Computerhardware

Computerhardware

• Computere har to hoveddele: hardware og software
• Som klaver (hardware) og musik (software)
• I dette afsnit: hardware

Computeren er en utrolig nyttig teknologi til generelle formål, så meget, at kameraer, telefoner, termostater og meget mere nu alle er små computere. I dette afsnit introduceres de vigtigste dele og temaer i forbindelse med, hvordan computerhardware fungerer. “Hardware” henviser til de fysiske dele af computeren, og “software” henviser til den kode, der kører på computeren.

Chips og transistorer

• Transistorer – vigtige elektroniske byggesten
  -Transistorer er “solid state” – ingen bevægelige dele
  -En af de vigtigste opfindelser i historien
  -“Afbryder”, som vi kan tænde/slukke med et elektrisk signal
• Siliciumchip – stykke silicium på størrelse med en fingernegl
• Mikroskopiske transistorer ætses på siliciumchips
• Chips kan indeholde milliarder af transistorer
• Chips er pakket ind i plastik, med små metalben
• e.f.eks. CPU-chips, hukommelseschips, flash-chips
• Silicium (metalloid) vs. silikone (blødt stof på køkkenredskaber)

Her er en siliciumchip inde i sin plastpakning. Jeg trak den ud af bunken med e-affald i Stanford CS-bygningen, så den er sikkert ret gammel. Dette er en lille chip med kun et par “pins” med elektrisk forbindelse. Senere vil vi se en større chip med hundredvis af pins.

Inden for plastemballagen er der en siliciumchip på størrelse med en fingernegl med transistorer og andre komponenter ætset på overfladen. Bittesmå ledninger forbinder chippen med ydersiden. (CC-licenseret tildeling sharealke 3. wikipedia-bruger Zephyris)

Moderne computere bruger bittesmå elektroniske komponenter, som kan ætses på overfladen af en siliciumchip. (Se: wikipedia chip) Bemærk, at silicium (chips, solpaneler) og silikone (blødt gummiagtigt materiale) er forskellige!

Den mest almindelige elektroniske komponent er “transistoren”, der fungerer som en slags forstærkende ventil for en strøm af elektroner. Transistoren er en “solid state”-enhed, hvilket betyder, at den ikke har nogen bevægelige dele. Den er en grundlæggende byggesten, der bruges til at konstruere mere komplekse elektroniske komponenter. En “bit” (nedenfor) kan f.eks. bygges med et arrangement af 5 transistorer. Transistoren blev opfundet i begyndelsen af 1950’erne og erstattede vakuumrøret. Siden da er transistorerne blevet mindre og mindre, hvilket har gjort det muligt at ætse flere og flere af dem på en siliciumchip.

Moores lov

• Transistorer bliver 2x mindre ca. hvert 2. år
  – nogle gange angivet som ca. 18 måneder
• Kan få plads til dobbelt så mange transistorer pr. chip
• På grund af bedre teknologi til ætsning af chips
  -Men en avanceret chipfabrik koster mere end 1 mia. dollars
• Observation vs. videnskabelig “lov”
• 2 virkninger:
• a. chips har dobbelt så stor kapacitet hvert andet år
  -hastigheden fordobles ikke, kapaciteten fordobles, hvilket stadig er meget nyttigt
• b. eller hvis kapaciteten holdes konstant, bliver chips mindre og billigere hvert 2. år
• (b) er grunden til, at der nu findes computere i biler, termostater, lykønskningskort
• Eksempel: 50 $ MP3-afspillerkapacitet hvert 2. år: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Tommelfingerregel: 8x kapacitet hvert 6. år
• 8x på 6 år kan svare til din telefons kapacitetsforøgelse
• Moores lov vil sandsynligvis ikke vare evigt

Moores lov (Gordon Moore, medstifter af Intel) siger, at transistortætheden på en chip fordobles ca. hvert andet år eller deromkring (nogle gange angivet som hver 18. måned). Stigningen skyldes den forbedrede teknologi til fremstilling af chips. Det er ikke en videnskabelig lov, men blot en bred forudsigelse, som tilsyneladende bliver ved med at virke. Mere generelt er den udtryk for den idé, at computerteknologien (ikke kun transistorerne) bliver eksponentielt bedre med tiden pr. dollar. Dette er helt klart, hvis man ser på prisen eller kapaciteten af de computere/kameraer osv. man har ejet. Moores lov resulterer i mere effektive computere (sammenlign hvad en iPhone 7 kan gøre i forhold til den oprindelige iPhone) såvel som billigere computere (mindre effektive computere dukker op overalt, f.eks. i termostater og biler).

