Hoe een computer werkt

Hoe werkt een computer eigenlijk? De hedendaagse computers zijn zo eenvoudig te bedienen met een muis of door aanraking van het scherm, dat de interne werking ervan onnavolgbaar lijkt. Lees verder om te ontdekken hoe een computer in grote lijnen werkt en dat het principe ervan relatief eenvoudig is.

De geschiedenis

De eerste computers waren analoog en mechanisch. Pas later begon men met digitale computers zoals de ENIAC in 1947. Deze computer had kolossale afmetingen en werkte door middel van vacuüm elektronenbuizen. Nadat in de jaren '50 de transistor werd geïntroduceerd, begonnen de afmetingen af te nemen en werden computers ook een stuk sneller. Ook de architectuur van computers veranderde en men begon computers te bouwen volgens de Von Neumann-architectuur.

De Von Neumann-architectuur was in 1944 ontworpen door de wiskundige John von Neumann en omvat het principe van een CPU (Central Processing Unit, ook wel de processor genoemd) die communiceert met aan de ene kant het werkgegeheugen en aan de andere kant de randapperatuur. Overigens was von Neumann niet de eerste die op dat idee kwam. Het principe was namelijk al in 1936 bedacht door Konrad Zuse. Alle huidige computers zijn nog steeds volgens de Von Neumann-architectuur gebouwd.

Bits en Bytes

Iedere digitale computer werkt met bits en bytes. Het principe van deze bits en bytes is eigenlijk vrij eenvoudig. In iedere computer zit een CPU en deze zit weer vol met piepkleine schakelaars (transistors). Een schakelaar staat aan of uit, meer mogelijkheden zijn er niet. Wanneer een schakelaar uit staat, noemt men dat een 0. Wanneer deze aan staat wordt het een 1 genoemd. Dit zijn de bits, uitgedrukt in enen en nullen. Een bit is dus of een 1 of een 0 en een reeks van 8 bits wordt een byte genoemd.

Iedere reeks bits wordt door een draad als elektrisch signaal verstuurd. Het gaat hierbij om een laag voltage (een 0) of een hoog voltage (een 1). Deze reeks hoge en lage voltages zorgen er weer voor dat verschillende schakelaars in de CPU aan of uit worden gezet. Dit aan en uit zetten van schakelaars zorgt in essentie voor de functionaliteit van een computer. Een CPU krijgt instructies van een programma en die instructies zijn per soort CPU (instructieset) vastgelegd. Dus voor een instructie die er voor zorgt dat er gegevens van het ene geheugen naar het andere geheugen worden verplaatst, bestaat in feite uit een reeks lage en hoge voltages in een vast tijdsbestek.

Kloksnelheid

Om de verschillende impulsen van hoge en lage voltages uit elkaar te houden wordt er een kloksignaal gebruikt. Als dat niet zo zou zijn, dan zou bijvoorbeeld de computer niet weten of het gaat om drie nullen achter elkaar of slechts één nul. Dit komt omdat drie keer een laag voltage feitelijk een constant laag voltage is die alleen drie keer zo lang duurt. De computer moet dus op een een of andere manier te weten komen wat een enkele bit is, of anders gezegd: hoe lang duurt 1 bit? Dit probleem wordt opgelost door middel van het kloksignaal.

Het kloksignaal is een impuls die op exacte, vaste tijden wordt gegeven. Dus het is 1 bit en dan een kloksignaal, 1 bit en dan weer een kloksignaal, enzovoort. Het kloksignaal wordt opgewekt door een kristaloscillator. Deze bestaat meestal uit een kwartskristal. Wanneer er stroom gezet wordt op de kristal, dan zal deze gaan trillen in een stabiele frequentie. Bij elke tril wordt er een stroompje gegeven. Dit zorgt voor het kloksignaal en maakt het dus mogelijk om verschillende bits uit elkaar te houden.

De snelheid waarmee de kristal trilt wordt uitgedrukt in hertz. 1 hertz staat gelijk aan 1 kloksignaal per seconde, een klokcycli genaamd. De eerste IBM PC had een CPU die draaide op een snelheid van 4,77 megahertz (4.770.000 miljoen trillingen per seconde). Tegenwoordig draaien de meeste desktop computers op snelheden van rond de 3 Ghz (3.000.000.000 trillingen per seconde).

In de loop der jaren is ook de breedte van de databus groter geworden. Vroeger was dat slechts 4 bit, wat betekent dat er tegelijk 4 bits verstuurd kunnen worden binnen 1 klokcycli. Later kwamen er 8, 16 en 32 bits processors. Tegenwoordig is de 64 bits processor vrij normaal en begint het 64 bits besturingssysteem ook steeds meer de standaard te worden.

Natuurlijk is het zo dat hoe sneller de kristal beweegt, hoe meer bits er in een bepaalde tijd verstuurd kunnen worden. Daarom was het vooral in het verleden zo dat de snelheid van een computer vaak in Mhz en later Ghz werd uitgedrukt. Tegenwoordig is de kloksnelheid nog steeds van belang, maar in mindere mate doordat de snelheid van een computer steeds meer ook door andere factoren wordt bepaald, zoals de hoeveelheid processor kernen en de processor architectuur.

