1. De codering van de gegevens bij in- en uitvoer.

Transcriptie

1 1. De codering van de gegevens bij in- en uitvoer. a. Inleiding. We hebben in één van de eerste lessen kunnen kennismaken met het computersysteem. Een computersysteem bevat apparatuur die instaat voor : - het invoeren van de gegevens en de opdrachten. - het verwerken van de gegevens. - het uitvoeren van de informatie. In dit eerste onderdeel zullen we zien onder welke vorm een computer gegevens opneemt, onthoudt en verwerkt. Vele mensen denken dat computers alleen maar met getallen uit de voeten kan. Ergens is dat ook zo want om t even welk signaal moet voor de verwerking in een getal worden omgezet. Op welke wijze hanteert een computer nu die cijfergegevens? b.de bit. Voor het doorspelen van gegevens gebruiken de mensen allerlei hulpmiddelen. De meest voor de hand liggende middelen zijn natuurlijk de spraak en het schrift. In volgende voorbeelden gebeurt de gegevensoverdracht door middel van twee tekens. 0 1 LAMPJE UIT AAN UITDRUKKING ONWAAR WAAR ELEKTRISCHE LADING NEGATIEF POSITIEF ELEKTRISCHE STROOM GEEN WEL VOORWAARDE NIET VERVULD WELVERVULD Een dergelijk systeem noemen we tweeledig of binair (bi=twee). De computer werkt met elektrische signalen. Deze signalen kunnen slechts twee waarden aannemen (aan/uit of hoog/laag) die voorgesteld worden door 1 en 0. Dus bij lage spanning; 0 Volt = 0, bij hoge spanning;5 Volt = 1. De voorstelling van de waarden aan/uit treffen we trouwens aan bij vele schakelaars, bv. schakelaar van een koffiezetapparaat, lichtschakelaar, schakelaar van een computer,... E. De werking van de systeemeenheid -1-

2 Deze twee symbolen, 0 en 1 gebruiken we als getallen, bits (Eng. binary digits, cijfers van het binair talstelsel) genoemd. Dergelijke signalen die slechts bepaalde waarden kunnen aannemen, noemen we digitale signalen. Alle gegevens die je in een computer invoert, en alle bewerkingen die hij uitvoert gebeuren d.m.v. bits. De werking van de computer berust voorts op het gebruik van logische poorten. Dit zijn combinaties van schakelaars die inkomende signalen omzetten in een nieuw, uitgaand signaal. Typische voorbeelden zijn de poorten AND, OR en NOT. Een BIT is dus een binair cijfer dat de waarde 0 of 1 kan aannemen. c. De byte. Om meer dan twee tekens voor te kunnen stellen (zoals tekst, lijnen, kleuren, geluiden, bewegende beelden,...), en toch alleen maar de cijfers 0 en 1 te gebruiken, moet je combinaties gaan maken. Hoeveel combinaties zijn bijvoorbeeld mogelijk als je twee bits samen neemt? Hoeveel met groepjes van 3,4,... bits? Wel : met groepjes van 2 bits kun je 4 combinaties maken, namelijk : Met groepjes van 3 zijn er 8 combinaties mogelijk : Met 3 bits zijn er dus 8 mogelijkheden, het grondtal blijft 2, binair dus 2 3 = 2 X 2 X 2 = 8 combinaties. Met 4 wordt dat Of algemeen : met groepjes van n bits is het aantal mogelijke combinaties : 2 tot de n de macht. 16 mogelijkheden zijn echter onvoldoende om al de cijfers, letters, leestekens, e.d. van ons schrift voor te stellen. Vul de tabel verder in : Aantal bits Aantal mogelijke combinaties Met 8 bits hebben we 256 mogelijke combinaties. E. De werking van de systeemeenheid -2-

