Computer-Hardware

Computer-Hardware

• Computer haben zwei Hauptbestandteile: Hardware und Software
• Wie Klavier (Hardware) und Musik (Software)
• In diesem Abschnitt: Hardware

Der Computer ist eine erstaunlich nützliche Allzwecktechnologie, so dass heute Kameras, Telefone, Thermostate und vieles mehr kleine Computer sind. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Teile und Themen der Funktionsweise von Computerhardware vorgestellt. „Hardware“ bezieht sich auf die physischen Teile des Computers, und „Software“ bezieht sich auf den Code, der auf dem Computer läuft.

Chips und Transistoren

• Transistor – wichtiger elektronischer Baustein
  -Transistoren sind „Festkörper“ – keine beweglichen Teile
  -Eine der wichtigsten Erfindungen der Geschichte
  -„Schalter“, den wir mit einem elektrischen Signal ein- und ausschalten können
• Siliziumchip – fingernagelgroßes Stück Silizium
• Mikroskopisch kleine Transistoren werden auf Siliziumchips geätzt
• Chips können Milliarden von Transistoren enthalten
• Chips sind in Plastik verpackt, mit kleinen Metallbeinen
• z.z. B. CPU-Chips, Speicherchips, Flash-Chips
• Silizium (Metalloid) vs. Silikon (weiche Substanz auf Kochgeschirr)

Hier ist ein Siliziumchip in seiner Plastikverpackung. Ich habe ihn aus dem Elektroschrotthaufen im Stanford CS-Gebäude gezogen, also ist er wahrscheinlich schon ziemlich alt. Dies ist ein kleiner Chip mit nur ein paar „Pins“ für die elektrische Verbindung. Später werden wir einen größeren Chip mit Hunderten von Pins sehen.

In der Plastikverpackung befindet sich ein fingernagelgroßer Siliziumchip, auf dessen Oberfläche Transistoren und andere Komponenten geätzt sind. Winzige Drähte verbinden den Chip mit der Außenwelt. (CC-Lizenz sharealke 3. wikipedia-Nutzer Zephyris)

Moderne Computer verwenden winzige elektronische Bauteile, die auf die Oberfläche eines Siliziumchips geätzt werden können. (Siehe: wikipedia chip) Man beachte, dass Silizium (Chips, Solarpaneele) und Silikon (weiches gummiartiges Material) unterschiedlich sind!

Das gebräuchlichste elektronische Bauteil ist der „Transistor“, der als eine Art Verstärkungsventil für einen Elektronenfluss arbeitet. Der Transistor ist ein Festkörperbauelement, das heißt, er hat keine beweglichen Teile. Er ist ein Grundbaustein für die Konstruktion komplexerer elektronischer Bauteile. Insbesondere ein „Bit“ (unten) kann mit einer Anordnung von 5 Transistoren gebaut werden. Der Transistor wurde in den frühen 1950er Jahren erfunden und löste die Vakuumröhre ab. Seitdem sind die Transistoren immer kleiner geworden, so dass immer mehr von ihnen auf einen Siliziumchip geätzt werden können.

Moore’s Law

• Transistoren werden etwa alle 2 Jahre 2x kleiner
  – manchmal wird von ca. 18 Monaten gesprochen
• Mit besserer Chip-Ätztechnik können doppelt so viele Transistoren auf einem Chip untergebracht werden
• -aber eine moderne Chip-Fabrik kostet mehr als 1 Milliarde Dollar
• Beobachtung vs. wissenschaftliches „Gesetz“
• 2 Effekte:
• a. Chips haben alle 2 Jahre die doppelte Kapazität
  -Geschwindigkeit verdoppelt sich nicht, Kapazität verdoppelt sich, was immer noch sehr nützlich ist
• b. oder wenn die Kapazität konstant bleibt, werden die Chips alle 2 Jahre kleiner und billiger
• (b), deshalb gibt es heute Computer in Autos, Thermostaten, Grußkarten
• Beispiel: $50 MP3-Player Kapazität alle 2 Jahre: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Faustregel: 8x Kapazität alle 6 Jahre
• 8x in 6 Jahren kann der Kapazitätssteigerung Ihres Telefons entsprechen
• Moore’s Gesetz wird wahrscheinlich nicht ewig gelten