Computere i livet: Kontrolsystemer

• Kontrolsystem: reagerer på ekstern tilstand
• f.eks. bilmotor: varierer brændstofblanding på baggrund af temperatur
• f.eks. udløser airbag ved høje G-kræfter fra kollision
• Chips er en stor, billig måde at opbygge kontrolsystemer på
• Den præcomputerstyringssystemer fungerede ikke så godt
• En af grundene til, at biler fungerer så meget bedre i dag

Kontrolsystem / Moore’s lommelygte Demo

• Maglite XL200 lommelygte har en chip i den
• Eksempel på et kontrolsystem
• Moores lov gør denne anvendelse af en chip mulig
• Lommelygte konverterer vinkelposition til lysstyrke. (1-klik)
• Har også en vinkel til blink-hastighed-tilstand. (2-klik)

Computerhardware – CPU, RAM og persistent lagring

Nu skal vi tale om de tre hoveddele, der udgør en computer – CPU, RAM og persistent lagring. Disse tre findes i alle computere: bærbare computere, smartphones og tablets.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Fungerer som en hjerne: følger instruktionerne i koden
• “generelt” – billeder, netværk, matematik .. alt sammen på CPU’en
• Udfører beregninger, f. eks.f.eks. lægge to tal sammen
• vs. RAM og persistent storage, som blot lagrer data
• “gigahertz” = 1 milliard operationer pr. sekund
• En “2 gigahertz” CPU udfører 2 milliarder operationer pr. sekund

CPU – Central Processing Unit – omtales uvægerligt som computernes “hjerner”. CPU’en udfører den aktive “kørsel” af kode og manipulerer data, mens de andre komponenter har en mere passiv rolle, f.eks. lagring af data. Når vi siger, at en computer kan “addere to tal en milliard gange i sekundet” … det er CPU’en. Når du trykker på knappen Kør, er det CPU’en, der i sidste ende “kører” din kode. Senere vil vi færdiggøre billedet af, hvordan din Javascript-kode bliver kørt af CPU’en.

Afhængig: CPU “kerner”

• Moderne CPU-chips har flere “kerner”
• Hver kerne er en semi-uafhængig CPU
• Nøgle: At have 4 kerner er ikke 4x hurtigere end at have 1 kerne
• i.e. 4 biler får dig ikke hurtigere frem end 1 bil
• Aftagende afkast
• Mere end 4 kerner er ofte ubrugeligt

CPU Eksempler

CPU-variant: GPU – Graphics Processing Unit

• Ligner CPU’en, men er specialiseret til at håndtere billeder
• Computerspil bruger GPU’en meget
• Moderne CPU’er er for det meste hurtige nok, mere energi går til GPU’er

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Fungerer som et whiteboard
• Temporære, arbejdende lagringsbytes
• RAM gemmer både kode og data (midlertidigt)
• e.f.eks. åbne et billede i Photoshop
  – billeddata indlæses i bytes i RAM
• f.eks. tilføje 2 til et tal i en lommeregner
  – manipulere bytes i RAM
• “persistent”
  -RAM er ikke persistent. Tilstanden er væk, når strømmen slukkes
  – f.eks. du arbejder på et dokument, så går strømmen, og du mister dit arbejde (i modsætning til “Save”)

RAM – Random Access Memory, eller bare “hukommelse”. RAM er den arbejdshukommelse, som computeren bruger til at gemme kode og data, der bruges aktivt. RAM er effektivt et lagerområde af bytes under CPU’ens kontrol. RAM er relativt hurtig og kan hente værdien af en bestemt byte på få nanosekunder (1 nanosekund er 1 milliardedel af et sekund). Den anden vigtige egenskab ved RAM er, at den kun bevarer sin tilstand, så længe den er forsynet med strøm — RAM er ikke “vedvarende” lagring.

Sæt, at du arbejder på din computer, og den pludselig mister strømmen, og skærmen bliver blank. Du forstår, at det, du arbejdede på, er væk. RAM er blevet renset, og du har kun det tilbage, som du sidst har gemt på disken (nedenfor).

RAM Eksempler

• Du har mange faner åbne i din browser
  – dataene for hver enkelt fane er i RAM
• Et program kører
  – koden for programmet er i RAM
• Et program manipulerer et stort billede
  – dataene for billedet er i RAM
• e.g. du kan løbe tør for RAM – du kan ikke åbne en ny fane eller et nyt program, fordi al RAM er brugt
• Bortset fra det: nu har telefoner 2-4 GB RAM … nok til de fleste formål

Persistent lagring: Harddisk, flashdrev

• Persistent lagring af bytes
• “Persistent” betyder bevaret, selv når der ikke er strøm på
• f.eks. Harddisk – lagrer bytes som et magnetisk mønster på en drejende disk
  – også kendt som “harddisk”
  – Højt klingende snurrende lyd, som du måske har hørt
• Harddiske har været den vigtigste, vedvarende lagringsteknologi i lang tid
• Men nu er flash blevet mere populær.