3 Dit is wel voldoende om alle cijfers, de 26 letters uit het alfabet (zowel kleine letters als hoofdletters) en andere symbolen en bovendien een aantal speciale codes (bv. return, backspace, escape, shift,...) weer te geven. Daarom werken computers meestal met groepjes van 8 bits. Zo n combinatie van 8 bits krijgt de naam byte (BY eight). Voorbeelden : d. ASCII-code. Een byte bestaat dus uit een opeenvolging van 8 binaire getallen of 8 bits. Elke combinatie kan dus een willekeurig teken weergeven. Om uitwisseling van informatie mogelijk te maken zijn er afspraken nodig. De overeenkomst, die aan elke byte een bepaald karakter toekent, is gekend als de ASCIIcode. ASCII (zeg ASKI) staat voor American Standard Code for Information Interchange, d.w.z. Amerikaanse Standaard Code voor Informatie-Uitwisseling. De volledige ASCII-tabel staat in figuur 1. Elk teken in de tabel heeft een binaire code. Zo stelt de letter a voor. Je kunt deze code echter ook als een getal lezen. Het (binaire) getal komt overeen met het decimale getal 97. Men zegt heel kort : de ASCII-code van a is 97. Hoe bekom je dit getal? Reken het even uit op de achterzijde. In de ASCII-tabel heeft iedere volgende letter uit het alfabet een code die 1 hoger is : - de letter b heeft dus de binaire code of de ASCII-code van c is of E. De werking van de systeemeenheid -3-

4 Een tekst betekent voor een computer dus een opeenvolging van een aantal bytes. Voorbeeld 1 Volgens de ASCII-code wordt het cijfer 3 binair voorgesteld als Voorbeeld 2 De naam Bit wordt binair voorgesteld door 3 bytes. B i t e. Het sorteren met de computer. Alfabetisch sorteren kan iedereen. Als een computer moet sorteren, gebruikt hij hetzelfde principe, maar i.p.v. letters te vergelijken, vergelijkt hij de ASCII-waarden van karakters. Zo komt bv. a voor c, want 97 is kleiner dan 99. Ga de werkwijze van de computer na door middel van volgende opdrachten : Opdracht 1 Sorteer de woorden Bit, Aarde, aardig, byte op basis van de ASCII-codes van hun letters. Vergelijk met een gewone alfabetische sortering. Te sorteren ASCII-waarden Bit Aarde aardig byte Alfabetische sortering Aarde aardig Bit byte ASCII-sortering door de computer Aarde Bit aardig byte E. De werking van de systeemeenheid -4-

5 Opdracht 2 Sorteer de namen Janssens Piet, Jans Emma, De Smet Jan, Desmet An Vergelijk enkel de eerste 6 tekens (letters en spatie!). Te sorteren ASCII-waarden Janssens Piet Jans Emma De Smet Jan Desmet An Alfabetische sortering Desmet An De Smet Jan Jans Emma Janssens Piet ASCII-sortering door de computer De Smet Jan Desmet An Jans Emma Janssens Piet Waarom verschillen ASCII- en alfabetische sortering? In de ASCII-sortering heeft de spatie ook een code zoals elk ander teken. Wij negeren dat bij het sorteren. We worden gesponsord door een plaatselijk computerbedrijf. E. De werking van de systeemeenheid -5-

6 2. Het intern geheugen. a. De centrale verwerkingseenheid en het intern geheugen. Op drukke kruispunten met verkeerslichten met een vaste regeling grijpen agenten wel eens in. Een mens is immers in staat voortdurend in te spelen op wisselende omstandigheden. De agent kan op elk ogenblik de gegeven situatie (bv. het aantal wagens in elke rijrichting) beoordelen en beslissen wie doorgang moet krijgen. Hij beschikt over hersenen om gegevens te onthouden en te interpreteren. In de hersenen van de agent zijn er twee belangrijke activiteiten nodig voor het uitvoeren van zijn opdracht : a) gegevens onthouden : - het aantal wagens in elke rijrichting ; - de bewegingen die nodig zijn om het verkeer te regelen ; -... De agent steunt hiervoor op zijn geheugen b) gegevens verwerken en de nodige beslissingen nemen : - welke weggebruikers krijgen doorgang? De agent gebruikt hiertoe zijn verstand Wanneer de regeling van het verkeer op een kruispunt door een computer wordt overgenomen, dan moet deze dezelfde twee functies vervullen. De computer is daartoe uitgerust met twee belangrijke onderdelen : de centrale verwerkingseenheid (CVE) voor het verwerken van gegevens en het intern geheugen voor het bewaren van de gegevens. Centrale verwerkingseenheid (CVE) (verwerking van gegevens) Intern geheugen (opslag van gegevens) INVOER OPSLAG EN VERWERKING UITVOER Dit tweede onderdeel zal handelen over het intern geheugen. E. De werking van de systeemeenheid -6-

