Inhoud introductie Introductie tot de cursus 1 Plaats en functie van de cursus 7 2 Inhoud van de cursus 8 2.1 Voorkennis 8 2.2 Leerdoelen 8 2.3 Opbouw van de cursus 8 2.4 Leermiddelen 10 3 Aanwijzingen voor het bestuderen van de cursus 10 3.1 Opbouw van een leereenheid 10 3.2 Volgorde van te bestuderen blokken 11 3.3 Apparatuurspecificaties 12 3.4 Installeren van de software 12 4 Tentamen 13 5 Praktische informatie 14 5.1 Studiebegeleiding en Studienet 14 5.2 Literatuur 14 6
Introductie tot de cursus In deze introductie geven we de praktische informatie die u nodig hebt om de cursus te bestuderen. Aan bod komen plaats en functie van de cursus, het cursusmateriaal, aanwijzingen bij het bestuderen, begeleiding en tentaminering. De behandelde onderwerpen zijn zelf geen studiestof en worden dus ook niet getentamineerd. 1 Plaats en functie van de cursus De cursus De werking van computersystemen (cursuscode T.16.1.4.1) is een cursus van het eerste niveau, met een studielast van 100 uur (4,3 ECTS). De cursus is binnen het informaticacurriculum een eerste inleiding in de computerhardware. De cursus is een verplicht vak in de propedeuse van de bacheloropleiding Informatica en verschaft de noodzakelijke voorkennis voor onder andere de cursus Besturingssystemen en achtergrondkennis voor vele andere cursussen. De cursus is opgebouwd uit vier delen In de delen 1 en 2 beschrijven we de opbouw van de computer. In deel 1 beginnen we met de vertrouwde buitenkant, dus de manier waarop de computer zich aan ons presenteert als functioneel apparaat. In deel 2 analyseren we hoe de computer is opgebouwd uit componenten, wat hun functie is, en hoe ze onderling samenwerken. De rode draad hierin is de constructie van logische schakelingen die de basis vormen van het rekenen met de computer. Daarmee verbonden is de manier waarop getallen in een computer worden gerepresenteerd en hoe daarmee wordt gerekend. Op basis van de componenten van een processor die we in deel 2 hebben leren kennen, stappen we in deel 3 over naar de architectuur van processoren. We bekijken daarin hoe de architectuur van een processor wordt aangepast op het toepassingsgebied. In deel 4 geven we inzicht in het programmeren van een processor in assembleertaal. Daarbij is gekozen voor de MIPS-processor. We sluiten dit deel af met een integratiepracticum waarin u het gedrag van een processor in de praktijk kunt observeren en hiermee kunt experimenteren. Doelgroepen Deze cursus is zeker niet alleen bedoeld voor mensen die zich willen ontwikkelen tot hardwarespecialisten. Ook voor degenen die te maken hebben of krijgen met softwareontwikkeling, informatiesystemen, netwerken, kantoorautomatisering en computerconsultancy is het belangrijk om een basaal maar wel gedegen beeld te hebben van de OUN 7
De werking van computersystemen computerhardware en de softwarebesturing daarvan. Ten slotte is de cursus ook nuttig voor personen die regelmatig met computerapplicaties werken en voor geïnteresseerden, die wel eens willen weten hoe die magische kast op hun bureau eigenlijk werkt. 2 Inhoud van de cursus Kennis van wiskunde: rekenen, functies, formules Analytisch inzicht Java 2.1 VOORKENNIS Enige basiskennis van de wiskunde is onontbeerlijk. U wordt geacht vertrouwd te zijn met rekenkundige principes en wiskundige functies, en om te kunnen gaan met formules. Bij het ontwerpen van schakelingen en het programmeren in assembleertaal wordt analytisch inzicht en enige creativiteit van u verwacht. De noodzakelijke voorkennis kunt u desgewenst verwerven door het bestuderen van de cursus Inleiding informatica. Voor het inzicht in en gebruik van een hogere programmeertaal worden de kennis en vaardigheid op het niveau van Objectgeoriënteerd programmeren in Java 1 verwacht. Van hieruit kunt u gemakkelijk de overstap maken naar de gebruikte taal C in het integratiepracticum. 