Computerens opbygning

De komponenter der anvendes til fremstilling af computere er ændret dramatisk siden 1940’ernes radiorør, som blev erstattet af transistorer og siden meget komplekse integrerede kredsløb.

Computerens-opbygning

De fleste af nutidens computere baserer sig fortsat på von Neumann arkitektur, der blev udviklet i starten af 40’erne. Den består grundlæggende af 4 dele:• regneenheden (den aritmetisk-logiske enhed (eng. Arithmetic and Logic Unit, ALU))
• hukommelsen (lageret) der indeholder data og programmer (eng. Memory)
• ind- og udgangsforbindelser til omverdenen – Fx skærm, tastatur (eng. Input/Output, I/O)
• kontrolenheden (CPU’en) der styrer de 3 øvrige enheder og fortolker programinstruktionerne i hukommelsen

Disse dele er indbyrdes forbundne (eng. Bus).

Anvendt matematik

John von Neumann (1903-1957), var den vigtigste forsker indenfor anvendt matematik i det 20. århundrede. Han blev født i Budapest, men arbejdede fra 1931 på Princeton Universety i USA.

Han var en af hovedpersonerne bag udviklingen af computeren, der har revolutioneret industrisamfundet.

Regneenheden kan foretage aritmetiske operationer (addition, subtraktion, multiplikation, division), logiske operationer og sammenligne data.

Hukommelsen (Lageret) rummer de informationer som computeren arbejder med – dvs. instruktioner og data.

Cachen anvendes til at begrænse trafikken til ydre lagerenheder, så maskinens regnekraft kan øges. 

RAM og ROM lageret er lidt langsommere end cachen, men til gengæld langt større.

ROM’en (Read Only Memory) kan kun læses. Her ligger PC’ens BIOS (Basic I/O System). Maskinens ”startmotor”.

Til RAM’en (Random Access Memory) kan man også tilføje (skrive) nye informationer.

Kontrolenheden (CPU’en) afvikler programmets instruktioner og styrer de øvrige enheder.

I/O enhederne giver computeren mulighed for kommunikation med omverdenen.I dag har en PC typisk følgende I/O enheder: skærm, tastatur, mus, modem, netkort, printer, scanner.

Hukommelse er et begreb som betegner evnen til at gemme informationer i et system. Disse informationer kan hentes frem og bruges når man ønsker det.Eksempler på medier til lagring af hukommelse, kan være hjernen, bøger, film, billeder, lydoptagelser, ram, rom og harddiske, CD rom og DVD.Man kan opdele hukommelse i tre faser:

1.Indkodning eller skrivning, hvor informationen gemmes. 

2. Lagring, hvor den gemte information bliver opretholdt. 

3. Genkaldelse eller læsning, hvor den lagrede information fremkaldes.

b-1-hukommelsespunkt-chipw<- Hukommelsespunkt
0 og 1 det er lige fedt

Det eneste hukommelsespunktet (som jeg vælger at kalde en enkelt transistor i chippen) kan er at være tændt 1 eller slukket 0. Så simpelt er det.

Men med millioner og milliarder 1’taller og 0’er kan man udrette utroligt meget.

b-10-tal-og-binaere-talBinære tal

Men først må man oversætte de almindelige tal og bogstaver til 1’er og 0’er.
Til venstre er talrækken fra 0 til 32, skrevet med almindelige tal (10-talsystemet).
I næste søjle er de samme tal skrevet med det binære talsystem, som udelukkende består af 1(tændt) og 0(slukket).

Det ville være enkelt, hvis man på samme måde kunne oversætte alfabetet til binære tal. Det kan man ikke, for uanset hvilket binært tal man Fx tildeler bogstavet a, så vil den værdi samtidig refererer til et almindeligt tal i 10-talsystemet.

Løsningen er, at alfabetet oversættes til almindelige tal, som så efterfølgende kan oversættes til binære tal.


ASCII alfabetet

• American Standard Code for Information Interchange
• Angiver tegnets placering i alfabetet ved at tildele tegnet en heltalsværdi
• Det oprindelige ASCII tegnsæt indeholder 128 tegn
Det udvidede ASCII tegnsæt indeholder 256 tegn, som også rummer de specielle danske tegn ‘æ’, ‘ø’, ‘å’, ‘Æ’, ‘Ø’ og ‘Å’

ASCII-tegn, der kan udskrives

b-ascii-tabell-128-1

Tallene fra 32–126 er tildelt tegn, som kan findes på tastaturet.

Tallet 127 repræsenterer kommandoen DELETE.

 

 

 

 

 

 

 

Udvidede ASCII-tegn, der kan udskrives

b-ascii-tabel-256-1w
De udvidede ASCII-tegn imødekommer kravet om flere tegn, så der nu er 256.

Selv med disse ekstra tegn er der mange sprog, der indeholder symboler der ikke er med i de 256 tegn. Derfor findes der varianter af ASCII, som rummer regionale tegn og symboler.

 

 

ASCII-kontroltegn, der ikke kan udskrives
b-ascii-tabeller-w

 

 

 

 

 

Tallene fra 0–31 i ASCII-tabellen er tildelt kontroltegn, der bruges til at kontrollere fx printere. Tallet 12 repræsenterer fx funktionen til sideskift/ny side. Denne kommando giver en printer besked om at gå til toppen af næste side.

