Hoe werkt een computer

ComputerIn het volgende artikel willen wij jullie iets vertellen over werking van een computer, laptop, smartphone en/of tablet. Wat gebeurt er nu eigenlijk, van A tot Z, bij het indrukken van de aan- / uitknop? Hoe werken, denken en communiceren de diverse hardwarecomponenten met elkaar? Welke stappen doet het apparaat tijdens het gehele opstartproces? Wat is de relatie tussen Hardware en Software? Lees het hieronder!

Hardware: 
Om goed te kunnen begrijpen hoe een computer werkt, beginnen we met de hardware van een computer/apparaat. Later in dit artikel komt de tegenhanger “Software” aan bod. De hardware in een computer betreft alle fysieke componenten die in een computer, laptop, smartphone en tablet een rol spelen.

Voeding:
Ook wel een Power Supply Unit (PSU) genoemd. Dit onderdeel zorgt ervoor dat er spanning, afkomstig van het lichtnet/stopcontact, zodanig omgezet/getransformeerd wordt zodat de diverse hardware voorzien kan worden van een voeding.
Er zijn natuurlijk talloze verschillende voedingen. De voeding waar wij het hier over hebben dient vijf verschillende spanningen te leveren: +12V, -12V, +5V, -5V en 3,3V. De twee 12V varianten worden gebruikt voor het aandrijven van motoren, denk aan de harde schijf en ventilatoren. Beide 5V varianten verzorgen de digitale schakelingen en de 3,3V wordt gebruikt voor het voeden van de Processor.
Het vermogen wat een voeding levert wordt uitgedrukt in “Watt”. Afhankelijk van de hardware configuratie van computer of laptop, wordt het wattage van de voeding bepaald. We kennen zogenaamde High-end systemen, die wel tot 1200 Watt nodig hebben. Maar ook laptops die het met 300 Watt kunnen redden.

Moederbord:
Het moederbord, ook wel systeembord, mainbord of mobo genoemd, is een vrij grote printplaat waarop andere hardware/printplaten kunnen worden ingestoken/gemonteerd.
Het moederbord is opgebouwd uit de volgende onderdelen: printplaat, verbindingen/spoorbanen, BIOS, chipset, insteekpoorten en diverse stekkerpoorten.
De componenten die gemonteerd worden op het moederbord zijn: processor, intern werkgeheugen, insteekkaarten (videokaart, geluidskaart) en diverse connectoren (voor het aansluiten van de harde schijf, CD/DVD-rom, voedingen, ventilatoren, aan/uitknop en resetknop van de behuizing). Ook wordt op het moederbord de diverse randapparatuur aangesloten, denk aan toetsenbord, muis, eventueel beeldscherm, printer, etc.
Het moederbord is eigenlijk het meest centrale punt van een computer. Via het moederbord worden door alle verbindingen/spoorbanen alle componenten met elkaar verbonden, waardoor deze met elkaar kunnen communiceren en daardoor elkaar kunnen aansturen en uitlezen.
Het BIOS (Basic Input/Output System) is een bepaald stukje programmatuur voor het opstarten van het systeem. Door middel van de BIOS kan het systeem een zelftest (POST, Power-On Self Test) doen. Hierbij checkt het systeem de processor, het geheugen, de videokaart en de opslagschijven. Ook bepaalde randapparatuur wordt gecontroleerd op juist functioneren. Ook kunnen er in de BIOS veel functies gewijzigd en/of uitgeschakeld worden.

Processor:
Een processor, ook wel CPU (Central Processing Unit of centrale verwerkingseenheid) genoemd. De processor is het hart van de computer, voert constant razendsnel heel veel berekeningen uit en dient in volgorde bepaalde instructies van een programma te verwerken. Het programma zelf staat in het interne geheugen (RAM, Random Access Memory), de processor haalt het programma op uit het geheugen via een bepaald geheugenadres, in het geheugenadres staat een code en deze code is de volgende uit te voeren instructie.
Afhankelijk van het aantal bits van de desbetreffende processor en de snelheid uitgedrukt in een[1]  frequentie, bepaalt de maximale grootte van de instructie en de snelheid waarmee deze uitgevoerd wordt. Tegenwoordig bestaan alle processoren uit 64 bits. De frequenties verschillen enorm!

Intern geheugen:
De eerste laag geheugen in de geheugenhiërarchie wordt aangeduid als het primaire geheugen. Zo kennen we het cachegeheugen, dit bevindt zich zeer dicht bij de processor en het RAM geheugen (het hoofdgeheugen). De laatste vorm van intern geheugen wordt direct op het moederbord aangebracht via een slot.
Het intern geheugen is razendsnel en zorgt voor zeer weinig vertraging bij het ophalen en opslaan van gegevens. Bij de meeste processors worden de transfers tussen intern en extern geheugen (harde schijf) volledig gestuurd door de programmatuur (software).

