Basiskennis informatica/Inleiding

Benodigde voorkennis: Basiskennis over computers, bijvoorbeeld via Computers voor beginners

Kennis van ondersteunende vakken: Wiskunde Statistiek Operationeel onderzoek

Wat is Informatica

In de Informatica, ook wel computerwetenschappen genoemd, gaat het om digitale gegevensverwerking, computersystemen en de methoden die een rol spelen bij het totstandkomen en beheer daaarvan, digitale netwerken, en de bijbehorende processen. Het is een multidisciplinaire wetenschap, waar zowel elektrotechniek en wiskunde als softwareontwikkeling, communicatie en grafisch design een hoofdrol spelen.

Doel en doelgroepen

Het doel van dit boek is om een overzicht te bieden van het vakgebied Informaticia in de breedte, waarin de contouren ervan worden aangegeven en veelgebezigde termen worden uitgelegd.
Doelgroepen zijn geïnteresseerde leken zonder (veel) voorkennis. Zij kunnen bijvoorbeeld eindgebruikers zijn, die gevraagd zijn voor een gebruikersgroep om een nieuw informatiesysteem aan te schaffen en goed beslagen ten ijs willen komen; of iemand die een helpdesk van repliek wil dienen en de gebezigde terminologie wil snappen; of middelbare scholieren die zich afvragen of informatica (als keuzevak of studierichting) iets voor hen kan zijn. Ook zijn er enkele hoofdstukken die speciaal gericht zijn op studenten die in Vlaanderen het Leerplan van Informaticabeheer volgen .

Middelen en mensen

Om computerprogramma's goed te laten werken, zijn middelen en mensen nodig.

• Middelen: o.a. computers, randapparatuur en software, elektriciteit, huisvesting, meestal ook verbinding met het internet, en geld om dit allemaal te betalen.
• Mensen: goed opgeleide mensen die computers, randapparatuur en computerprogramma's maken, installeren en onderhouden, en gebruikers die de computerprogramma's kunnen hanteren.

Over computers

Een computer is een apparaat waarmee gegevens volgens formele procedures (algoritmen, een reeks instructies) kunnen worden verwerkt. Meestal gaat het dan om elektronische, digitale apparaten, maar er bestaan ook mechanische en analoge computers. Een computer bestaat uit hardware (het apparaat) en software, computerprogramma's. Daarnaast kan er nog randapparatuur aan een computer zijn verbonden, zoals een beeldscherm, toetsenbord, printer/scanner, muis, koptelefoon en modum.

Opdeling van een computer in lagen

1. Hardware: Digitaal – logisch niveau: – and – or – not (interpretatie)
2. Hardware: Micro – architectuur: basisbewerkingen +, -, *, /, … (interpretatie)
3. Hardware: Instructieset – architectuur: verzendt instructies naar de processor, dit is de eerste laag die de gebruiker ‘ziet’ (hybridestructuur)
   1. De Micro – architectuur zit tussen niveau 1 en 2 om hen te laten communiceren maar werkt wel vertragend
   2. Celeron: goedkopere versie van de Pentium met minder cache ter beschikking
4. Software: Operating System – BS: communicatie met chip (vertaling)
5. Software: Assembler: de taal die de hardware aanspreekt
6. Software: Program Oriented Language (POL): programmeertaal

Hybride: is de overgang van een vertaling naar een interpretatie

           => dit gebeurt tussen de laag van het Operating system en de instructie set laag

Hardware en software zijn logisch equivalent: (de software kan vervangen worden door hardware en omgekeerd) de software wordt geëmuleerd met de hardware. Hierbij zit de software ingebakken in de chip en kan niet worden veranderd (gsm, wasmachine, processor, …). De hardware kan ook worden geëmuleerd met software, zo emuleert VMWare bijvoorbeeld een x86 architectuur. Maar het is natuurlijk ook mogelijk om andere architecturen te gaan emuleren dan de gastarchitectuur.

Instructies worden stap voor stap afgehandeld => interpretatie

• Compiler: Omzetten van POL naar Assembler. Complexe instructies vertalen naar een som van verschillende Assembler commando's.
• Assembler: Omzetten van Assembler naar besturingssysteem

Vertaling is een hele reeks van instructies die worden doorgestuurd en vervolgens uitgevoerd.