Moore’s Gesetz (Gordon Moore, Mitbegründer von Intel) besagt, dass sich die Dichte der Transistoren auf einem Chip etwa alle 2 Jahre verdoppelt (manchmal auch alle 18 Monate). Dieser Anstieg ist auf die verbesserte Chip-Herstellungstechnologie zurückzuführen. Es handelt sich dabei nicht um ein wissenschaftliches Gesetz, sondern nur um eine allgemeine Vorhersage, die immer wieder zu funktionieren scheint. Im Großen und Ganzen drückt es die Idee aus, dass die Computertechnologie (nicht nur Transistoren) pro Dollar im Laufe der Zeit exponentiell besser wird. Dies wird deutlich, wenn man sich die Kosten oder die Leistungsfähigkeit der Computer/Kameras usw. ansieht, die man besitzt. Moore’s Law führt zu leistungsfähigeren Computern (vergleiche, was ein iPhone 7 im Vergleich zum ursprünglichen iPhone kann) und zu billigeren Computern (weniger leistungsfähige Computer tauchen überall auf, wie in Thermostaten und Autos).

Computer im Leben: Steuerungssysteme

• Steuerungssystem: reagiert auf externen Zustand
• z.B. Automotor: variiert die Kraftstoffmischung in Abhängigkeit von der Temperatur
• z.B. Auslösen des Airbags bei hohen G-Kräften bei einem Aufprall
• Chips sind eine großartige, billige Möglichkeit, Steuerungssysteme zu bauen
• Die VorComputer-Steuerungssysteme funktionierten nicht so gut
• Ein Grund, warum Autos heute so viel besser funktionieren

Steuerungssystem / Moore’s Taschenlampe Demo

• Maglite XL200 Taschenlampe hat einen Chip eingebaut
• Beispiel für ein Steuerungssystem
• Moore’s Gesetz macht diese Anwendung eines Chips möglich
• Taschenlampe wandelt Winkelposition in Helligkeit um. (1-Klick)
• Es gibt auch einen Modus, der Winkel in Blinkgeschwindigkeit umwandelt. (2-Klick)

Computer-Hardware – CPU, RAM und dauerhafter Speicher

Lassen Sie uns nun über die drei Hauptteile sprechen, aus denen ein Computer besteht – CPU, RAM und dauerhafter Speicher. Diese drei sind in allen Computern zu finden: in Laptops, Smartphones und Tablets.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Verhält sich wie ein Gehirn: folgt den Anweisungen im Code
• „allgemein“ – Bilder, Netzwerke, Mathematik .. alles auf der CPU
• Führt Berechnungen durch, z.z. B. zwei Zahlen addieren
• vs. RAM und persistenter Speicher, die nur Daten speichern
• „Gigahertz“ = 1 Milliarde Operationen pro Sekunde
• Eine „2 Gigahertz“-CPU führt 2 Milliarden Operationen pro Sekunde aus

CPU – Central Processing Unit – wird unweigerlich als das „Gehirn“ der Computer bezeichnet. Die CPU ist für die aktive Ausführung des Codes und die Bearbeitung von Daten zuständig, während die anderen Komponenten eine eher passive Rolle spielen, z. B. die Speicherung von Daten. Wenn wir sagen, dass ein Computer „zwei Zahlen eine Milliarde Mal pro Sekunde addieren kann“, dann ist das die CPU. Wenn Sie auf die Schaltfläche „Ausführen“ drücken, führt die CPU letztendlich Ihren Code aus. Später werden wir das Bild vervollständigen, wie Ihr Javascript-Code von der CPU ausgeführt wird.

Also: CPU-„Kerne“

• Moderne CPU-Chips haben mehrere „Kerne“
• Jeder Kern ist eine halb-unabhängige CPU
• Schlüssel: 4 Kerne zu haben ist nicht 4x schneller als 1 Kern
• i.d.h. mit 4 Autos kommt man nicht schneller ans Ziel als mit 1 Auto
• Abnehmender Ertrag
• Mehr als 4 Kerne sind oft nutzlos

CPU Beispiele

CPU Variante: GPU – Graphics Processing Unit

• Wie die CPU, aber spezialisiert auf die Verarbeitung von Bildern
• Computerspiele nutzen die GPU stark
• Moderne CPUs sind meist schnell genug, mehr Energie wird in GPUs gesteckt

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Wirkt wie ein Whiteboard
• Vorübergehender, arbeitender Speicher Bytes
• RAM speichert sowohl Code als auch Daten (vorübergehend)
• z.z.B. Öffnen eines Bildes in Photoshop
  – Bilddaten werden in die Bytes des RAM geladen
• z.B. Addieren von 2 zu einer Zahl in einem Taschenrechner
  – Manipulation von Bytes im RAM
• „persistent“
  -RAM ist nicht persistent. Der Zustand ist weg, wenn der Strom abgeschaltet wird
  – z.B. Sie arbeiten an einem Dokument, dann fällt der Strom aus und Sie verlieren Ihre Arbeit (im Gegensatz zu „Speichern“)

