Computersystemen/Soorten computersystemen

Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Deze pagina bespreekt leerplandoel 16 uit het leerplan 'Informatica- en communicatiewetenschappen' (D/2023/13.758/):

• LPD 16: De leerlingen ontwerpen een configuratie van een computersysteem op basis van gestelde eisen.
• Wenk. De configuratie omvat afwegingen over connectiviteit, geheugen, snelheid van gegevensverwerking (processor), input en output, eventuele opslag. Het is niet de bedoeling dat de leerling fysiek een configuratie realiseren. Op basis van de gestelde eisen en hun kennis van de bouwstenen maken de leerlingen een ontwerp, voorstel voor een computersysteem. Het is niet nodig om in de configuratie de specifieke componenten allemaal te benoemen. Het kan over grootordes gaan bv. minimaal zoveel geheugen, snelheid van gegevenstransport … Het is belangrijk dat leerlingen beseffen dat ze niet mogen overdimensioneren en rekening houden met de kosten/baten.
• Wenk. Je kan ook een cloudplatform of een virtueel systeem samenstellen.
• Wenk. Je kan dit leerplandoel in samenhang met leerplandoel 43 behandelen waarin de configuratie fysiek wordt samengesteld. In het kader van programmatieoefeningen kunnen ook fysieke configuraties worden samengesteld.
• Wenk. Je kan vragen aan de leerlingen om op de hoogte te blijven van nieuwe ontwikkelingen op gebied van computersystemen.
• Wenk. Je kan een configuratie voor een nieuw computersysteem maken of een bestaand computersysteem analyseren en aanpassen.

Casus

Voor heel wat projecten zijn meerdere soorten computersystemen nodig om alles tot een goed einde te brengen. Het voordeel van burgerwetenschapsprojecten zoals CurieuzeNeuzen, De Oorzaak of Telraam.net is dat er vaak heel wat info beschikbaar is rond hoe ze deze verschillende computersystemen inzetten.

De slimme gazondolk

CurieuzeNeuzen is een burgerwetenschapsproject dat aan burgers de kans geeft om bv. te kijken hoe het zit met de impact van weersextremen en de toenemende droogte via een grootschalig netwerk van duizenden ‘mini-weerstationnetjes’. In de zogenaamde 'gazondolk' zit een slimme sensor die temperatuur en vochtigheid meet. Het doel is om in 5000 Vlaamse tuinen, parken, landbouw- en natuurgebieden voldoende data te verzamelen en direct door te sturen via een IoT-netwerk. Onderzoekers kunnen zo korter op de bal spelen en hebben door de vele gazondolken een breed beeld.

(nl) Waarom de slimme gazondolk een gouden wapen is voor de wetenschap. standaard.be (2021-01-25).

Schema van een gazondolk: 1: meting op 10 cm hoogte; 2: meting aan het oppervlak; 3: verzendmodule; 4: meting op 10 cm diepte.

Een brainstorm rond de gazondolk:

• Kostprijs. Voor 1 tuin speelt de kostprijs van de gazondolk minder een rol. Voor 5000 tuinen begint dit al door te wegen.
• Omgeving. Het is buiten, dus moet het ook tegen verschillende weersomstandigheden kunnen.
• Input. De temperatuur en vochtigheid zal via sensoren verzameld worden.
• Geheugen en processor. Deze sensoren zullen aangestuurd moeten worden door een processor en geheugen. De vereisten voor geheugen en de snelheid van gegevensverwerking liggen hier niet hoog.
• Energie. Een elektriciteitskabel leggen is geen optie, dus een batterij is aangewezen. Je wil ook niet dat je bij 5000 gazondolken na een maand alle batterijen moet vervangen. Een te grote batterij duwt de kostprijs omhoog. Het is beter dat het verbruik van de componenten laag ligt.
• Connectiviteit en opslag. Er kan beslist worden om de metingen lokaal in de gazondolk op te slaan. Dan kan je wel maar aan de slag als je deze metingen lokaal uitleest. Beter lijkt het om de metingen op regelmatige basis draadloos door te sturen naar een centraal (server)punt. Dit mag er wel niet voor zorgen dat het energieverbruik te sterk omhoog gaat. Een Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) is aangewezen.
• Eens alle metingen verzameld zijn, zullen er berekeningen nodig zijn. Hier zullen de eisen voor geheugen of snelheid van gegevensverwerking wel hoger liggen. Als de complexiteit meevalt, dan kan dit wellicht op een gewone laptop of desktop. In het andere geval zal een server meer aangewezen zijn. Dat kan in eigen beheer of via een cloudplatform.
• Daarna komen de conclusies in een rapport. Hiervoor zal wellicht gewoon een desktop of laptop gebruikt kunnen worden.