2.2 LEERDOELEN Na bestudering van de cursus wordt verwacht dat u de ontwikkeling en toepassingsmogelijkheden van computers in algemene termen kunt beschrijven de werking van een computer op alle niveaus begrijpt en deze kennis in de praktijk kunt toepassen de logische bouwstenen kunt gebruiken en hun beperkingen kent eenvoudige logische schakelingen kunt ontwerpen van de genoemde getalrepresentaties de eigenschappen kent om kunt gaan met de simulator SPIM eenvoudige programma s in assembleertaal kunt begrijpen en zelf kunt schrijven een eenvoudig programma in C kunt maken, laden en testen in een microcontroller. Deel 1 Opbouw van een computersysteem 3 leereenheden Studielast: 14 uur 2.3 OPBOUW VAN DE CURSUS In deel 1 wordt de computer stap voor stap ontleed en in steeds meer detail bekeken. Eerst plaatsen we de computer in een context. Daarbij gaan we in vogelvlucht door de stormachtige ontwikkeling van de computerhardware en bespreken we de toepassingen van de diverse soorten computersystemen. Daarna bekijken we de componenten waaruit de computer is opgebouwd, met nadruk op de processor, het geheugen en hun onderlinge verbindingen. De andere onderdelen, de harde schijf, de cd-lezers, de poorten, het toetsenbord, de muis, het beeldscherm enzovoort, zijn alle randapparaten. Het principe van de aansturing daarvan door de processor wordt eveneens behandeld. Bij die behandeling staat de functie van de componenten en hoe ze met elkaar communiceren centraal, niet hoe die functie gerealiseerd wordt. 8 OUN
Introductie tot de cursus Deel 2 Schakelen, rekenen en onthouden Deel 3 Architecturen van microprocessoren Deel 4 Software sturing van hardware 9 leereenheden Studielast: 36 uur 3 leereenheden Studielast: 11 uur 4 leereenheden Studielast: 31 uur In de laatste leereenheid wordt besproken hoe we van de functionaliteit die moderne processoren bieden, gebruik kunnen maken. Hier passeren allerlei instructies en adresseringsmogelijkheden waarmee de processor geprogrammeerd kan worden de revue. In deel 2 beginnen we met de behandeling van de elementaire bouwstenen van de computer: de transistor als schakelaar. Constructie en eigenschappen worden behandeld en hun toepassing in logische schakelingen, alsmede de fysieke beperkingen. Daarna wordt besproken hoe getallen en andere gegevens in de computer gecodeerd worden, en hoe daarmee gerekend kan worden. Vervolgens worden uit logische basispoorten steeds complexere schakelingen opgebouwd, eerst combinatorische schakelingen, zónder geheugenwerking, en daarna sequentiële schakelingen, mét geheugenwerking. Facultatief kunt u de ontworpen schakelingen simuleren en testen in de simulator (20-sim), een activiteit die het gevoel geeft echt iets te bouwen. Wij adviseren u de 20-sim-opdrachten ook inderdaad te doen. Het zal de materie voor u doen verlevendigen, waardoor u zich de stof eenvoudiger eigen maakt. In deel 3 verhogen we het abstractieniveau en bekijken we de architecturen van de verschillende microprocessoren. Enerzijds de aanpassingen om de prestatie van processoren te verhogen, anderzijds om een processor geschikter te maken voor de taak die de processor moet uitvoeren. Hierbij moet u denken aan processoren voor bijvoorbeeld beeldverwerking, de digital signal processors (DSP) of processoren die een technisch systeem besturen, de controllers. Ook bekijken we in dit deel wat we verstaan onder de prestatie van een processor en hoe we die prestatie bepalen. In deel 4 leert u eerst eenvoudige programma s schrijven in assembleertaal. In deze taal weerspiegelt zich nog op registerniveau de architectuur van een processor. Voor het assemblerprogrammeren is er gekozen voor een processor met een eenvoudige, overzichtelijke structuur, namelijk de