De geschiedenis van de computer

voor-generatie: het mechanisch tijdperk (1623 – 1945): Het idee om machines te gebruiken om (eenvoudige) wiskundige bewerkingen uit te voeren, kan men situeren in het begin van de 17de eeuw.

Blaise Pascal maakte in 1641 de eerste telmachine: De Pascaline. Deze kon enkel optellen en was nog niet erg betrouwbaar. Leibnitz verbeterde deze machine zodanig (1671) dat ze ook kon vermenigvuldigen, delen en worteltrekken.

Rond 1800 gebruikte Jacquard ponskaarten om zijn weefgetouwen te automatiseren.

Charles Babbage ontwierp in 1821 een mechanische, automatische rekenmachine, de Difference Engine, om wiskundige tabellen te genereren. 10 jaar later bouwt hij zijn "analytical engine", een rekenmachine voor 40-cijferige getallen met ponskaarten. Deze machine zou geprogrammeerd kunnen worden. Men kan Babbage beschouwen als een zijn tijd vooruit (dit had ook tot gevolg dat zijn machine maar deels gebouwd werd). Charles Babbage creëerde het innovatieve IPOS-structuurschema, waar later nog veel gebruik van zou worden gemaakt.

1ste generatie (1937 – 1953):

ARRA - eerste Nederlandse computer (1952)

De computers van de eerste generatie maakten gebruik van elektronische schakelaars (i.p.v. mechanische relais) in de vorm van vacuümbuizen. De ENIAC was een computer, gebouwd voor het Amerikaanse leger, en voltooid in 1946. Daarmee was de ENIAC de tweede elektronische computer die gebouwd werd, na de Britse Colossus. De naam is een afkorting en staat voor Electronic Numerical Integrator And Calculator. De makers van ENIAC (o.a. John von Neumann) begonnen al aan een volgende supercomputer nog voor de ENIAC voltoid was, nl. de EDVAC. Hiervoor werd de von Neumann-architectuur ontworpen.

2de generatie (1954 – 1962): Bij de tweede generatie computers zijn de vacuümbuizen vervangen door transistoren, wat de schakeltijd reduceerde tot ongeveer 0,3 microseconden. Bij deze 2de generatie ontstond ook een organisatie die een standaard zou worden op gebied van computers: IBM. IBM introduceerde de omnibusstructuur, wat de samenwerking tussen de apparaten ten goede kwam.

3de generatie (1963 – 1972): De belangrijkste innovaties bij de derde generatie waren het gebruik van IC’s (integrated circuits) en de microprogrammering (cpu’s). Op de markt werd zichtbaar dat bedrijven nu meer en meer hun eigen pc gingen aanschaffen, dus m.a.w. de commercialisering van de computer voor professioneel gebruik was begonnen.

4de generatie (vanaf 1980):

De ontwikkeling van LSI (large scale integration) en VLSI (very large scale integration) maakte het mogelijk de hele processor op één chip onder te brengen. Dit had mede tot gevolg dat de computer zijn intrede vond in de huiskamer °PC

Soorten computers

Er zijn in de loop der jaren vele soorten computers ontwikkeld, van grote mainframes tot handzame smartphones. Hieronder een onvolledig overzicht, van groot naar klein:

• Mainframes, met daarop aangesloten terminals en beeldschermen.
• Personal computers (pc's), met een toetsenbord en beeldscherm, voor individueel gebruik.
• Draagbare computers, zoals laptops, Personal digital assistants zoals smartphones en smartwatches, en tablet-pc‎'s.

Elke soort computer heeft zijn eigen soort gegevensdragers, oftewel opslagmedia. Bij mainframes zijn dat onder andere magneetbanden; een pc en een laptop hebben een harde schijf, mogelijkheden voor USB-sticks en CD ROM's; daarnaast zijn er vele mogelijkheden voor opslag in de cloud.

Wet van Moore

• beetje meer voorafgaande geschiedenis

Gordon Moore, de Intel-medeoprichter deed zijn eerste voorspelling in het jaar 1965, hij beweerde dat het aantal transistoren zou verdubbelen per jaar. Nadien beweerde hij in het jaar 1975 dat het aantal transistoren elke 18 maanden verdubbelt.

• Tegenwoordig is dit nog gemakkelijk terug te vinden. Vanaf het moment dat je een pc koopt of zelf samenstelt, zal je merken dat zo'n jaar later alweer een nieuwere cpu ontwikkeld is, die sneller zal zijn dan de toen aangekochte cpu.