7 b.de opbouw van het intern geheugen. Het menselijk geheugen bewaart sommige gegevens alleen voor een korte poos (bv. een telefoonnummer dat ons meegedeeld wordt om éénmalig te gebruiken). Andere gegevens zijn blijvend in ons geheugen beschikbaar (bv. je naam en adres, je telefoonnummer, de combinatie van je fietsslot,...) Het intern geheugen van de computer kan ook gegevens (in de vorm van bits) opslaan, hetzij tijdelijk (tot de elektronische spanning wordt uitgeschakeld), hetzij voor altijd. We onderscheiden hier twee soorten geheugens : 1)Het werkgeheugen of RAM-geheugen : RAM (Random Access Memory, d.w.z. willekeurig toegankelijk geheugen of geheugen waartoe je vrije toegang hebt) is het deel van het intern geheugen waarin gegevens vrij opgeslagen of opgehaald en tijdelijk bewaard kunnen worden. Het opslaan van gegevens noemen we schrijven, het ophalen van gegevens lezen. schrijven lezen RAM We kunnen het vergelijken met een klasbord. Bij het begin van de les is het onbeschreven, tijdens de les kan het geheel of gedeeltelijk beschreven, gewist en herschreven worden : het zijn tijdelijke gegevens. Ook het RAM-geheugen wordt gevuld met tijdelijke gegevens. Dat gebeurt via het toetsenbord en/of met programma s of gegevens die ingeladen worden van op een diskette,cd-rom, zip,... Alle gegevens in het RAM-geheugen kan men aanvullen, wijzigen, wissen,... Het is een echt werkgeheugen. Let op! Als de stroom uitvalt gaat de inhoud van het werkgeheugen verloren. Dus hevel je werk geregeld vanuit het werkgeheugen over naar een veilige opslagplaats : een diskette, de harde schijf, een tape streamer (soort bandopnemer),... (dit zijn uitwendige hulpgeheugens). We zetten de kenmerken van een RAM-geheugen nog eens op een rijtje : - je kan er in schrijven ; - je kan er uit lezen ; - de inhoud is wisbaar ; - de inhoud is tijdelijk (tot wanneer je opslaat). E. De werking van de systeemeenheid -7-

8 2)Het leesgeheugen of RAM-geheugen : Het ander deel van het geheugen is het leesgeheugen of het ROM-deel : Read Only Memory. Dit is een geheugen waaruit alleen gegevens kunnen opgehaald of gelezen worden. De toegang tot dit geheugen is slechts in één richting mogelijk ; de inhoud kan niet gewijzigd worden, het werd vastgelegd bij de fabricage. lezen ROM We kunnen het ROM-geheugen vergelijken met een wandkaart waarvan we de gegevens wel kunnen lezen, maar niet meer kunnen wijzigen. Schrijf nu zelf eens de kenmerken op van een ROM-geheugen. (Vergelijk met de kenmerken van RAM-geheugens!) - niet in schrijven; - alleen uit lezen; - inhoud kan niet gewist worden; - inhoud is vast. 3) ROM of RAM Zoek eens naar vbn. van toestellen uit het dagelijks leven die met een RAM zijn uitgerust. (let op : de gegevens moeten kunnen gewist worden en op dezelfde plaats beschreven met nieuwe). Rekenmachine, videorecorder, microgolfoven, lift, computer, wekkerradio, koffiezetapparaat met timer,... => programmeerbare toestellen Ook in het dagelijks leven zijn er automaten en toestellen uitgerust met een ROM. Noem er een paar. Rekenmachine,, microgolfoven, computer, wasautomaat, droogkast, tv-toestel, drankautomaat,... => toestellen met vaste programma s E. De werking van de systeemeenheid -8-