MIPS-processor. Eerst komen de speciale eigenschappen van de organisatie van een computersysteem met een MIPS-processor aan de orde en de MIPS-instructieset wordt besproken. Vervolgens worden de installatie en de werking van een MIPS-simulator (SPIM) behandeld, om programma s in assembleertaal voor de MIPSprocessor uit te proberen. Bij die behandeling wordt ook ingegaan op het vertalen, assembleren en linken van programma s op een echte processor. Ten slotte worden de eerste beginselen besproken van gestructureerd programmeren, toegesneden op het gebruik van assembleertaal. Dit deel wordt afgesloten met een integratiepracticum waarin u de procesgang van hogere programmeertaal via compilatie naar assembler en machinetaal, het laden en uitvoeren van code op een echte processor in werking ziet. In dit geval gebruiken we als processor een microcontroller als voorbeeld van een toepassing van een processor in een andere context dan een administratieve omgeving. Wij adviseren u de SPIM-opdrachten en het practicum ook inderdaad uit te voeren, Het verdiept uw inzicht in de werking van en de aansturing van processoren, waardoor u zich de stof beter eigen maakt. OUN 9
De werking van computersystemen Eindtoets Studielast: 4 uur Als eindtoets zijn twee voorbeeldtentamens op de cursussite aanwezig; Het is aan te bevelen deze eindtoets binnen drie uur zelfstandig en zonder hulpmiddelen te maken, direct na het bestuderen van de cursus. Daarna kunt u uw uitwerking met de bijgeleverde terugkoppeling vergelijken. 2.4 LEERMIDDELEN Het toegezonden cursusmateriaal bestaat uit de volgende fysieke onderdelen: cursusdeel 1, Opbouw van een computersysteem cursusdeel 2, Schakelen, rekenen en onthouden cursusdeel 3, Architecturen van microprocessors cursusdeel 4, Software sturing van de hardware experimenteerbord met microcontroller inclusief een cd-rom met software van en documentatie over dit experimenteerbord cd-rom van de Open Universiteit Nederland met daarop de ontwikkelomgeving AVR Studio 4 voor de experimenten in het integratiepracticum in leereenheid 19. Op de bijbehorende cursuswebsite zijn de volgende cursusmaterialen online beschikbaar: installatiesoftware van de simulator 20-sim, versie 2.02, met ingebouwd speciale bouwstenen voor studenten installatiesoftware van de simulator SPIM, namelijk PC-SPIM voor Windows, versie 1.0, en voorbeeldprogramma s uit de leereenheden 16 tot en met 18 de ontwikkelomgeving AVR Studio 4 voor de experimenten in het integratiepracticum in leereenheid 19 de practicumbeschrijving zelf (leereenheid 19) die vanwege de dynamiek van het onderwerp online wordt aangeboden de uitwerking van de experimenten met 20-sim twee tentamenvoorbeelden inclusief uitwerking. 3 Aanwijzingen voor het bestuderen van de cursus Leereenheid Introductie Leerdoelen Studeeraanwijzingen 3.1 OPBOUW VAN EEN LEEREENHEID De cursus is verdeeld in leereenheden. Een leereenheid is een afgerond deel van de stof dat u in vier tot acht uur moet kunnen bestuderen. Elke leereenheid wordt voorafgegaan door een inhoudsopgave en bestaat verder uit een introductie, een leerkern, een samenvatting, een zelftoets en een terugkoppeling. We geven een korte omschrijving van deze onderdelen. De introductie schetst de functie van de leereenheid in het kader van de complete cursus en geeft een motivatie waarom de te behandelen stof van belang is. Meestal wordt ook kort aangegeven welke onderwerpen aan de orde komen. In de introductie vindt u ook de leerdoelen, die aangeven welke kennis en vaardigheden u geacht wordt te hebben na bestudering van de leereenheid. De introductie wordt afgesloten met studeeraanwijzingen, bijvoorbeeld over waar u speciaal op moet letten, iets over de benodigde extra leermiddelen, of eventuele facultatieve paragrafen. In ieder geval wordt de geschatte studielast vermeld. 10 OUN