Vb: In 2000 werd een cpu met een snelheid van 512 MHz op de markt gebracht; een jaar later was de snelheid 1GHz en nog een jaar later in 2002 een processor met 2GHz snelheid. Je ziet hier een evolutie in de jaren.

De Wet van Moore stelt dat het aantal transistors op een computerchip door de technologische vooruitgang elke 18 maanden verdubbelt.

De voorspelling werd in 1965 gedaan door Gordon Moore, een van de oprichters van chipfabrikant Intel. De wet geldt tot op vandaag (2006), maar deskundigen houden er rekening mee dat deze vooruitgang binnenkort langzamer zal gaan verlopen. De reden daarvoor is dat de steeds verder doorgevoerde miniaturisatie niet langer alleen afhankelijk is van technologische vooruitgang, maar ook gehinderd wordt door fundamentele fysische barrières.

Toen Moore de voorspelling in 1965 deed ging hij nog uit van een verdubbeling per 12 maanden. In 1970 stelde hij de voorspelling bij en zei ervan uit te gaan dat het groeitempo zou vertragen tot een verdubbeling per 24 maanden.

De oorspronkelijke voorspelling ging over de dichtheid van de transistors, maar later is zij ook op dit punt bijgesteld.

Een exemplaar van het tijdschrift Electronics uit april 1965, waarin Moore de fundamenten legde voor deze wet, werd in april 2005 (40 jaar na dato) door Intel voor $ 10.000,00 gekocht[1] van de Britse eigenaar David Clark. Intel bleek zelf niet over een goed exemplaar van het blad te beschikken en plaatste daarom een advertentie op eBay om een exemplaar in goede staat te bemachtigen.

Anno 2006 lijkt de groei van de kloksnelheid van de chips te stagneren en komt niet meer boven de 3,3 GHz. Als oplossing daarvoor plaatsen de chipfabrikanten meerdere processoren (ook wel cores genoemd) op een chip. Dual cores vind je al in notebooks, en er zijn zelfs chips met 80 floating-point cores. Deze parallelisatie kan echter alleen goed benut worden als de software hierop wordt aangepast, zoals met multithreading of SOA. Zo kan de Wet van Moore nog wel een tijdje geldig blijven.

Eind 2006 kondigde de toen gepensioneerde, oud mede-oprichter van Intel, Gordon Moore aan dat zijn wet niet eeuwig geldend zou zijn. "Er worden inmiddels limieten bereikt die niet overschreden kunnen worden." Alternatieven zoals nanotechnologie zouden de elektronica kunnen vervangen, maar Moore ziet een aantal bezwaren. Deels omdat het formaat van geminiaturiseerde schakelingen al op dezelfde schaal is, maar ook omdat elektronica een 'gigantische industrietak' is: "Die vervang je niet zomaar." [1]

Voorbeelden

De AMD CPU's

Athlon is een processorfamilie van AMD en de eerste processor met een klokfrequentie van meer dan 1 GHz. De opvolger Athlon XP is op zijn beurt een gelijke strijder tegen de Pentium 4.

De Athlon is er in meerdere uitvoeringen:

Classic Athlon: in een langwerpige kunststof behuizing (zoals de Pentium III in SECC-cartridge) voor moederborden met een Slot-A connector, in snelheden tussen 500 en 900 MHz. Athlon: waarbij de level-2 cache bij de core zit ingebakken, uitgevoerd als platte chip met pinnetjes (zoals de Pin Grid Array Pentium-III), in snelheden tussen 800 en 1400 MHz. Athlon XP: verbeterde versie van de Athlon, in socket-462 (socket-a) uitvoering. Deze processor verbruikt minder stroom dan zijn voorganger. De snelheid wordt als Quantispeed-getal aangeduid, tussen 1600+ en 3100+. Dit getal staat voor de snelheid van een intel Pentium-4 waarmee de processor is te vergelijken. De AMD Athlon XP 2000+ bijvoorbeeld werkt op 1667 MHz, maar is ongeveer evensnel als een Pentium-4 met een kloksnelheid van 2000 MHz. Athlon 64: de eerste processor met 32/64-bits architectuur, in snelheden van 2800+ tot 4000+. De processor is er in drie uitvoeringen, te weten met socket-754 en de socket-939 en de actuele socket-AM2. Deze processor kan normale 32-bits software verwerken, maar ook in combinatie met hiervoor geschikte software in 64-bits modus draaien. Intel heeft iets later deze techniek ook overgenomen onder de naam EMT64. Athlon 64 X2: de nieuwste generatie processoren met een dubbele core, met twee processors op één chip. Grote snelheidswinst is mogelijk bij geoptimaliseerde software. Deze processor maakt ook gebruik van socket-939 en socket AM2 en is verschenen in snelheden van 3400+ tot 5000+. Van de Athlon 64 X2 bestaan er ook nog zogenaamde EE (energy efficient) versie deze verbruikt een stuk minder energie. Van de meeste Athlons bestaan er ook lichter geschakelde varianten, te weten de Duron en Sempron. De Turion is een zuinige, mobiele variant voor laptops van de AMD Athlon 64, als tegenhanger van de Intel Pentium M die men terug vindt in o.a. het Centrino platform. Daarnaast maakt AMD ook de high-end Opteron processors voor servers en workstations. [2]