9 Enkele oefeningen : In welk geheugen worden volgende gegevens of programma s gestockeerd? Duid aan met een kruisje in de juiste kolom. Een toepassingsprogramma (bv. tekstverwerking, spel, rekenpr.,...) Het eerste programma dat de computer nodig heeft om op te starten. Een ingetypte tekst De volgorde waarin je de liedjes van een cd wil horen. Een wasprogramma in een wasmachine. RAM X X X ROM X X Zet een + in de kolommen als de bewering waar is, en een - als ze niet waar is. RAM ROM Je kunt in dit geheugen een gegeven door een ander vervangen. + - De inhoud van dit geheugen gaat verloren als je de computer uitschakelt. + - De inhoud van dit geheugen kan je alleen lezen. - + E. De werking van de systeemeenheid -9-

10 c. De organisatie van het intern geheugen. De computer moet gegevens in het intern geheugen kunnen opslaan en raadplegen. De manier waarop dit gebeurt, is nogal gecompliceerd. We behandelen daarom alleen een eenvoudig model : een grote ladenkast. In elke lade wordt een gegeven of een opdracht bewaard. Zo n lade noemen we een geheugenplaats. Het gegeven of de opdracht erin heet de geheugeninhoud. Elke lade heeft een uniek nummer, het geheugenadres. De computer kan de inhoud van iedere lade raadplegen : dit heet lezen. Hij kan ook de inhoud van een lade vervangen door een nieuwe inhoud : dit heet schrijven. Oefening Gegeven de volgende voorstelling van een geheugen : De computer voert volgende bewerkingen uit. * Hij leest de inhoud van de geheugenplaats met geheugenadres * Hij schrijft het op het geheugenadres Wat is de inhoud van het geheugen na beide bewerkingen? Vul het schema aan. Adres Inhoud Adres Inhoud E. De werking van de systeemeenheid -10-

11 d.de grootte van het intern geheugen. Het aantal tekens dat het geheugen kan bevatten, heet geheugencapaciteit. Ieder teken bestaat volgens de ASCII-code uit 8 bits of 1 byte. Een geheugen dat 1000 tekens kan bewaren, heeft dus een capaciteit van 1000 bytes. Maar... In het decimaal stelsel staat de uitdrukking kilo (afkorting k) voor 1000 en de uitdrukking mega (afkorting M) voor 1000 * 1000 of 1 miljoen. In de informatica echter staat kilo (afkorting k) voor 1024 (=2 10 )en mega (afkorting M) voor 1024 * We onthouden voortaan dat : 1kB (kilobyte) = 1024 bytes =2 10 bytes.(afgerond : duizend) Heeft onze computer een interne geheugencapaciteit van 512 kb, dan zijn er in werkelijkheid : 512 * 1024 bytes of 512 *2 10 bytes = bytes. 1MB (Megabyte) = 1024 * 1024 bytes = 2 10 * 2 10 bytes = bytes. (afgerond : miljoen) Men spreekt ook van 1GB (Gigabyte) = 1024 MB = 1024 * 1024 * 1024 bytes (2 30 ) = bytes. (afgerond : miljard) En van 1TB (Terabyte) = 1024 GB = 1024 * 1024 * 1024 * 1024 bytes (2 40 ) = bytes. (afgerond : biljoen) Een bladzijde doorlopende tekst van het formaat van deze cursus (A4-formaat) bevat ± 60 tekens per lijn en dit op 66 lijnen. Elk teken (ook een spatie is voor de computer een teken) heeft 1 byte nodig (zie ASCII-code). Hoeveel bytes vertegenwoordigt dan zo n blad ± in het intern geheugen? Zet ook om in kb. 60 X66 = bytes = 4 kb Het volgend tabelletje geeft je een idee van de opslagmogelijkheden van een computergeheugen. Een doorsnee boek De Encyclopaedia Brittannica De Amerikaanse nationale archieven Het menselijk brein 1,2 MB 12 GB 12 TB 120 TB E. De werking van de systeemeenheid -11-