Introductie tot de cursus Leerkern Opgaven Opdrachten Studeeropdrachten De leerkern bevat de feitelijke leerstof. Verspreid over de leerkern treft u opgaven, opdrachten en practicumopdrachten aan. Hierin worden uw kennis en vaardigheid getest. Het verschil tussen de drie categorieën is als volgt. Bij opgaven hebben de vermelde vragen direct betrekking op de stof. Het is aan te bevelen dat u de opgaven tijdens het bestuderen zelfstandig uitvoert, omdat anders het gevaar dreigt dat uw kennis passief blijft. In de leereenheden 4 t/m 13 staan opdrachten die verwijzen naar opgaven in het practicumboek; ze moeten in de simulator 20-sim op de computer worden uitgevoerd en behoren tot de leerstof. Die leerstof kan in het tentamen worden getoetst. Op gezette plaatsen in de leerkern komt u ook studeeropdrachten tegen, dat zijn opgaven zonder nummer. Samenvatting Zelftoets Terugkoppeling Kernbegrippen Studeeraanwijzingen Belangrijk! Dit is een voorbeeld van een studeeraanwijzing. De functie van een studeeropdracht is om u even aan het denken te zetten. In principe zijn deze opdrachten uitvoerbaar met de tot dat punt in de tekst behandelde kennis, al wordt er soms enige creativiteit van u verwacht bij het vinden van een oplossing. De uitwerking van de studeeropdracht staat altijd in de tekst direct na de opdracht. Direct achter de leerkern staat een samenvatting, waarin de belangrijkste zaken uit de leerstof nog eens op een rijtje worden gezet. Dan volgt een zelftoets, een verzameling opgaven, aan de hand waarvan u voor uzelf kunt nagaan of u de behandelde stof beheerst. Ook hier is het aan te bevelen de opgaven ook echt te maken. In de terugkoppeling aan het einde van de leereenheid staan alle antwoorden, (voorbeeld)oplossingen en uitwerkingen van de opgaven en de zelftoets. Grijp niet te snel naar de tekst in de terugkoppeling! Deze is immers in de eerste plaats bedoeld ter vergelijking met uw eigen uitwerking. Alleen als u er echt niet uitkomt, biedt de terugkoppeling een uitweg. In dat geval is het raadzaam de voorgaande leerstof nog eens door te nemen. Het is u waarschijnlijk al opgevallen dat links van de lopende tekst allerlei aanwijzingen in de marge staan. De cursief gedrukte trefwoorden uiterst links zijn kernbegrippen, dat zijn belangrijke begrippen of namen die in de tekst genoemd worden. Met behulp van deze kernbegrippen in de marge kunt u eenvoudig stukken tekst terugvinden; bovendien brengen ze lijn in de leerstof. Direct links van de lopende tekst staan de studeeraanwijzingen. Dat kunnen toelichtingen zijn op vreemde woorden, aanwijzingen hoe de tekst gelezen moet worden, of verwijzingen naar eerder behandelde stof of nog te behandelen stof. Soms is in de leerstof een passage ingevoegd die wat dieper op de stof ingaat of daar een kanttekening bij plaatst. Een dergelijke passage behoort niet tot de tentamenstof en is te herkennen aan de aanduiding Leestekst en het kleinere lettertype. 3.2 VOLGORDE VAN TE BESTUDEREN BLOKKEN De leerdoelen van de stof in deel 4 houden in dat u met de MIPSassemblerinstructies om kunt gaan en dat u eenvoudige assemblerprogramma s kunt lezen en zelf kunt maken. Dat zijn alle vaardigheden die u niet verkrijgt door het lezen van de stof in de leerkern. U zult om die vaardigheden te verkrijgen met de stof moeten oefenen. Dat vraagt meestal ook tijd om te bezinken. OUN 11