RAM – Random Access Memory, oder einfach „Speicher“. RAM ist der Arbeitsspeicher, den der Computer verwendet, um Code und Daten zu speichern, die aktiv verwendet werden. RAM ist ein Speicherbereich mit Bytes, der von der CPU kontrolliert wird. Der Arbeitsspeicher ist relativ schnell und kann den Wert eines bestimmten Bytes innerhalb weniger Nanosekunden abrufen (1 Nanosekunde ist 1 Milliardstel Sekunde). Das andere Hauptmerkmal von RAM ist, dass es seinen Zustand nur so lange behält, wie es mit Strom versorgt wird – RAM ist kein „dauerhafter“ Speicher.

Angenommen, Sie arbeiten an Ihrem Computer und plötzlich fällt die Stromversorgung aus und der Bildschirm wird leer. Sie verstehen, dass das, woran Sie gearbeitet haben, weg ist. Der Arbeitsspeicher wurde gelöscht und Sie haben nur noch das, was Sie zuletzt auf der Festplatte gespeichert haben (siehe unten).

RAM-Beispiele

• Sie haben viele Tabs in Ihrem Browser geöffnet
  – die Daten für jeden Tab befinden sich im RAM
• Ein Programm läuft
  – der Code des Programms befindet sich im RAM
• Ein Programm bearbeitet ein großes Bild
  – die Daten des Bildes befinden sich im RAM
• e.g. kann der Arbeitsspeicher knapp werden – man kann keine neue Registerkarte oder ein neues Programm öffnen, weil der gesamte Arbeitsspeicher belegt ist
• Außerdem haben Handys heute 2-4GB Arbeitsspeicher … genug für die meisten Zwecke

Persistenter Speicher: Festplatte, Flash Drive

• Persistente Speicherung von Bytes
• „Persistent“ bedeutet, dass sie auch ohne Strom erhalten bleiben
• z.B. Festplatte – speichert Bytes als magnetisches Muster auf einer sich drehenden Scheibe
  – auch bekannt als „Festplatte“
  – Das hohe, sich drehende Geräusch haben Sie vielleicht schon gehört
• Festplatten waren lange Zeit die wichtigste Technologie für dauerhafte Speicherung
• Aber jetzt wird Flash immer beliebter.

Wie eine Festplatte funktioniert Video (Webm ist ein offenes Standard-Videoformat, funktioniert in Firefox und Chrome). 4:30 im Video, um etwas Lesen/Schreiben von Bits zu sehen.

Persistente Speicherung, neuere Technologie: Flash

• „Flash“ ist eine transistorähnliche persistente Speichertechnologie
  „solid state“ – keine beweglichen Teile
  -aka „Flash drive“
  -aka „Flash memory“
  -aka „SSD“: Solid State Disk
• Flash ist in jeder Hinsicht besser als eine Festplatte, außer bei den Kosten – schneller, zuverlässiger, weniger Stromverbrauch
• Flash ist pro Byte teurer
• Formate: USB-Stick, SD-Karte in der Kamera, Flash-Speicher in einem Telefon oder Tablet oder Computer
• Flash war früher sehr teuer, so dass die meisten Computer Festplatten verwendeten
• Flash wird immer billiger (Moore’s law)
• Allerdings sind Festplatten pro Byte immer noch wesentlich billiger
• Nicht zu verwechseln mit „Adobe Flash“, einem proprietären Medienformat
• Warnung: Flash ist nicht ewig haltbar. Es kann sein, dass es die Bits nicht über 10 oder 20 Jahre hinaus hält. Niemand weiß das genau

Persistenter Speicher – langfristige Speicherung von Bytes in Form von Dateien und Ordnern. Dauerhaft bedeutet, dass die Bytes gespeichert werden, auch wenn der Strom abgeschaltet wird. Ein Laptop kann eine sich drehende Festplatte (auch „Hard Disk“ genannt) für die dauerhafte Speicherung von Dateien verwenden. Oder er verwendet ein „Flash-Laufwerk“, auch als Solid State Disk (SSD) bezeichnet, um Bytes auf Flash-Chips zu speichern. Das Festplattenlaufwerk liest und schreibt magnetische Muster auf einer sich drehenden Metallscheibe, um die Bytes zu speichern, während das Flash-Laufwerk „solid state“ ist: keine beweglichen Teile, nur Siliziumchips mit winzigen Gruppen von Elektronen, um die Bytes zu speichern. In beiden Fällen ist der Speicher beständig, d. h. er behält seinen Zustand bei, auch wenn der Strom abgeschaltet ist.