Vereisten

Enkele mogelijke afwegingen als je componenten moet kiezen voor een computersysteem:

• Kostprijs
• Connectiviteit: niet, bedraad, draadloos?
• Geheugen
• Snelheid van gegevensverwerking (processor)
• Input
• Output
• Opslag
• Energie
• Veiligheid en privacy
• Vorm: wil het oog ook wat of speelt dit voor een project geen rol?
• Schaalbaarheid: in welke mate verwacht je dat het project zal groeien? Zijn voorgaande vereisten daar al op voorzien? Dit betekent niet dat je direct moet overdimensioneren, omdat de kostprijs de hoogte zal inschieten. Maar als je bv. vermoed dat de opslag in de toekomst te weinig zal zijn, dan kan je nu al kiezen voor iets waarmee je deze gemakkelijk kan uitbreiden (bv. d.m.v. een SATA-poort, SD-slot, USB-poort, ...).
• Ondersteuning: hoe goed is de ondersteuning bij de gebruikte hard- en software?
  • Bedrijf: bij een samenwerking met een extern bedrijf is het belangrijk het track record te bekijken. Zeker bij langlopende projecten.
  • Community: sommige componenten hebben een grote community achter zich, waardoor heel wat info en hulp op het internet te vinden is.
  • Commercial-off-the-shelf (COTS) versus maatwerk. Het ene is niet beter dan het andere, maar je moet het wel goed bekijken per project. Bij maatwerk kan het interessant zijn om open source te overwegen, zodat je er eventueel ook zelf kan aan sleutelen.
• Omgeving: temperatuur, druk, vochtigheid, ... spelen bij sommige projecten een grote rol. De componenten moeten hierop voorzien zijn.

Soorten

Desktop

Een desktopcomputer (kortweg desktop) staat meestal op een vaste plaats, omdat deze door zijn gewicht en volume de nodige plaats inneemt. Hij wordt graag gebruikt omdat je de componenten relatief vrij kan kiezen al naar gelang de vereisten. Ook het uitbreiden is relatief makkelijk mogelijk.

• 
  Tower pc
• 
  Desktop
• 
  Computerlokaal
• 
  Gaming pc's

Laptop

De nood voor een laptop is ontstaan omdat het gewicht en volume van een desktop het ongeschikt maakte voor mobiele toepassingen. Dankzij vooruitgang op vlak van platte schermen, verdere miniaturisatie en batterijen was een laptop mogelijk. Dit ging wel ten kosten van de uitbreidingsmogelijkheden.

• 
  GRiD Compass 1101 (1982)
• 
  Apple MacBook Air
• 
  Asus Transformer Pad
• 
  Alienware gaming laptop

Tablet

De tablet kan dankzij het aanraakscherm én software die voor zo'n scherm is aangepast een stap verder zetten in de mobiele evolutie van desktop → laptop. Het nadeel is wel dat de tablet nog een stukje minder uitbreidbaar is dan de laptop.

• 
  Apple Newton MessagePad (1993)
• 
  iPad (2010)
• 
  Phablets

Arduino

Arduino is een opensource-computerplatform bedoeld om het werken met microcontrollers eenvoudig te maken. Dit platform is bedoeld voor hobbyisten, artiesten, kunstenaars, elektrotechnici, elektronici en iedereen die geïnteresseerd is in het maken en ontwerpen van slimme en creatieve objecten.

Een microcontroller (afgekort μc of MCU) is een geïntegreerde schakeling met een microprocessor die wordt gebruikt om elektronische apparatuur te besturen. Om van een microcontroller te spreken moet het systeem minimaal bestaan uit een cpu, geheugen en I/O. De microcontroller is tegenwoordig niet meer weg te denken. Bijna alle moderne apparaten bevatten een microcontroller, denk aan wasmachines, telefoons, wagens, robotgrasmaaiers, afstandsbedieningen et cetera. Microcontrollers worden gebruikt bij het automatiseren en controleren van apparaten.