De werking van computersystemen Die tijd krijgt u door de bestudering van de cursus over een langere tijd (circa 3 à 4 maanden) te plannen. U kunt enige tijd winnen doordat de leerstof in de leereenheden 16, 17 en 18 onafhankelijk is van de rest van de leerstof. Hierdoor is het mogelijk om deze leereenheden gelijktijdig met de andere leereenheden te bestuderen. 3.3 APPARATUURSPECIFICATIES Voor de gebruikte software is het voldoende dat u beschikt over een pc met ten minste Windows XP. Voor het gebruik van Studienet moet u beschikken over een internetaansluiting. 3.4 INSTALLEREN VAN DE SOFTWARE Bij de cursus horen enkele softwareprogramma s om de leerstof te verduidelijken, namelijk: 20SIM (facultatief) SPIM (dringend aanbevolen) AVR studio 4 + WINAVR Simulator 20-sim De simulator 20-sim wordt in deel 2 van de cursus gebruikt om uit logische basispoorten schakelingen op te bouwen en te testen. Dat is een speciaal voor deze cursus aangepaste versie van een oorspronkelijk door de Universiteit Twente gemaakt, veel uitgebreider simulatieprogramma. Het is niet toevallig dat de uitspraak van de naam 20sim analoog is met de uitspraak Twente sim. De software voor installatie van de juiste versie van de simulator 20-sim, een bestand met de naam 20sim.zip en een omvang van circa 3,2 Mb, kunt u van de cursuswebsite op Studienet downloaden. Installatieaanwijzingen: kies of maak eerst een tijdelijke map, bijvoorbeeld d:\tijdelijk, om de op te halen bestanden op te slaan; maak daarin ook een submap met bijvoorbeeld de naam 20sim-extensie bepaal ook waar u het te installeren programma 20sim wilt plaatsen; gangbaar is om dat te doen binnen de map C:\Program Files; wilt u daar installeren, maak dan eerst binnen die map een submap 20sim of een map OunlInformatica\20sim download het bestand 20sim.zip (circa 3,2 Mb) van de cursuswebsite en sla het op in de tijdelijke map unzip het bestand en laat de ge-unzipte versie in de map 20simextensie plaatsen; daarin komen dan de mappen disk1, disk2 en disk3 dubbelklik binnen de Verkenner en in de map disk1 op het daarin staande bestand setup.exe volg de installatieaanwijzingen op; kies voor een typical installatie, plaats de installatiebestanden in de vooraf door u bepaalde map (zie de tweede stap hierboven), accepteer de gesuggereerde opstartnaam 20sim. 12 OUN
Introductie tot de cursus Opmerking: Deze procedure impliceert dat de bestanden van door u uitgevoerde simulaties binnen de map Program Files terechtkomen en wel binnen de map Projects binnen de map 20sim. U kunt het programma opstarten door te klikken op Start, dan Programma s en dan twee keer op 20-sim. Simulator SPIM De simulator SPIM wordt in deel 4 van de cursus gebruikt om programma s gemaakt met MIPS-instructies te testen. Deze applicatie hoort bij het boek Computer organization and design van Patterson en Hennesy. De software voor installatie van SPIM, een bestand met de naam spimwin.exe en een omvang van circa 876 kb, kunt u van de cursuswebsite op Studienet downloaden. Dat geldt ook voor een serie voorbeeldbestanden. Installatieaanwijzingen: kies of maak eerst een tijdelijke map, bijvoorbeeld d:\tijdelijk, om de op te halen bestanden op te slaan kies of maak ook één of meer mappen waar u de voorbeeld- en later uw eigen SPIM-werkbestanden zult plaatsen; bijvoorbeeld in Mijn Documenten in de mappen OU\WvC\SpimVoorbeeldProgs en OU\WvC\SpimEigenProgs bepaal ook waar u het te installeren programma Spim wilt plaatsen; gangbaar is om dat te doen binnen de map C:\Program Files; wilt u daar installeren, maak dan eerst binnen die map een submap Spim of een map OunlInformatica\Spim download het bestand spimwin.exe (circa 876 kb) en het bestand asm.zip (20 kb) van de cursuswebsite en sla het op in de tijdelijke map dubbelklik binnen de Verkenner en in de tijdelijke map op spimwin.exe voer de enige installatieaanwijzing uit: de keuze voor de map waarbinnen SPIM geplaatst wordt (zie de derde stap hierboven) unzip het bestand asm.zip met de voorbeeldbestanden en plaats die mappen en bestanden op de vooraf door u bepaalde map (zie de tweede stap hierboven). AVR studio 4 In leereenheid 19 worden de instructies voor de installatie van AVR studio 4 gegeven. U kunt het programma SPIM opstarten door te klikken op Start, dan Programma s en dan twee keer op PC-Spim voor Windows. 4 Tentamen Het tentamen wordt schriftelijk afgenomen en duurt drie uur. Het bestaat uit een aantal open vragen. Het gebruik van studiemateriaal en een rekenmachine is daarbij niet toegestaan. In het tentamen zijn maximaal 80 punten te behalen, de cesuur zal bij 43/44 liggen. Tentamendata worden gepubliceerd in de studiegids en op de internetsites van de Open Universiteit Nederland. OUN 13
