Počítačový hardware

Počítačový hardware

• Počítače mají dvě hlavní části: hardware a software
• Podobně jako klavír (hardware) a hudba (software)
• V této části: hardware

Počítač je úžasně užitečná technologie pro všeobecné použití, a to do té míry, že nyní jsou malé počítače fotoaparáty, telefony, termostaty a další. V této části se seznámíte s hlavními částmi a tématy fungování počítačového hardwaru. „Hardwarem“ se rozumí fyzické části počítače a „softwarem“ kód, který v počítači běží.

Čipy a tranzistory

• Tranzistor – důležitý stavební prvek elektroniky
  -Tranzistory jsou „polovodičové“ – žádné pohyblivé části
  -Jeden z nejdůležitějších vynálezů v historii
  -.“Spínač“, který můžeme zapnout/vypnout elektrickým signálem
• Křemíkový čip – kousek křemíku o velikosti nehtu
• Mikroskopické tranzistory jsou vyleptány na křemíkových čipech
• Čipy mohou obsahovat miliardy tranzistorů
• Čipy jsou baleny v plastu, s malými kovovými nožičkami
• e.Např. procesorové čipy, paměťové čipy, flash čipy
• Křemík (metaloid) vs. silikon (měkká látka na kuchyňském nádobí)

Tady je křemíkový čip uvnitř plastového obalu. Vytáhl jsem to z hromady elektronického odpadu v budově CS ve Stanfordu, takže je to asi trochu staré. Jedná se o malý čip s pouhými několika „kolíky“ elektrického připojení. Později uvidíme větší čip se stovkami vývodů.

Uvnitř plastového obalu je křemíkový čip velikosti nehtu s tranzistory a dalšími součástkami vyleptanými na jeho povrchu. Drobné drátky spojují čip s vnějším povrchem. (CC license atribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Moderní počítače používají drobné elektronické součástky, které lze vyleptat na povrch křemíkového čipu. (Viz: wikipedie čip) Všimněte si, že křemík (čipy, solární panely) a silikon (měkký gumovitý materiál) se liší!“

Nejběžnější elektronickou součástkou je „tranzistor“, který funguje jako jakýsi zesilovací ventil pro tok elektronů. Tranzistor je „polovodičové“ zařízení, což znamená, že nemá žádné pohyblivé části. Je to základní stavební prvek, který se používá ke konstrukci složitějších elektronických součástek. Konkrétně „bit“ (níže) lze sestavit z uspořádání 5 tranzistorů. Tranzistor byl vynalezen na počátku 50. let 20. století a nahradil elektronku. Od té doby se tranzistory stále zmenšují, což umožňuje vyleptat jich na křemíkový čip stále více.

Mooreův zákon

• Přibližně každé 2 roky se tranzistory 2x zmenší
  – někdy se uvádí, že asi za 18 měsíců
• Díky lepší technologii leptání čipů se na jeden čip vejde 2x více tranzistorů
• Díky lepší technologii leptání čipů
  -ale továrna na nejmodernější čipy stojí více než 1 miliardu dolarů
• Pozorování vs. pozorování. vědecký „zákon“
• 2 efekty:
• a. čipy mají každé 2 roky dvojnásobnou kapacitu
  -rychlost se nezdvojnásobuje, zdvojnásobuje se kapacita, což je stále velmi užitečné
• b. nebo zachování konstantní kapacity, čipy se každé 2 roky zmenšují a zlevňují
• (b) proto jsou nyní počítače v autech, termostatech, blahopřání
• Příklad: kapacita MP3 přehrávače za 50 dolarů každé 2 roky: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Pravidlo: 8x za 6 let
• 8x za 6 let může odpovídat nárůstu kapacity vašeho telefonu
• Mooreův zákon pravděpodobně nebude platit věčně

Mooreův zákon (Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti Intel) říká, že hustota tranzistorů na čipu se zdvojnásobuje přibližně každé 2 roky (někdy se uvádí každých 18 měsíců). Tento nárůst je způsoben zdokonalením technologie výroby čipů. Nejedná se o vědecký zákon, pouze o obecnou předpověď, která zřejmě stále funguje. V širším smyslu vystihuje myšlenku, že v přepočtu na jeden dolar se počítačová technologie (nejen tranzistory) s postupem času exponenciálně zlepšuje. To je zcela zřejmé, pokud se podíváte na cenu nebo schopnosti počítačů/fotoaparátů atd., které jste vlastnili. Výsledkem Moorova zákona jsou výkonnější počítače (srovnejte, co umí iPhone 7 oproti původnímu iPhonu) i levnější počítače (méně výkonné počítače se objevují všude, například v termostatech a autech).