12 Moderne computers hebben meestal 64 MB intern geheugen. Bereken het aantal bytes. 64 X 1024 X1024 = bytes De geheugencapaciteit van een harde schijf (harddisk) bedraagt tegenwoordig enkele GB, van MB wordt hier niet meer gesproken. Een diskette heeft een geheugencapaciteit van 1,44 MB. Bereken het aantal bytes. 1,44 X = bytes De ZIP- of JAZ-disk is een 100 MB - diskette. Bereken het aantal bytes bytes De geheugencapaciteit van een CD-rom (optische schijf) bedraagt 650 MB. Hoeveel diskettes zijn dat? 650 : 1,44 = 452 diskettes (451,38) Er zijn ook CD-RW s - met die capaciteiten.de prijs hiervan blijft dalen en daardoor worden ze alsmaar populairder. Opdracht Zoek 4 verschillende merken van computers op Internet. Consulteer één van volgende sites : Noteer het merk, capaciteit van het intern geheugen en de harde schijf. Zet daarna de capaciteit om in bytes. E. De werking van de systeemeenheid -12-

13 3. De centrale verwerkingseenheid (CVE). a. Plaats van de centrale verwerkingseenheid in het gegevensverwerkend proces. In elk gegevensverwerkend proces, ongeacht of het uitgevoerd wordt door de mens of door de computer, onderscheiden we 3 fasen : 1. invoer van gegevens en opdrachten ; 2. opslag en verwerking van deze gegevens volgens deze opdrachten ; 3. uitvoer van het resultaat van de verwerking. De mens heeft zintuigen voor het waarnemen van gegevens, beschikt over zijn geheugen en verstand voor de opslag en de verwerking en beheerst zijn motoriek voor de uitvoer. Bij een computer zijn toetsenbord en muis de gebruikelijke invoerapparaten. Opslag en verwerking worden waargenomen door het intern geheugen en de centrale verwerkingseenheid. Scherm en printer (drukeenheid) zijn de klassieke uitvoerapparaten. Plaats de schuingedrukte woorden uit bovenstaande tekst in het schema. INVOER OPSLAG EN VERWERKING UITVOER mens zintuigen geheugen verstand motoriek computer toetsenbord intern geheugen CVE scherm SYSTEEMEENHEID Bestudeer nu figuur 2 en maak daarna de oefeningen op de volgende blz.. Uitleg bij fig. 2 : - De gegevens, afkomstig van een invoerapparaat, komen binnen via de invoereenheid. - De opslag ervan vindt plaats in het intern geheugen. - De verwerking gebeurt in de centrale verwerkingseenheid. - Voor de uitvoer naar een uitvoerapparaat zorgt de uitvoereenheid. E. De werking van de systeemeenheid -13-

14 Duid in volgende schema s met pijlen de gegevensstromen aan. 1. Je tikt een letter a in op het toetsenbord en deze verschijnt ook op het scherm. Invoereenheid CVE Uitvoereenheid Invoerapparaat Uitvoerapparaat Intern geheugen 2. De getallen 213 en 7,29 die in het intern geheugen zitten, worden met elkaar vermenigvuldigd en de uitkomst hiervan wordt daarna op het scherm getoond. Invoereenheid CVE Uitvoereenheid Invoerapparaat Uitvoerapparaat Intern geheugen 3. Je laadt een programma in vanaf een diskette. Invoereenheid CVE Uitvoereenheid Invoerapparaat Uitvoerapparaat Intern geheugen 4. Je verschuift de muis over de tafel en de muiscursor op het scherm beweegt mee. Invoereenheid CVE Uitvoereenheid Invoerapparaat Uitvoerapparaat Intern geheugen E. De werking van de systeemeenheid -14-

15 b.opbouw en functie van de centrale verwerkingseenheid (CVE). Bij een pc zit de CVE in één enkele chip, de microprocessor (of CPU : Central Processing Unit). Microprocessoren vind je overigens niet alleen in computers. Ook in veel andere toestellen zit een chip die zorgt voor het afhandelen van instructies en het controleren van de werking : wasautomaten, ABS-remmen, videoapparatuur, laserprinters,... De CVE vervult verschillende taken waaronder : a) het maken van berekeningen, b) het besturen van de computer. Voor elk van deze taken is er een onderdeel in de microprocessor.: a) Het rekenorgaan of de reken- en logische eenheid (Eng. Arithmetic Logic Unit, ALU) voert rekenkundige bewerkingen uit op binaire getallen : optellingen, aftrekkingen, vermenigvuldigingen,... Het kan ook 2 binaire getallen vergelijken volgens grootte (<, >, =,...) b) Het besturingsorgaan of de controle-eenheid (Eng. Control Unit, CU) regelt de werking van de computer. Het laat zich daarbij leiden door het lopende programma : - Het vraagt aan het intern geheugen de eerste opdracht van het programma op. - Het ontcijfert deze opdracht en geeft ze door aan bv. het rekenorgaan. - Het vraagt aan het intern geheugen de volgende opdracht op,... E. De werking van de systeemeenheid -15-