Ein Flash-Laufwerk ist schneller und verbraucht weniger Strom als eine Festplatte. Allerdings ist Flash pro Byte deutlich teurer als Festplattenspeicher. Flash wird immer billiger, so dass es Nischen auf Kosten der Festplatten übernehmen könnte. Flash ist viel langsamer als RAM, daher ist es kein guter Ersatz für RAM. Beachten Sie, dass Adobe Flash kein verwandtes Konzept ist; es ist ein proprietäres Medienformat.

Flash-Speicher ist das, was USB-Sticks, SD-Karten für den Einsatz in Kameras oder dem integrierten Speicher in einem Tablet oder Telefon zugrunde liegt.

Dateisystem

• Wie sind die Bytes in einem dauerhaften Speicher organisiert?
• z.B. Bytes auf einem Flash-Laufwerk?
• „Dateisystem“ – organisiert die Bytes des persistenten Speichers, Dateien und Ordner
• „Datei“ – ein Name, ein Handle zu einem Block von Bytes
• z.B. „flowers.jpg“ bezieht sich auf 48KB von Bilddatenbytes

Die Festplatte oder das Flash-Laufwerk bietet persistenten Speicher als einen flachen Bereich von Bytes ohne viel Struktur. In der Regel ist die Festplatte oder der USB-Stick mit einem „Dateisystem“ formatiert, das die Bytes nach dem bekannten Muster von Dateien und Verzeichnissen organisiert, wobei jede Datei und jedes Verzeichnis einen einigermaßen nützlichen Namen wie „resume.txt“ hat. Wenn Sie das Laufwerk an einen Computer anschließen, zeigt der Computer dem Benutzer das Dateisystem des Laufwerks an und ermöglicht es ihm, Dateien zu öffnen, Dateien zu verschieben usw.

Im Wesentlichen bezieht sich jede Datei im Dateisystem auf einen Block von Bytes, so dass sich der Name „flowers.jpg“ auf einen Block von 48KB Bytes bezieht, die die Daten dieses Bildes darstellen. Das Dateisystem gibt dem Benutzer einen Namen (und wahrscheinlich ein Symbol) für einen Block von Datenbytes und ermöglicht es ihm, Operationen mit diesen Daten durchzuführen, wie sie zu verschieben, zu kopieren oder mit einem Programm zu öffnen. Das Dateisystem zeichnet auch Informationen über die Bytes auf: wie viele es sind, wann sie zuletzt geändert wurden.

Microsoft verwendet das proprietäre NTFS-Dateisystem, und Mac OS X hat sein Apple-eigenes Äquivalent HFS+. Viele Geräte (Kameras, MP3-Player) verwenden das sehr alte Microsoft FAT32-Dateisystem auf ihren Flash-Karten. FAT32 ist ein altes und primitives Dateisystem, aber es ist gut, wenn eine breite Unterstützung wichtig ist.

Beispiele für persistenten Speicher

• Dies ist leicht zu verstehen, da man Dateien und Dateisysteme verwendet hat
• z.B. 100 separate 1 GB Videodateien … benötigen 100 GB Speicherkapazität

Bilder von Hardware

Unten sehen Sie Bilder eines einfachen Shuttle-Computers mit einer 1,8-GHz-CPU, 512 MB RAM und einer 160-GB-Festplatte. Er kostete etwa 200 Dollar im Jahr 2008. Er ging kaputt und wurde so zu einem Unterrichtsbeispiel.

Hier ist die flache „Hauptplatine“ zu sehen, etwas kleiner als ein 8,5 x 11 Blatt Papier, an die die verschiedenen Komponenten angeschlossen werden. In der Mitte befindet sich die CPU. Ganz rechts befindet sich der RAM-Speicher. Gleich rechts neben der CPU befinden sich ein paar Support-Chips. Auffällig ist, dass einer der Chips mit einem „Kühlkörper“ aus Kupfer bedeckt ist. Dieser drückt fest gegen den Chip und leitet die Wärme vom Chip an die Umgebungsluft ab. Die CPU hatte auch einen sehr großen Kühlkörper, der aber entfernt wurde, um die CPU sichtbar zu machen.