Počítače v životě: Řídicí systémy

• Řídicí systém: reaguje na vnější stav
• např. motor auta: mění palivovou směs na základě teploty
• např. spustí airbag při velkém přetížení při nárazu
• Čipy jsou skvělé, levný způsob, jak vytvořit řídicí systémy
• Předempočítačové řídicí systémy nefungovaly tak dobře
• Jeden z důvodů, proč dnes auta fungují mnohem lépe

Demonstrace řídicího systému / Moorovy svítilny

• Maglite XL200 svítilna má v sobě čip
• Příklad řídicího systému
• Mooreův zákon umožňuje tuto aplikaci čipu
• Svítilna převádí úhlovou polohu na jas. (1 kliknutí)
• Také má režim převodu úhlu na rychlost blikání. (2-kliknutí)

Hardware počítače – procesor, paměť RAM a trvalé úložiště

Nyní si povíme o třech hlavních částech, které tvoří počítač – procesor, paměť RAM a trvalé úložiště. Tyto tři se nacházejí ve všech počítačích: noteboocích, chytrých telefonech a tabletech.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Působí jako mozek: řídí se instrukcemi v kódu
• „obecné“ – obrázky, sítě, matematika… vše na CPU
• Provádí výpočty, např.např. sečte dvě čísla
• vs. operační paměť a trvalé úložiště, které pouze uchovávají data
• „gigahertz“ = 1 miliarda operací za sekundu
• Procesor „2 gigahertzy“ provádí 2 miliardy operací za sekundu

CPU – centrální procesorová jednotka – nevyhnutelně označovaná jako „mozek“ počítačů. CPU provádí aktivní „běh“ kódu, manipuluje s daty, zatímco ostatní komponenty mají spíše pasivní úlohu, například ukládají data. Když řekneme, že počítač dokáže „sečíst dvě čísla, a to miliardkrát za sekundu“… to je procesor. Když stisknete tlačítko Spustit, procesor nakonec „spustí“ váš kód. Později si doplníme obrázek o tom, jak váš kód v JavaScriptu spouští procesor.

Mimochodem: „Jádra“ CPU

• Moderní čipy CPU mají více „jader“
• Každé jádro je částečně nezávislý procesor
• Klíčové: mít 4 jádra není 4x rychlejší než mít 1 jádro
• i.Tj. se 4 auty nedojedete rychleji než s 1 autem
• Klesající návratnost
• Více než 4 jádra je často zbytečné

Příklady CPU

Varianta CPU: GPU – Graphics Processing Unit

• Jako CPU, ale specializovaný na zpracování obrázků
• Počítačové hry využívají GPU ve velké míře
• Moderní CPU jsou většinou dostatečně rychlé, více energie jde do GPU

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Funguje jako tabule
• Dočasné, pracovní úložiště bajtů
• RAM uchovává kód i data (dočasně)
• e.Např. otevření obrázku ve Photoshopu
  – data obrázku načtená do bajtů paměti RAM
• např. přičtení 2 k číslu v kalkulačce
  – manipulace s bajty v paměti RAM
• „trvalá“
  -RAM není trvalá. Stav zmizí, když se vypne napájení
  -např. pracujete na dokumentu, pak vypadne napájení a vy přijdete o svou práci (vs. „Uložit“)

RAM – paměť s náhodným přístupem nebo jen „paměť“. RAM je pracovní paměť, kterou počítač používá k ukládání aktivně používaného kódu a dat. Operační paměť je vlastně paměťová oblast bajtů pod kontrolou procesoru. Paměť RAM je relativně rychlá a dokáže načíst hodnotu jakéhokoli konkrétního bajtu během několika nanosekund (1 nanosekunda je 1 miliardtina sekundy). Další hlavní vlastností paměti RAM je, že si svůj stav uchovává pouze po dobu, kdy je napájena – paměť RAM není „trvalé“ úložiště.

Předpokládejme, že pracujete na počítači a ten náhle ztratí napájení a obrazovka zhasne. Pochopíte, že to, na čem jste pracovali, je pryč. Paměť RAM byla vymazána a zůstalo vám pouze to, co jste naposledy uložili na disk (níže).