Harde schijf (HDD en SSD):
De harde schijf is een vorm van extern geheugen. Een elektromagnetisch computeronderdelen dat gegevens bewaart. Door middel van magnetische polarisatie worden gegevens op de schijf geschreven. Vervolgens kan de lees- en schrijfkop de gegevens weer uitlezen. Dit alles bevindt zich in dezelfde behuizing. De gegevens op de harde schijf zijn permanent, in tegenstelling tot het RAM geheugen en blijven ook bewaard als de computer uit is.
We kennen ook de SSD. HDD staat voor Hard Disk Drive en SSD voor Solid State Disk. Zo langzamerhand vervangen de SSD schijven de HDD schijven. De prijzen van SSD’s blijven dalen. De grootste verschillen tussen HDD en SSD zit hem in de lees- en schrijfsnelheid van gegevens en de zoek- en toegangstijd. Ook bevinden zich in een SSD geen bewegende delen. Dit is dan ook meteen de reden waarom SSD’s zoveel sneller zijn.
HDD’s en SSD’s zijn verkrijgbaar in diverse soorten, maten en opslagmogelijkheden.

Videokaart:
Een grafische kaart is de interface tussen een computer en het beeldscherm. Dit onderdeel bevindt zich in de computer op een slot op het moederbord. De videokaart heeft een eigen processor, de GPU (Graphics Processing Unit) en is speciaal ontworpen voor grafische data. De GPU berekent de beeldopbouw en versnelt het renderen van 3D beelden. De prestaties van een GPU worden uitgedrukt in gigaFLOPS.
Ook speelt het videogeheugen een belangrijke rol op een videokaart. Hierin wordt een digitale representatie van het beeld opgeslagen. Hoe meer geheugen op de videokaart, hoe meer voorbewerkte beelden hierin passen. Hierdoor gaan deze berekeningen niet ten koste van de prestaties van de kaart. De snelheid van het geheugen wordt uitgedrukt in dezelfde frequenties als een CPU: MHz en GHz.
Ook bevindt zich regelmatig een videokaart onboard, ingebakken, op het moederbord. Hierbij dient de CPU ook als GPU. De prestaties zijn uiteraard wel een stuk minder dan een fysieke grafische kaart.

De hierboven genoemde componenten zijn de belangrijkste zaken in een computer. Al deze onderdelen bevinden zich ook in een laptop, smartphone en tablet. Maar omdat deze een stuk kleiner en compacter zijn, zijn er vaker componenten op elkaar vastgebakken. Omdat e.e.a. kleiner is, zijn de prestaties, relatief gezien, minder. Alsnog snel genoeg om heerlijk op te kunnen werken!

Firmware: 
Firmware is software die in hardware geprogrammeerd is. Zoals de BIOS van het moederbord. Maar ook bijvoorbeeld routers en zelfs televisies. Firmware wordt ook vaak gebruikt als besturingssoftware voor elektronica waar een processor aanwezig is.

Software:
Software of programmatuur zijn andere woorden voor computerprogramma’s. Software is de tegenhanger van Hardware en daardoor de niet-tastbare variant.
Het besturingssysteem van een computer, ook wel systeemsoftware genoemd, is nodig voor het functioneren van het systeem. De hierbij bekende voorbeelden zijn Windows, Linux en Mac OS. We nemen in dit artikel even Windows 7 als voorbeeld besturingssysteem.
Het besturingssysteem stuurt, door middel van stuurprogramma’s (Drivers), de gehele computer aan. Drivers zijn kleine softwarematige pakketjes die ervoor zorgen dat er een verbinding komt tussen de hardware en het besturingssysteem.
De kern van het besturingssysteem, ook wel de kernel genoemd, implementeert alle diensten die voor het hele systeem beschikbaar zijn, zoals multitasking en geheugenbeheer.
Het besturingssysteem maakt het werken op een computer een stuk makkelijker. Denk hierbij aan het kopiëren van bestanden, aanmaken van mappen en het installeren en gebruiken van andere softwarepakketten, zoals Word, Excel, PowerPoint en foto- en videobewerking en spellen.

Nu we alle belangrijkste begrippen wel zo een beetje gehad hebben, kunnen we overgaan naar het opstartproces van de computer. Wat gebeurt er, vanaf het indrukken van de aan/uitknop tot het kunnen werken in het besturingssysteem.

Het opstarten kan beginnen:
Bij het indrukken van de aan/uitknop komt er spanning op het gehele systeem te staan. Alle hardware componenten krijgen nu een voeding zodat deze in bedrijf gesteld worden en met elkaar kunnen communiceren. Na het spanning krijgen van alle hardware componenten wordt de BIOS opgestart. De BIOS begint met de POST van het gehele systeem. De verschillende hardware componenten wordt aangesproken en getest op het juist functioneren. Wanneer er een fout geconstateerd wordt, geeft het systeem een serie pieptonen. Wanneer de test goed doorlopen wordt, gaat de computer verder met de opstartprocedure.

Vervolgens wordt het besturingssysteem geladen. Het logo van Windows 7 komt nu in beeld. Windows is nu op achtergrond van alles aan het laden. Programmabibliotheken zoals netwerkabstracties en bestandssystemen, services en processen die noodzakelijk zijn voor het functioneren van het systeem zoals programmamanagers, printermanagers en windowmanagers en de drivers, die de hardware componenten nodig hebben om juist te kunnen functioneren, worden geladen.

Zodra dit allemaal gereed is, is Windows bijna gereed met het opstarten en klaar om in gewerkt te worden. Wanneer er een wachtwoord vereist is, dient deze eerst ingevoerd te worden om de opstartprocedure af te maken. Wanneer dit gedaan is, zal Windows de grafische aspecten voor de desktop/verkenner gaan laden. De startbalk, desktop en snelkoppelingen. Dit noemen we de “Explorer”.

(bronvermelding: www.hcc.nl)