scherm is log en zwaar. Bovendien genereert het een (beperkte) hoeveelheid X-stralen. Het opgenomen vermogen van een beeldscherm is ongeveer 100W. Een LCD scherm (figuur ) heeft bovenstaande nadelen niet. Geleidelijk verdwijnen dan ook alle CRT s ten voordele van de LCD schermen. Door massaproductie worden ze alsmaar goedkoper en performanter. Figuur geeft de principiële werking van een LCD scherm. Roggemans M. Pagina

137 Figuur Principiële werking CRT Figuur LCD scherm Figuur Principiële werking LCD LCD schermen zijn in continue evolutie. Enkele belangrijke ontwikkelingen zijn de plooibare LCD schermen (figuur ) en de schermen die enkel energie verbruiken als de uitlezing aangepast wordt. Deze laatste worden gebruikt in Roggemans M. Pagina

138 elektronische boeken (figuur ). Het contrast van deze schermen is van die aard dat ook in zonlicht perfect uitleesbaar zijn. Figuur Flexibel LCD scherm Figuur Elektronisch papier Roggemans M. Pagina

139 Een andere evolutie zijn de OLOD display s (figuur ). Die maken gebruik van LED s die op een drager afgedrukt worden. De LED s zijn piepklein, in kleur, en geven licht. Hierdoor kan de achtergrondverlichting weggelaten worden. Er zijn heel wat MP3 spelers en GSM s op de markt die dit type display gebruiken. Figuur OLED display (arm gedragen militaire toepassing) 12.5 Aanraakbeeldschermen Ingave via het beeldscherm kan in bepaalde toepassingen voordelen bieden. In onderstaande figuren staan enkele werkingsprincipes weergegeven. Ultrasoon (figuur ) is gebaseerd op geluidsgolven die door een object op het scherm weerkaatst worden. Resistief (figuur ) is gebaseerd op dunne filmen die bekleed zijn met een elektrische geleider die een bepaalde weerstandswaarde per lopende cm heeft. Door de twee folies tegen elkaar te drukken kan bepaald worden waar een object zich bevindt. Capacitief (figuur ) is gebaseerd op het capacitief doorgeven van lading. Dit type scherm heeft als voornaamste voordeel dat er geen folies op het scherm aangebracht moeten worden. Dit zou bij een GSM al snel zorgen voor een verminderde leesbaarheid van het scherm (krassen). Roggemans M. Pagina

140 Figuur Ultrasoon aanraakbeeldscherm Roggemans M. Pagina