16 c. Een kijkje in het inwendige van de PC. Als je een computer opent, zie je een groot groenkleurig of bruin bord. Dit is het moederbord of de hoofdkaart. Daarop bevindt zich het hart van de computer : de microprocessorchip. Vbn. Intel Celeron, Intel Pentium, 603,... Op het moederbord bevinden zich ook de geheugenchips (geïntegreerde schakelingen of IC s). Een chip - letterlijk vertaald : een schilfer - is een dun siliciumplaatje van hooguit enkele vierkante centimeter groot, dat duizenden elektronische schakelingen bevat. Ze vormen het intern geheugen. Om het plaatje te beschermen en om er verbindingspennen aan te kunnen vastmaken, steekt men het in een omhulsel. De chips zijn met hun pennen aangesloten op het bussysteem. Iedere bus bevat een aantal geleide draadjes,meestal een veelvoud van acht : 8, 16, 24, 32, 64,... Ieder draadje kan een 0 of een 1 doorseinen. Daarom drukt men het aantal draadjes in de bus -de busbreedte- uit in bits. De nieuwste bussen zijn 64 bits breed (bevatten 64 draadjes). Op het moederbord zitten ook nog een aantal stekkerdozen, de uitbreidingssleuven of slots. Meestal zijn er nog uitbreidingssleuven vrij. In sommige sleuven zitten : a) geheugenmodules. Zo kun je extra RAM-geheugen toevoegen door een uitbreidingskaart met geheugenchips te plaatsen. b) interface-kaarten of uitbreidingskaarten. Deze zorgen voor de verbinding tussen de computer en een randapparatuur, bv. de videokaart,scanner,... Alle onderdelen zijn met elkaar verbonden via het bussysteem. De bussen liggen grotendeels in het moederbord. In een aantal gevallen wordt het bussysteem via brede, lintvormige kabels naar bv. de harde schijf of naar een diskettestation geleid. Het meest opvallende onderdeel, een groot blok, bevat de elektrische voeding. Hier gebeurt de omzetting van 220 Volt netspanning naar 0 Volt, 5 Volt,... gelijkspanning. Dit blok bevat ook een ventilator die moet zorgen voor de afkoeling van de elektrische componenten. E. De werking van de systeemeenheid -16-

17 uitbreidingssleuven geheugenmodules batterij CVE chips E. De werking van de systeemeenheid -17-

18 Hoe zijn nu de randapparaturen aangesloten op de systeemeenheid? Elk randapparaat (bv. printer, scherm, muis, scanner, plotter,...) wordt op het bussysteem aangesloten via een kabel (serieel, parallel, USB) en een poort. poort CVE bussysteem uitbreidingskaart kabel randapparaat Ik wil een snelle computer kopen, waar moet ik op letten? Geregeld komen er nieuwe, snellere microprocessoren op de markt. Ze zijn herkenbaar aan de namen : Intel Celeron, Intel Pentium I, II, III,... De prestaties van de processor worden ondermeer bepaald door de breedte van de bussen en door de klok. Deze legt een bepaald tempo op aan de microprocessor. Dit tempo noemt men de kloksnelheid. De kloksnelheid wordt uitgedrukt in megahertz (MHz). Deze eenheid staat voor 1 miljoen kloktikken per seconde. Hoe hoger de kloksnelheid, hoe sneller de computer. De huidige computers werken aan snelheden van 500, 600, 700, 800,... MHz. Tot besluit : De prestaties van de pc in zijn geheel zijn niet alleen afhankelijk van de microprocessor. Zij hangen ook af van de grootte van het intern geheugen en van de prestaties van de harde schijf. E. De werking van de systeemeenheid -18-