Sådan fungerer en harddisk Video (Webm er et åbent standardvideoformat, fungerer i Firefox og Chrome). 4:30 i videoen for at se noget læsning/skrivning af bits.

Persistent storage, nyere teknologi: Flash

• “Flash” er en transistorlignende persistent lagringsteknologi
  “solid state” – ingen bevægelige dele
  -aka “Flash-drev”
  -aka “Flash-hukommelse”
  -aka “SSD”: Solid State Disk
• Flash er bedre end en harddisk på alle måder undtagen omkostningerne – hurtigere, mere pålidelig, mindre strøm
• Flash er dyrere pr. byte
• Formater: USB-nøgle, SD-kort i kameraet, flashlagring indbygget i en telefon, tablet eller computer
• Flash var tidligere meget dyrt, så de fleste computere brugte harddiske
• Flash bliver billigere (Moores lov)
• Men pr. byte er harddiske stadig væsentligt billigere
• Det må ikke forveksles med “Adobe Flash”, et proprietært medieformat
• Varsel: “Adobe Flash” er et proprietært medieformat
• Varsel: Flash er ikke evigt gyldig. Det holder måske ikke bitsene længere end 10 eller 20 år. Ingen ved det med sikkerhed

Persistent lagring – langtidsopbevaring af bytes i form af filer og mapper. Vedvarende betyder, at bytesne gemmes, selv når strømmen er afbrudt. En bærbar computer kan bruge en snurrende harddisk (også kendt som “hard disk”) til vedvarende lagring af filer. Eller den kan bruge et “flashdrev”, også kendt som en SSD (Solid State Disk), til at lagre bytes på flashchips. Harddisken læser og skriver magnetiske mønstre på en roterende metalskive til lagring af bytes, mens flash er “solid state”: ingen bevægelige dele, kun siliciumchips med små grupper af elektroner til lagring af bytes. I begge tilfælde er lagringen vedvarende, idet den bevarer sin tilstand, selv når strømmen er slukket.

Et flashdrev er hurtigere og bruger mindre strøm end en harddisk. Pr. byte er flash dog betydeligt dyrere end lagring på harddisken. Flash er blevet billigere, så det kan overtage nicher på bekostning af harddiske. Flash er meget langsommere end RAM, så det er ikke en god erstatning for RAM. Bemærk, at Adobe Flash er et ikke-relateret begreb; det er et proprietært medieformat.

Flashlagring er det, der ligger til grund for USB-drev, SD-kort til brug i kameraer eller den indbyggede lagring i en tablet eller telefon.

Filsystem

• Hvordan organiseres bytes i vedvarende lagring?
• Fx: Bytes på et flashdrev?
• “Filsystem” – organiserer bytes i vedvarende lagring, filer og mapper
• “Fil” – et navn, et håndtag til en blok af bytes
• f.eks. henviser “flowers.jpg” til 48 KB billeddata-bytes

Harddisken eller flashdrevet giver vedvarende lagring som et fladt område af bytes uden megen struktur. Typisk er harddisken eller flashdisken formateret med et “filsystem”, som organiserer bytesne i det velkendte mønster af filer og mapper, hvor hver fil og mappe har et noget brugbart navn som “resume.txt”. Når du tilslutter drevet til en computer, præsenterer computeren drevets filsystem for brugeren, så han kan åbne filer, flytte filer rundt osv.

Væsentligt nok henviser hver fil i filsystemet til en blok af bytes, så navnet “flowers.jpg” henviser til en blok på 48 KB bytes, som er dataene i dette billede. Filsystemet giver i realiteten brugeren et navn (og sandsynligvis et ikon) for en blok af databytes og giver brugeren mulighed for at udføre operationer på disse data, som f.eks. at flytte dem eller kopiere dem eller åbne dem med et program. Filsystemet registrerer også oplysninger om bytes: hvor mange der er, hvornår de sidst er blevet ændret.

Microsoft bruger det proprietære NTFS-filsystem, og Mac OS X har sin Apple-proprietære pendant HFS+. Mange enheder (kameraer, MP3-afspillere) bruger det meget gamle Microsoft FAT32-filsystem på deres flashkort. FAT32 er et gammelt og primitivt filsystem, men det er godt, når bred understøttelse er vigtig.