• Motherboard
• CPU Metallgehäuse, gehalten durch Hebel
• Kupferkühlkörper

Die CPU wird durch einen kleinen Hebelmechanismus fest gegen das Motherboard gehalten. Hier ist der Mechanismus gelöst, so dass die CPU herausgenommen werden kann. Die fingernagelgroße CPU ist unter dieser Metallabdeckung verpackt, die dazu beiträgt, die Wärme von der CPU zu ihrem Kühlkörper zu leiten. Das graue Zeug auf der Metallabdeckung des Chips ist „Wärmeleitpaste“, ein Material, das hilft, die Wärme vom Chipgehäuse zu seinem (nicht abgebildeten) Kühlkörper zu leiten.

• CPU-Chip im Metallgehäuse
• Kühlkörper wurde entfernt
• Unterseite des Gehäuses … viele Anschlüsse (kleine Drähte)

Wenn man die CPU umdreht, sieht man die kleinen goldenen Pads auf der Unterseite der CPU. Jedes Pad ist durch einen sehr feinen Draht mit einem Punkt auf dem Siliziumchip verbunden.

Hier ist ein Bild eines anderen Chips, aber ohne die obere Verpackung. Sie sehen in der Mitte den Siliziumchip mit den winzigen Transistordetails, die darauf geätzt sind. Am Rand des Chips sind die sehr feinen Drähte zu sehen, die Teile des Chips mit den äußeren Pads verbinden (CC lizenziertes Attribut sharealke 3. wikipedia Benutzer Zephyris)

Nun kann man von der Seite betrachtet den Kühlkörper und die RAM-Speicherkarte deutlicher sehen, die aus dem Motherboard herausragen.

• RAM-Speicherkarte
• Steckt in die Hauptplatine
• 512 MB Karte (4 Chips)

RAM besteht aus mehreren Chips, die zusammen auf einer kleinen Karte, einem so genannten DIMM, untergebracht sind, das in die Hauptplatine eingesteckt wird (Dual Inline Memory Module). Hier sehen wir das RAM-DIMM, das aus seinem Motherboard-Sockel entfernt wurde. Es handelt sich um ein 512-MB-DIMM, das aus 4 Chips besteht. Einige Jahre zuvor hätte dieses DIMM 8 Chips benötigt, um 512 MB zu speichern … das Mooresche Gesetz in Aktion.

Dies ist eine Festplatte, die mit dem sichtbaren Standard-SATA-Anschluss an das Motherboard angeschlossen wird. Es handelt sich um ein 160-GB-„3,5-Zoll“-Laufwerk, was sich auf den Durchmesser der sich drehenden Scheibe im Inneren bezieht; das gesamte Laufwerk hat etwa die Größe eines kleinen Taschenbuchs. Dies ist die Standardgröße für Festplatten in Desktop-Computern. Laptop-Computer verwenden 2,5-Zoll-Laufwerke, die etwas kleiner sind.

• 160-GB-Festplatte (dauerhafter Speicher)
• d.h. dauerhaft
• Angeschlossen an die Hauptplatine mit einem Standard-SATA-Kabel

Das ist ein USB-Flash-Laufwerk, das wie eine Festplatte dauerhaften Byte-Speicher bietet. Es wird auch als „Thumb Drive“ oder „USB-Stick“ bezeichnet. Es handelt sich im Wesentlichen um eine USB-Buchse, die mit einem Flash-Speicherchip und einer Unterstützungselektronik verbunden ist:

• Flash-Laufwerk (die andere Art von dauerhaftem Speicher)
• d.h. dauerhaft
• Enthält einen Flash-Chip, Festkörper
• SD-Karte, ähnliches Konzept

Hier wird es auseinandergenommen, um den Flash-Chip zu zeigen, der die Bytes tatsächlich speichert. Dieser Chip kann etwa 1 Milliarde Bits speichern … wie viele Bytes sind das? (A: 8 Bits pro Byte, also etwa 125 MB)

Hier ist eine „SD-Karte“ zu sehen, die als Speicher in einer Kamera dient. Sie ist dem USB-Stick sehr ähnlich, hat nur eine andere Form.

Microcontroller – Billiger Computerchip

• Microcontroller
• Kompletter Computer auf einem Chip
• Kleine CPU, RAM, Speicher (Moore’sches Gesetz)
• Chip kann unter 1 $ kosten
• Auto, Mikrowelle, Thermostat

Arduino Computer