• 
  Arduino Uno
• 
  Arduino IDE
• Verkeerslichten
• 
  Arduino Pro Mini

ESP32

De ESP32 (opvolger van de ESP8266) is een budgetserie van laag-vermogen-microcontrollers met geïntegreerde Wi-Fi en dual-mode bluetooth. De ESP32-microcontroller is erg populair bij hobbyisten voor het ontwikkelen van Internet of Things-applicaties

• 
  ESP8266
• 
  ESP-WROOM-32
• 
  NodeMCU met ESP32

Raspberry

De Raspberry Pi is gebaseerd op een ARM-processor die tegen een minimale prijs wordt vervaardigd en verkocht. Het is ontstaan vanuit een educatieve nood, maar wordt vaak ook in productieomgevingen gebruikt. De aanwezigheid van GPIO-pinnen (General Purpose Input/Output), USB en HDMI maakt het mogelijk om hier heel wat toepassingen voor te maken. De addon-boards kunnen gemakkelijk verwisseld worden evenals de microSD-kaart met het live-system en de software.

• 
  Raspberry Pi Model A (2012)
• 
  Raspberry Pi Zero (2015)
• 
  Raspberry Pi OS
• 
  Logo Raspberry Pi Foundation

NUC

Een Next Unit of Computing (Next Unit of Computing) is een serie van small-form-factor barebone computer kits ontworpen door Intel. De term NUC wordt door velen wel breder toegepast dan 'van Intel' en 'barebone'. Dat laatste betekent namelijk dat de koper zelf nog sommige zaken moet kiezen en/of toevoegen (bv. geheugenkaart, processor, opslag, ...) om er een werkende pc van te maken. Vaak gaat het om toestellen die behoorlijk krachtig zijn en aandacht hebben voor energieverbruik.

• 
  Intel NUC DCCP847DYE
• 
  Intel NUC NUC6i3SYH

Server

Een server is een computer of een programma dat diensten verleent aan clients. In de eerste betekenis wordt met server de fysieke computer aangeduid waarop een programma draait dat deze diensten verleent. In de praktijk komen er verschillende combinaties van hardware en serverprogramma's voor:

• Dedicated server: op een computer draait één serverprogramma. Dit zal vooral het geval zijn voor taken die veel bronnen vragen, zoals een database.
• Clustered server: een aantal aan elkaar gekoppelde computers (een cluster) draait een serverprogramma. Dit zal over het algemeen gebeuren om veel clients tegelijk te kunnen bedienen. Een typisch voorbeeld hiervan is een webserver voor een veelbezochte website.
• Een computer die zowel client- als servertaken vervult.
• Een cloud server dat met al de computers die erop aangesloten zijn een soort 'wolk van computers' vormt, waarbij de eindgebruiker niet weet op hoeveel of welke computer(s) de software draait of waar die precies staan.

• 
  Wikimedia servers
• 
  Wikimedia servers
• 
  Rack-mountable server
• 
  4 bay NAS server

Virtualisatie

Virtualisatie verwijst naar het creëren van een virtuele versie van iets. Dit wordt het meest gebruikt om gelijktijdig een besturingssysteem op computers te laten draaien die reeds een besturingssysteem hebben. Het hoofdbesturingssysteem wordt de 'host' genoemd. Het gastbesturingssysteem wordt de 'guest' genoemd.

Het grote voordeel van virtualisatie is dat de verschillende besturingssystemen van elkaar afgeschermd zijn. Daardoor kan bijvoorbeeld onderzoek naar computervirussen gedaan worden zonder dat de computer (de 'host') wordt geïnfecteerd. Er kunnen ook kosten bespaard worden, door meerdere besturingssystemen (met bijvoorbeeld elk een webserver) te laten werken op één computer. Doordat de 'guests' van elkaar afgeschermd zijn is het gemakkelijker te beheren en ook dat levert een kostenbesparing op.

Door meerdere guest-besturingssystemen te laten werken op één computer, heeft die computer wel extra geheugen en een snellere processor nodig. In de praktijk blijkt echter dat het goedkoper is om één duurdere computer (vaak een server) te gebruiken met virtualisatie, dan meerdere goedkopere computers zonder virtualisatie.

• 
  Visuele voorstelling virtualisatie
• 
  VirtualBox 7.0
• 
  Virtualisatie met QEMU

Actualiteit

We sommen enkele interessante websites op om op de hoogte te blijven van nieuwe ontwikkelingen op gebied van computersystemen. Zoek eventueel de bijhorende RSS-feed op en voeg deze toe aan je mailprogramma (Outlook, Thunderbird, ...) of gebruik een aparte feedreader. Zo ben je snel op de hoogte van heel wat websites, zonder dat je ze zelf moet bezoeken.

• Tweakers.net
• Ars Technica