Příklady RAM

• Máte otevřeno mnoho karet v prohlížeči
  – data jednotlivých karet jsou v paměti RAM
• Běží program
  – kód programu je v paměti RAM
• Program manipuluje s velkým obrázkem
  – data obrázku jsou v paměti RAM
• e.g. může dojít paměť RAM – nelze otevřít novou kartu nebo program, protože veškerá paměť RAM je využita
• Mimochodem: nyní mají telefony 2-4 GB RAM … pro většinu účelů stačí

Persistentní úložiště: Pevný disk, flash disk

• Persistentní úložiště bajtů
• „Persistentní“ znamená zachované i bez napájení
• např. Pevný disk – ukládá bajty jako magnetický obrazec na rotujícím disku
  – neboli „pevný disk“
  – Vysoký zvuk otáčení, který jste možná slyšeli
• Pevné disky byly dlouhou dobu hlavní, trvalou technologií ukládání dat
• Ale nyní je stále populárnější flash.

Jak funguje pevný disk Video (Webm je otevřený standardní formát videa, funguje ve Firefoxu a Chrome). V čase 4:30 ve videu uvidíte čtení/zápis bitů.

Persistentní úložiště, novější technologie: Flash

• „Flash“ je technologie trvalého ukládání dat podobná tranzistoru
  „solid state“ – bez pohyblivých částí
  -jako „Flash disk“
  -jako „Flash paměť“
  -jako „SSD“: Solid State Disk
• Flash je lepší než pevný disk ve všech ohledech kromě ceny – rychlejší, spolehlivější, méně energie
• Flash je dražší na bajt
• Formáty:
• Flash býval velmi drahý, takže většina počítačů používala pevné disky
• Flash je stále levnější (Moorův zákon)
• Na jeden bajt jsou však pevné disky stále podstatně levnější
• Nezaměňovat s „Adobe Flash“, proprietárním formátem médií
• Upozornění: Flash nepřetrvá věčně. Může se stát, že bity nevydrží déle než 10 nebo 20 let. Nikdo to neví jistě

Persistentní úložiště – dlouhodobé úložiště pro bajty jako soubory a složky. Perzistentní znamená, že bajty jsou uloženy, i když je odpojeno napájení. Notebook může pro trvalé ukládání souborů používat rotující pevný disk (známý také jako „pevný disk“). Nebo může používat „flash disk“, známý také jako SSD (Solid State Disk), který ukládá bajty na flash čipy. Pevný disk čte a zapisuje magnetické vzory na rotujícím kovovém disku a ukládá bajty, zatímco flash disk je „solid state“: žádné pohyblivé části, pouze křemíkové čipy s malými skupinami elektronů, které ukládají bajty. V obou případech se jedná o trvalé úložiště, které si zachovává svůj stav i při vypnutém napájení.

Flash disk je rychlejší a spotřebovává méně energie než pevný disk. V přepočtu na jeden bajt je však paměť flash výrazně dražší než úložiště pevného disku. Paměť flash je stále levnější, takže může převzít výklenky na úkor pevných disků. Paměť flash je mnohem pomalejší než paměť RAM, takže není vhodnou náhradou za paměť RAM. Všimněte si, že Adobe Flash je nesouvisející pojem; jedná se o proprietární formát média.

Úložiště flash je to, co je základem USB flash disků, SD karet pro použití ve fotoaparátech nebo vestavěného úložiště v tabletu či telefonu.

Systém souborů

• Jak jsou uspořádány bajty v trvalém úložišti
• např. bajty na flash disku?
• „Souborový systém“ – uspořádání bajtů trvalého úložiště, souborů a složek
• „Soubor“ – název, handle na blok bajtů
• např. „květiny.jpg“ označuje 48KB bajtů obrazových dat

Pevný disk nebo flash disk poskytuje trvalé úložiště jako plochou oblast bajtů bez větší struktury. Obvykle je pevný disk nebo flash disk naformátován pomocí „souborového systému“, který uspořádává bajty do známého vzoru souborů a adresářů, kde každý soubor a adresář má nějaký užitečný název, například „resume.txt“. Po připojení disku k počítači počítač uživateli předloží souborový systém disku a umožní mu otevírat soubory, přesouvat je atd.

V podstatě každý soubor v souborovém systému odkazuje na blok bajtů, takže název „květiny.jpg“ odkazuje na blok 48 KB bajtů, které jsou daty tohoto obrázku. Souborový systém v podstatě dává uživateli jméno (a pravděpodobně i ikonu) pro blok datových bajtů a umožňuje uživateli provádět operace s těmito daty, například je přesouvat, kopírovat nebo otevírat pomocí programu. Souborový systém také sleduje informace o těchto bajtech: kolik jich je, kdy byly naposledy změněny.

Microsoft používá proprietární souborový systém NTFS a Mac OS X má jeho proprietární ekvivalent HFS+ od společnosti Apple. Mnoho zařízení (fotoaparáty, MP3 přehrávače) používá na svých flash kartách velmi starý souborový systém Microsoft FAT32. FAT32 je starý a primitivní souborový systém, ale je dobrý tam, kde je důležitá široká podpora.