Athlon 64 De Athlon64Athlon64 eerste 64 bit x86 processor in productie voor desktops. Hiermee slaat AMD een grote slag tegenover Intel. Deze processor heeft naast deze AMD64 uitbreiding nog enkele andere nieuwe technologieën die voor het eerst gebruikt worden bijvoorbeeld: HyperTransport™ technology, een geïntegreerde DDR memory controller, de Enhanced Virus Protection die door door Microsoft vanaf Windows XP SP2 wordt ondersteund en de Cool'n quiet technology.

AMD heeft voor deze processor de x86-64 instructieset bedacht, ook wel bekend als AMD64. Doordat softwareproducenten weigerden twee verschillende 64 bits instructieset's te ondersteunen, werd Intel min of meer gedwongen om hun 64 bits instructieset, gebruikt vanaf de processors met de codenamen 'Prescott' en 'Tejas', compatibel te maken met AMD64. [3]

Metrische eenheden

Vaak worden veelvouden van bytes foutief aangeduid met SI voorvoegsels. In het Wikipedia artikel betreffende veelvouden van bytes wordt het correcte gebruik toegelicht.

Over software

Een computer doet niets zonder software (computerprogramma's en gegevens). Software zorgt ervoor dat computers taken uitvoeren, zoals berekeningen maken, gegevens opslaan en informatie tonen.

Over programma's

Er zijn verschillende soorten programma's, enkele voorbeelden:

• Systeemsoftware is de basis. Het gaat om programma's die nodig zijn voor het functioneren van computers. Zonder systeemsoftware werkt geen enkele computer. Voorbeelden zijn Windows, iOS (Apple) en Linux.
• Een stuurprogramma legt een verbinding tussen de hardware en het besturingssysteem. Zo'n programma zorgt ervoor dat een programmeur bij het ontwikkelen van applicaties geen rekening hoeft te houden met de soort hardware waarop de applicatie gaat draaien.
• Een applicatie is een computerprogramma dat bedoeld is voor eindgebruikers. Dat kan van alles zijn en zowel draaien op een pc of een bedrijfsserver als beschikbaar zijn via internet:
  • Kantoorsoftwarepakketen, zoals tekstverwerkers, spreadsheet-programma's (bijvoorbeeld Microsoft Excel) en presentatiesoftware zoals Powerpoint en Prezi.
  • Bedrijfssoftware, zowel standaard-software als die speciaal voor een bepaald bedrijf is gemaakt.
  • Computerspel
• Netwerkprogrammatuur voor computers die aan elkaar zijn geknoopt via netwerkkabels of een draadloos netwerk. Het kan gaan om een netwerk binnen een klein bedrijf tot het internet.

Zie het Wikibook Programmeren, de basis voor een algemene inleiding in het programmeren.

Over gegevens/data

Gegevens, of in het Engels/Latijn data, vormen in een informatiesysteem een twee-eenheid met programma's, de één kan niet zonder de ander. In informatiesystemen worden gegevens verzameld, bewaard, bewerkt, verwerkt en geanalyseerd. Ze worden zodanig opgeslagen dat het systeem ermee kan werken, dat wil zeggen in een database of databank, met een vooraf gedefinieerde structuur. Het eenvoudigste voorbeeld daarvan is een tabel, met per kolom steeds dezelfde soort gegevens. Aan de basis van een databank ligt een gegevensmodel of datamodel, waarin gegevenssoorten zijn gedefinieerd en is aangeduid op welke manier zij onderling samenhangen. Programma's zorgen ervoor dat gegevens correct worden ingevoerd, gemuteerd en opgeslagen, en ze ook in de gewenste vorm worden getoond.