Persistent lagring Eksempler

• Dette er let at forstå, da du har brugt filer og filsystemer
• f.eks. 100 separate videofiler på 1 GB … har brug for 100 GB lagerkapacitet

Billeder af hardware

Nedenfor er der billeder af en low-end Shuttle-computer med en 1,8ghz CPU, 512 MB RAM og en 160 GB harddisk. Den kostede omkring 200 dollars i omkring 2008. Den gik i stykker, og blev derfor et klasseeksempel.

Her er det flade “motherboard”, der er lidt mindre end et stykke papir på 8,5 x 11, og som de forskellige komponenter sættes i. I midten sidder CPU’en. Yderst til højre er RAM-hukommelsen. Lige til højre for CPU’en er der et par støttechips. Fremtrædende nok er en af chipsene dækket af en kobber “heatsink” … denne trykker tæt mod chippen og afgiver varmen fra chippen til den omgivende luft. CPU’en havde også en meget stor heatsink, men den blev fjernet for at gøre CPU’en synlig.

• Motherboard
• CPU metalpakke, holdt af løftestang
• Kobber heatsink

Cpu’en holdes tæt mod motherboardet af en lille løftestangsmekanisme. Her er mekanismen frigjort, så CPU’en kan tages op. Den fingerneglestore CPU er pakket ind under dette metaldæksel, som hjælper med at lede varmen fra CPU’en op til dens kølehoved. De grå ting på metalchipdækslet er “termisk pasta”, et materiale, der hjælper med at lede varmen fra chiphuset til dets (ikke vist) kølehoved.

• CPU-chip i metalpakke
• Kølehovedet er fjernet
• Bunden af pakken .. mange forbindelser (små ledninger)

Vender man CPU’en om, kan man se de små guldplader i bunden af CPU’en. Hver pad er forbundet med en meget fin ledning til et punkt på siliciumchippen.

Her er et billede af en anden chip, men med den øverste emballage fjernet. Du kan se den lillefingernegleformede siliciumchip i midten med de små transistordetaljer ætset på den. På chipkanten kan du se de meget fine ledninger, der forbinder dele af chippen med de ydre pads (CC-licenseret tilskrivning sharealke 3. wikipedia-bruger Zephyris)

Nu kan man ved at se fra siden tydeligere se kølehovedet og RAM-hukommelseskortet, der stikker op fra bundkortet.

• RAM-hukommelseskort
• Sættes i bundkortet
• 512 MB-kort (4 chips)

RAM er opbygget med nogle få chips pakket sammen på et lille kort, der kaldes et DIMM, som sættes i bundkortet (dual inline memory module). Her ser vi RAM DIMM’et fjernet fra sin sokkel på bundkortet. Dette er et 512 MB DIMM, der er bygget med 4 chips. Et par år tidligere ville dette DIMM måske have krævet 8 chips for at kunne lagre 512 MB … Moores lov i aktion.

Dette er en harddisk, der tilsluttes til bundkortet med det synlige standard SATA-stik. Dette er et 160 GB, “3,5 tommer” drev, der henviser til diameteren af den snurrende disk indeni; hele drevet er ca. på størrelse med en lille paperback-bog. Dette er en standarddiskstørrelse til brug i en stationær computer. Bærbare computere bruger 2,5 tommer drev, som er lidt mindre.

• 160 GB harddisk (vedvarende lagring)
• dvs. vedvarende
• Sluttes til bundkortet med standard SATA-kabel

Dette er et USB-flashdrev, der ligesom en harddisk giver vedvarende byte-lagring. Dette er også kendt som et “tommelfinger-drev” eller en “USB-nøgle”. Det er i bund og grund et USB-stik forbundet til en flashlagringschip med noget støtteelektronik:

• Flashdrev (den anden type vedvarende lagring)
• dvs. vedvarende
• Indeholder en flashchip, solid state
• SD-kort, lignende idé

Her er den skilt ad og viser flashchippen, der rent faktisk lagrer bytesne. Denne chip kan lagre ca. 1 milliard bits … hvor mange bytes er det? (Svar: 8 bits pr. byte, så det er ca. 125 MB)

Her er et “SD-kort”, som giver lagerplads i et kamera. Det minder meget om USB-flashdrevet, bare en anden form.

Microcontroller – billig computerchip

• Microcontroller
• Komplet computer på én chip
• Små CPU, RAM, lagring (Moores lov)
• Chip kan koste under 1 dollar
• Bil, mikrobølgeovn, termostat

Arduino Computer