Příklady perzistentního úložiště

• Tento je snadno pochopitelný, protože jste použili soubory a souborové systémy
• např. 100 samostatných 1 GB video souborů…. potřebujete 100 GB úložné kapacity

Obrázky hardwaru

Níže jsou obrázky low-endového počítače Shuttle s 1,8ghz procesorem, 512MB RAM a 160GB pevným diskem. Kolem roku 2008 stál přibližně 200 dolarů. Rozbil se, a tak se stal ukázkou ve třídě.

Tady je plochá „základní deska“, o něco menší než list papíru 8,5 x 11, ke které se připojují různé komponenty. Uprostřed je procesor. Zcela vpravo je paměť RAM. Hned napravo od procesoru je několik podpůrných čipů. Jeden z čipů je zakryt měděným „chladičem“, který těsně přiléhá k čipu a odvádí teplo z čipu do okolního vzduchu. Procesor měl také velmi velký chladič, ale ten byl odstraněn, aby byl procesor viditelný.

• Základní deska
• Kovový obal procesoru, přidržovaný pákou
• Měděný chladič

Procesor je pevně přidržován k základní desce malým pákovým mechanismem. Zde je mechanismus uvolněn, aby bylo možné procesor zvednout. Procesor velikosti nehtu je zabalen pod tímto kovovým krytem, který pomáhá odvádět teplo z procesoru až do jeho chladiče. Šedá hmota na kovovém krytu čipu je „tepelná pasta“, materiál, který pomáhá odvádět teplo z pouzdra čipu do jeho (nezobrazeného) chladiče.

• Čip CPU v kovovém obalu
• Chladič byl odstraněn
• Dno obalu .. mnoho spojů (malé drátky)

Převrácení CPU ukazuje malé zlaté plošky na spodní straně CPU. Každá destička je spojena velmi jemným drátkem s místem na křemíkovém čipu.

Tady je obrázek jiného čipu, ale s odstraněným horním obalem. Uprostřed vidíte křemíkový čip ve tvaru malíčku s vyleptanými drobnými detaily tranzistoru. Na okraji čipu vidíte velmi jemné drátky spojující části čipu s vnějšími podložkami (s licencí CC, autorství sharealke 3. Uživatel wikipedie Zephyris)

Při pohledu z boku je nyní zřetelněji vidět chladič a paměťová karta RAM, které vyčnívají ze základní desky.

• Paměťová karta RAM
• Připojuje se k základní desce
• 512 MB karta (4 čipy)

RAM je sestavena z několika čipů zabalených dohromady na malé kartě zvané DIMM, která se připojuje k základní desce (dual inline memory module). Zde vidíme paměť RAM DIMM vyjmutou z patice základní desky. Jedná se o 512MB modul DIMM se 4 čipy. O několik let dříve by tento modul DIMM mohl vyžadovat 8 čipů, aby bylo možné uložit 512 MB … Moorův zákon v akci.

Toto je pevný disk, který se připojuje k základní desce viditelným standardním konektorem SATA. Jedná se o 160GB, „3,5palcový“ disk odkazující na průměr rotujícího disku uvnitř; celý disk je velký asi jako malá brožovaná kniha. Jedná se o standardní velikost disku pro použití uvnitř stolního počítače. V přenosných počítačích se používají 2,5palcové disky, které jsou o něco menší.

• 160 GB pevný disk (trvalé úložiště)
• tj. trvalé
• Připojuje se k základní desce standardním kabelem SATA

Jedná se o jednotku USB flash, která stejně jako pevný disk poskytuje trvalé úložiště bajtů. Je také známý jako „flash disk“ nebo „USB klíč“. Je to v podstatě konektor USB připojený k paměťovému čipu flash s určitou podpůrnou elektronikou:

• Paměťová jednotka flash (druhý typ trvalého úložiště)
• tj. trvalá
• Obsahuje čip flash, polovodičový
• Karta SD, podobný nápad

Tady je rozebrána a ukazuje čip flash, který skutečně ukládá bajty. Tento čip dokáže uložit asi 1 miliardu bitů… kolik je to bajtů? (Odpověď: 8 bitů na bajt, takže je to asi 125 MB)

Tady je „karta SD“, která poskytuje úložiště ve fotoaparátu. Je velmi podobná USB flash disku, jen má jiný tvar.

Mikrokontrolér – levný počítačový čip

• Mikrokontrolér
• Kompletní počítač na jednom čipu
• Malý procesor, RAM, úložiště (Mooreův zákon)
• Čip může stát pod 1 dolar
• Auto, mikrovlnná trouba, termostat

Počítač Arduino