De werking van computersystemen 5 Praktische informatie 5.1 STUDIEBEGELEIDING EN STUDIENET Begeleidingsbijeenkomsten Toegang tot Studienet De cursus De werking van computersystemen is onderdeel van de propedeusefase van de bacheloropleiding Informatica. De cursus heeft als zodanig een vaste plaats in het studiejaar zoals aangegeven in de studiegids en op de cursussite. In deze periode worden er begeleidingsbijeenkomsten georganiseerd op avonden in een beperkt aantal studiecentra van de Open Universiteit Nederland in Zwolle, Eindhoven, Amsterdam en Rotterdam. Daarnaast wordt parallel aan de begeleidingscycli in de studiecentra ook groepsgewijze begeleiding gegeven via de virtuele klas op Internet. Buiten die begeleidingsperiode is er alleen de gebruikelijke begeleiding via Studienet (discussiegroep en e-mail). Voor verdere informatie wordt u verwezen naar de studiegids, de studieplanner, het studieaanbod en de cursussite op Studienet van de Open Universiteit Nederland. Als student van deze cursus krijgt u toegang tot het Studienet van de Open Universiteit Nederland. U moet daarvoor beschikken over een internetaansluiting en een browser. Studienet is beperkt toegankelijk, u hebt daarom een wachtwoord nodig. Volg daartoe de instructies die u kunt vinden op de startpagina van de Open universiteit Nederland: www.ou.nl. Werkplek Cursussite Discussiegroep Na inloggen op Studienet komt u op uw persoonlijke werkplek (mijn werkplek). Van daaruit kunt u doorklikken naar de cursussite van De werking van computersystemen T16141. Op de cursussite zelf vindt u informatie over de cursus, de begeleiding en het tentamen, eventuele errata op de cursus, relevante internetlinks, software die u kunt ophalen, een lijst met veelgestelde vragen plus antwoorden, en eventueel experimentele uitbreidingen op de cursus. Tevens hebt u toegang tot de discussiegroep bij de cursus. Hierin kunt u vragen en opmerkingen kwijt. Antwoorden en reacties kunnen komen van medestudenten, van het cursusteam of van de studiebegeleiders. Actieve participatie van u aan deze discussiegroep bevelen wij van harte aan. 5.2 LITERATUUR Voor degenen die zich verder willen verdiepen in de stof, bevelen wij de volgende boeken aan. Over de geschiedenis: Zuse, Konrad, Der Computer, mein Lebenswerk. Berlijn, Springer Verlag, 1984. Capron, H.L., Computers: tools for an information age. Menlo Park, The Benjamin/Cummings Publ. Cy., Inc., 1996, Fourth Edition. 14 OUN
Introductie tot de cursus Over de techniek: Patterson, David A. en John L. Hennessy, Computer organization and design: the hardware/software interface. San Francisco, Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2009, Fourth Edition, ISBN 978-0-12-374493-7. De stof in dit boek heeft model gestaan voor de revisie van de onderhavige cursus, met name wat betreft de keuze van de voorbeeldprocessor (MIPS) en de bijbehorende processorsimulator SPIM. Tanenbaum, Andrew S., Structured Computer Organization. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, 2006, ISBN 0-13-148521-0. Schäfer, F., AVR hardware en C-programmering in de praktijk, Elektor International Media BV, 2008, ISBN 978 90 5381 233 4. Wilmshurst, T., Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers, Principles and Applications. Elsevier Ltd, 2007, ISBN 978 0 7506 6755 5. OUN 15