Het uiteindelijke doel is om met de opgeslagen gegevens informatie te genereren. Gegevens zijn de grondstof voor informatie. Informatie is een eenmalig product, bestemd voor één gebruiker of een categorie gebruikers, waarmee zo'n gebruiker zijn kennis kan verrijken. Daarom moet informatie zodanig worden gepresenteerd dat de gebruiker er iets mee kan. Dat kan bijvoorbeeld een lijst zijn met de ontwikkeling van omzet- en kostengegevens gedurende een bepaalde periode, of zo'n zelfde trend in een visueel overzicht, zoals een diagram. Gegevens kunnen keer op keer worden gebruikt, voor steeds andere informatiedoelen.

• 
  Voorbeeld van een tabel met gegevens
• 
  Voorbeeld van informatie

Over methoden

Voor het maken van computerprogramma's en andere werkzaamheden in de informatica worden in de regel speciaal ontwikkelde methodes gebruikt. Aan de hand van een stappenplan, dat iedereen binnen een project hanteert, worden goede samenwerking, efficiëntie en effectiviteit bevorderd.

Over mensen in de informatica

Er zijn vele, meestal goed opgeleide mensen met uiteenlopende beroepen betrokken bij het maken en goed laten werken van computers, randapparatuur en software: van chip-makers tot eindgebruikers. Zij werken in de regel samen, grote projecten kun je niet in je eentje voor elkaar krijgen. Daarom zijn zij in de regel in dienst van een organisatie, een gespecialiseerd bedrijf of ander samenwerkingsverband. Voorbeelden:

• Software maken en onderhouden:
  • Informatiemanager, is verantwoordelijk voor informatiemanagement, het vertalen van de informatiebehoeften van een organisatie naar informatievoorziening
  • Informatie-analist, systeemontwerper, webdesigner, systeemanalist, voor het ontwerpen van informatiesystemen
  • Computerspelontwikkelaar
  • Database administrator, structureert informatie, slaat die op en maakt die toegankelijk via databanken
  • Softwareontwikkelaar, schrijft computerprogramma's
  • Tester, test computerprogramma's
  • Systeembeheerder, is verantwoordelijk voor de goede werking van een of meer computersystemen
• Hardware maken en onderhouden:
  • Computerfabrieken waarin allerlei soorten computers gemaakt worden, van smartphones tot Mainframes
  • Fabrieken die toebehoren voor computers maken, zoals computerchips, randapparatuur en smartphonehoesjes
  • Netwerkbeheerder, verzorgt het beheer van een computernetwerk in een organisatie
• Overige:
  • Gebruiker van computersystemen, van administratief medewerkers in een bedrijf tot klanten die bestellingen op internet plaatsen en gamers
  • Helpdeskmedewerker, die gebruikers helpt met het oplossen van computerproblemen
  • Opdrachtgever en projectmanager, die regelen dat er software of hardware wordt gemaakt, gekocht en geïnstalleerd
  • Juristen die gespecialiseerd zijn in computerrecht (over o.a. auteursrechtelijke bescherming van computerprogramma's en misdrijven via computernetwerken), databankenrecht en intellectueel-eigendomsrecht (waaronder ook alles valt dat op internet is gepubliceerd)
  • Inkopers met specialisatie computers, software, en/of aanbestedingen.

Vakgebieden

Zoals elke wetenschap is ook Informatica onderverdeeld in vakgebieden. De belangrijkste zijn:

• Theoretische informatica, waarin de logische en wiskundige grondslagen van de informatica worden bestudeerd.
• Toegepaste informatica, de toepassing van theoretische kennis bij het maken en implementeren van computersytemen, zowel van hardware als software. Voorbeelden: Technische informatica, Software engineering, Kunstmatige intelligentie en Mens-computerinteractie.
• Computersystemen (vele met zowel functionele als technische aspecten), waaronder Computerarchitectuur, Computernetwerken inclusief het Internet, Computerbeveiliging, Databases en Datamining.

Meer lezen

• Wikipedia Portaal:Informatica
• Lijst van afkortingen in de informatica
• Beroepengids Informatica (Nederland)