3: CPU - Fde-cycle, RAM, ALU, Bus, kloksnelheid

• Informatica
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4-6

CPU

• Multicore/multiprocessor
• Kloksnelheid
• Taken van de CPU
• FDE-Cycle: Verwerkingssnelheid
• RAM - Cache

CPU:

Het hart van je computer, heeft een enorme ontwikkeling doorgemaakt

De CPU: Het hart van je computer, of het brein van je computer. Maar is hij wel zo slim, of alleen snel?

We beginnen met een grappig filmpje van 3:30 min, waarin je leert wat de CPU doet en wat RAM en ROM zijn.

We bekijken de micro:bit. Wat voor processor heeft deze, wat is de snelheid van de processor en hoe groot zijn RAM en ROM hiervan?

Je leert wat de fetch - decode - execute cycle inhoudt en uit welke onderdelen de CPU bestaat

Wat betekent de afkorting CPU?

Wat betekent RAM en wat is de functie hiervan?

In de volgende dia de specs van de micro:bit

De processor van de micro:bit is superklein: 7

Op deze CPU zijn wel miljarden transistoren geplaatst. Een transistor is tegenwoordig kleiner dan een haartje. Transistoren zorgen ervoor dat de CPU instructies uit kan voeren.

Interessant om te lezen: Enigma en de Wet van Moore

mm​2​​

De processor voert steeds dezelfde cyclus uit:

Fetch - decode - execute

De snelheid van de processor bepaalt hoe vaak per seconde deze cyclus uitgevoerd kan worden.

Om dat te kunnen timen is een klok nodig. Die is ingebouwd in de processor en geeft steeds aan wanneer de volgende cyclus uitgevoerd kan worden.

Meestal is de CPU sneller dan andere onderdelen, en wacht de CPU op zijn volgende taak...

Bij de micro:bit is dat 64 MHz = 64 miljard keer per seconde.

Zie dia 10: Hoe vaak per seconde kan de CPU van een micro:bit een fetch - decode - execute cycle uitvoeren?

Bij de micro:bit is dat 64 MHz = 64 miljard keer per seconde, dus 64.000.000.000.

Op de volgende dia een Nederlands filmpje wat RAM is. Het wordt vergeleken met jouw keukenkastjes (RAM). Het permanente geheugen is dan de supermarkt.

01:49

RAM is snel en dichtbij geheugen

1. Waar
2. Niet waar

Nu bekijken we de fde-cyclus van de CPU

03:00

Wat betekent RAM?

1. Random Access Memory
2. Random Address Memory
3. Read Address Memory

03:34

Als de CPU een instructie uitvoert, gaat dat als volgt:

Het stuurt een adres naar de RAM EN zet de controlbus aan

De gegevens, die op dat adres in de RAM staan, worden via de databus teruggestuurd.

De CPU verwerkt deze gegevens en stuurt de uitkomst weer naar de RAM, via de databus. Via de adresbus geeft hij aan op welk adres deze gegevens opgeslagen moeten worden.

De plekken in RAM kunnen willekeurig gelezen of beschreven worden, vandaar de naam Random Access Memory. Meestal worden ze wel in volgorde gelezen.

04:22

Noem 3 dingen die in de RAM gerepresenteerd worden met 1-en en 0-en

Instructies, letters, getallen, en adressen, bv. outputdevices, zoals printers of screens

04:24

06:40

Load

Add

Store

Jump

Tel 2 getallen op

Haal data uit de RAM naar de CPU

Sla het resultaat op in RAM

Spring naar een geheugenadres

RAM betekent Random Access Memory. Wat betekent dat voor de werking van de CPU

1. De CPU kan naar elke geheugenplaats springen.
2. De geheugenplaatsen hoeven niet in volgorde gelezen of beschreven te worden
3. Die kan op elke adresplaats direct iets uit dit geheugen lezen

De cyclus, die de CPU voortdurend uitvoert, het verkrijgen van de volgende instructie, het decoderen van de instructie (dus bepalen wat er gedaan moet worden) en het uitvoeren (en het resultaat weer in de RAM zetten) wordt FDE-cycle genoemd:

De fetch-decode-execute-cycle

Er zijn 2 snelheden, die beide bepalend zijn hoe snel je computer is:

Kloksnelheid: Hoe vaak een puls gegeven wordt, door de control unit: Uitgedrukt in Hz, bv 2.7GHz

Verwerkingssnelheid: Hoe vaak per seconde de FDE-cycle uitgevoerd kan worden (maximaal). in mips: millions of instructions per second

de verversingssnelheid is de snelheid waarmee de geheugencellen weer van nieuwe lading voorzien worden

1. Welke processor zit er in je tablet of je smartphone? Noem de fabrikant, het type en de kloksnelheid.
   
2. Als je een nieuwe tablet of smartphone zou kopen, wat is dan belangrijk voor je? Geef cijfers van 1-10 om de belangrijkheid duidelijk te maken. Vergelijk met klasgenoten.
   

• Merk
• Prijs
  
• OS (Operating System) / Besturingssysteem
  
• CPU (Central Processing Unit)
  
• kloksnelheid
  
• schermgrootte
  
• opslagcapaciteit
  
• aansluiting voor (micro) SD kaart
  
• WiFi
• verkrijgbare apps
• Camera

We bekijken weer de specs van de micro:bit.

Hoe hoog is de kloksnelheid van de micro:bit? Schrijf dit uit in Hz, dus met alle nullen.

Hoe groot is de RAM

Wat betekent ROM? Zoek dit op

Op de volgende dia nog een stukje van hetzelfde filmpje over de opbouw van de processor. Dit filmpje is ook in het Nederlands te zien hier

08:37

Waar krijgt de control unit (de captain in the army) zijn commando's vandaan

1. ALU
2. Keyboard
3. RAM

08:51

Noem 3 verschillende operaties, die de ALU uit kan voeren

Optellen, aftrekken, delen

10:49

Noem een verschil tussen RAM en registers

1. Er is geen verschil: Beiden snelle geheugens
2. RAM is sneller dan registers, want buiten de CPU
3. Registers zijn sneller dan RAM, want onderdeel van de CPU

08:51

Wat betekent ALU

1. Apple Logic Unit
2. Arithmetic Logic Unit
3. Arithmetic Locator Unit

08:51

Wat betekent ALU?

Wat kun je hier allemaal zien? Opbouw CPU: Registers, een AND-poort, ALU, bus

Je hebt geleerd over:

• CPU
• ALU
• Bus
• RAM
• FDE-cycle
• Kloksnelheid

 en het samenwerken tussen deze componenten.

Voorbereiden toets

Lezen: ET Domein E_3: Von Neumann, hardware onderdelen

Niet gedaan: Cache, pipelining, brancheprediction

Maak een eigen toetsvraag!

Lezen:

Enigma: Instructies

Belangrijke termen: Fetch - decode - execute cycle

Control unit, registers, ALU, Bus, RAM, ROM, kloksnelheid (wat heeft deze te maken met de fde-cycle)

Bekijk deze video

Als ik de specs van de CPU opzoek, krijg ik interessante informatie

Bekijk:

• Snelheid van de CPU: Kloksnelheid/bussnelheid: Tussen 2.6-3.5GHz
• Hoogste aantal adresseerbaar geheugen: 32GB

In mijn laptop is 8GB RAM geïnstalleerd

• 64-bits besturingssysteem: Dus zoveel geheugen adressen kunnen aangestuurd worden, 2 tot de macht 64, door het OS

De fetch - execute - decode cycle op de micro:bit: 

Zie uitlegvideo volgende dia

Hier een filmpje over de industrie van chipfabrikanten en wat daarbij komt kijken. Wie zijn de grote spelers (ASML, een Nederlands bedrijf, TSMC, Taiwanees, wat doet Amerika om meer macht te krijgen en China, die achterblijft op het gebied van chipfabricage. Semiconductor = transistor