Geheugen

Net zo belangrijk als de CPU, is het geheugen. Het geheugen wordt ook wel RAM (Random Access Memory) genoemd. De reden hiervoor is dat ieder stukje geheugen altijd bereikbaar is. Er hoeft dus niet gezocht te worden, zoals bij een harde schijf. Daarom is dat type geheugen goed geschikt om rechtstreeks door de CPU te worden gebruikt. De functie van het RAM is het opslaan van het programma wat op dat moment actief is en andere gegevens die snel nodig zijn. Het RAM bestaat uit een ander soort transistors dan die in de CPU.

Wanneer een programma wordt gestart, dan wordt het eerst van de harde schijf gelezen en in het RAM gezet. Pas daarna begint de CPU met het uitvoeren van het programma. Een programma bestaat uit instructies die een voor een naar de CPU worden gestuurd, die deze vervolgens uitvoert. Soms zeggen mensen wel eens, dat de computer aan het “denken” is. In werkelijkheid gebeurt dat niet, iedere instructie wordt uitgevoerd, precies zoals het programma het dicteert.

Programma's

Een computerprogramma bestaat uit een lange reeks instructies. Deze instructies zijn geschreven in machinetaal. Machinetaal bestaat uitsluitend uit enen en nullen en is voor een mens niet leesbaar. Om het voor eens mens toch mogelijk te maken om het te lezen of te programmeren, heeft men 'assembly language' bedacht. In feite wordt voor iedere reeks enen en nullen die een instructie voorstelt een woord bedacht. Dit zijn hele korte woorden zoals 'mov' en 'cmp' wat in dit geval 'verplaats' en 'vergelijk' betekent. Op die manier is het mogelijk om een computer programma te schrijven.

Helaas is een dergelijke manier van programmeren nog steeds erg lastig en nogal tijdrovend. Om die reden heeft men programmeertalen bedacht. Een programmeertaal maakt het mogelijk om door meer begrijpelijke Engelse woorden een computer programma te schrijven. Bekende programmeertalen zijn bijvoorbeeld C, Java en PHP. Wanneer een programma af is wordt het door een 'compiler' omgezet naar machinetaal en kan het programma uitgevoerd worden door de computer.

Programmeertalen bieden veel voordelen. Er kan bijvoorbeeld een programma worden geschreven voor verschillende soorten computers. De compiler zorgt er dan voor dat het naar de machinetaal van verschillende computers wordt vertaald. Het verschil van computers zit 'm in het instructieset. Een instructieset verschilt per soort CPU. Het meest bekende instructieset is het 'x86' instructieset. Deze wordt gebruikt door alle moderne PC's en sinds enkele jaren ook door desktop en laptop computers van Apple. Het x86 instructieset was oorspronkelijk ontwikkeld voor de 8086 CPU van Intel. De meest recente Intel en AMD CPU's werken nog steeds met het x86 instructieset, waar weliswaar door de jaren heen nieuwe instructies bij zijn gekomen, maar nog altijd de basis heeft in de oorspronkelijke 8086 CPU.

Het besturingssysteem

Een besturingssysteem is een noodzakelijk programma wat er voor zorgt dat er programma's gebruikt kunnen worden, maar ook verzorgt het de communicatie tussen de verschillende onderdelen van een computer. Vroeger was zo'n systeem erg klein en kon alleen bediend worden via het toetsenbord. Begin jaren '80 begon dat te veranderen. In navolging van professionele computers zoals de Xerox Alto in de jaren '70, begon Apple in 1983 met het verkopen van de Lisa. Dit was de eerste betaalbare PC met een grafisch besturingssysteem. Later bracht Apple een nog betaalbaardere PC op de markt: de Macintosh. Rond die tijd begon ook Microsoft met de ontwikkeling van een grafisch besturingssysteem: Windows. In eerste instantie was Windows een vrij eenvoudig systeem, maar vanaf versie 3 begon het eindelijk volwassen te worden. Pas na de introductie van Windows 95 nam de populariteit van Windows enorm toe.

Tegenwoordig is Microsoft met Windows de marktleider op het gebied van besturingssystemen. Maar ook Apple begint steeds meer markt te winnen met OSX voor hun desktop en laptop computers. In vergelijking met vroeger zijn besturingssystemen behoorlijk verbeterd en uitgebreid. Het zijn grote programma's die standaard al zijn voorzien van allerlei handige applicaties zoals tekstverwerkers, tekenprogramma's en spelletjes.

Zowel Windows als OSX zijn commerciële besturingssystemen. Maar er zijn ook gratis besturingssystemen waarvan Linux de bekendste is. Linux is eigenlijk gebaseerd op het al oude UNIX, maar is verder doorontwikkeld. Linux is te krijgen in verschillende soorten en maten die 'distributies' of 'distro's' worden genoemd. Ubuntu Linux is een bekende en populaire Linux distributie. Linux wordt ook vaak gebruikt als basis van nieuwe systemen. Zo is OSX gebaseerd op Linux, maar ook het smartphone systeem Android is op Linux gebaseerd.