Selvom 0 og 1 er grundlaget for al information i computeren, så er det meget uoverskueligt at se, hvad der sker, og hvad det betyder. For hvem kan se hvad det binære tal 10100101010101101 betyder? Er det måske 81!
Og bogstaverne skal opfattes som nogle symboler, der hver er tildelt en talværdi i ASCII alfabetet.
Hver gang vi trykker på tastaturet bliver der sendt en værdi bestående af 1’er og 0’er, som processoren så fortolker. Herefter kan den sende symbolet op på skærmen via grafikkortet.

 

Binære mirakler

b-1-hukommelsespunkt-chipw

Et hukommelsespunkt/transistor
grafik: Claus Bangsholm

b-25-hukommelsespunkter

25 hukommelsespunkter/transistorer
grafik: Claus Bangsholm

b-sluk-taend-25-

25 hukommelsespunkter/transistorer i aktion.
grafik: Claus Bangsholm

Som allerede nævnt kan de enkelte transistorer i chippen enten være tændt 1 eller slukket 0.
Alle transistorer i bl.a. RAM, grafikkort og processor er følsomme overfor strømspænding. En høj spænding betyder 1 (tændt) og en lav betyder 0 (slukket).
Man kan kun registre disse to tilstande – ikke Fx høj, mellem høj, middel, middel lav, lav… o.s.v. Derfor må man arbejde med det binære talsystem. Men med millioner og milliarder 1’taller og 0’er kan man, som allerede nævnt, udrette utrolig meget.

Det som chippen i illustrationen ”husker” er det binære tal:
0110111110010111010110100
Måske er det tallet 67 som i ASCII alfabetet står for bogstavet C.

Der er godt nok lang vej, bare man skal skrive ”Claus”. Så skal man måske bruge langt flere hukommelsespunkter end de 225, som er vist i den næste figur.

b-450-hukommelsespunkter

 

 

 

 

 

 

 

225 hukommelsespunkter/transistorer, der er laaang vej, til noget der kan bruges.
grafik: Claus Bangsholm

Mere hukommelse

Udviklingen inden for chipteknologien har gennem mere end 40 år fulgt Moores lov, som siger: at antallet af transistorer i en chip fordobles ca. hver 18. måned. Det skyldes, at fremstillingsteknologien konstant er forbedres, så de interne afstande i chippen er blevet mindre.

Når transistorerne i en chip og deres indbyrdes afstande formindskes, kan en hukommelseschip gemme flere og flere bits* på samme areal.

b-kritisk-afstand-melle

 

 

 

 

 

I 2006 var afstanden mellem chippens hukommelsespunkter 25 nm. Den nedre grænse anslås til 5 nm.

Moores lov forventes at holde indtil 2010-15. Til den tid vil de interne afstande i chippen være så små, at kvantemekaniske effekter? vil forstyrre virkemåden.

Når den nuværende teknologi ikke kan forbedres yderligere, vil komponenter baseret på nanoteknologi? måske være så fremskredne, at de kan erstatte de nuværende chips. Udviklingen af hurtigere og kraftigere og mindre computere vil fortsætte.

Flere transistorer betyder større regnekapacitet, og det er blandt andet denne eksplosive vækst i regnekapacitet, som har ført til Internettets overvældende succes.

 

Flip-Flop

En flip-flop er en fællesbetegnelse for simple elektroniske kredsløb. Alle flip-flops har to ting til fælles:
• Enhver flip-flop kan antage – og forblive stabil – i én af to forskellige tilstande, svarende til de to digitale signaler “0” og “1”. Den ene af to udgange afspejler hvilken tilstand flip-floppen for øjeblikket befinder sig i (kaldes Q), og den anden leverer det komplementære (“modsatte”) signal (not-Q).

 

 

 

 

 

 

• En eller flere indgange for styresignaler: Ved at tilføre flip-floppen bestemte digitale signaler gennem disse indgange, kan man få den til at skifte tilstand.

Egenskaben med de to stabile tilstande gør at flip-flops ofte bruges til som hukommelse til at opbevare binær information – såkaldt statisk hukommelse (Statisk RAM – ‘Random Access Memory’) består af et stort antal flip-flops, som hver især husker på én bit information.

b-450-hukommelsesptekst

 

 

 

 

 

Intel

blev grundlagt af Gordon Moore og Robert Noyce i 1968.
Marcian Hoff fra Intel opfandt mikroprocessoren. Intels første mikroprocessor, 4004’eren, blev lanceret i 1971. Det var otte år før den først pc blev produceret af IBM.
Det var verdens første “single chip CPU”. En 4-bit processor 740KHz. Set med nutidens øjne ikke imponerende, men det blev starten på en æra uden sidestykke.
I dag er Intels CPU’er de mest udbredte på CPU-markedet da ca. 75% af alle verdens computere er bygget på deres teknologi.
En mikroprocessor er den elektroniske komponent, der styrer processerne i et logisk elektronisk kredsløb ved afviklingen af maskinkode-instruktioner.
Begrebet mikroprocessor dækker over, at alle cpu-funktioner er sammenbyggede i samme halvlederchip?