Számítógép hardver

Számítógép hardver

• A számítógépeknek két fő része van: hardver és szoftver
• Mint a zongora (hardver) és a zene (szoftver)
• Ez a rész: hardver

A számítógép egy elképesztően hasznos, általános célú technológia, olyannyira, hogy ma már a kamerák, telefonok, termosztátok stb. mind kis számítógépek. Ez a szakasz a számítógépes hardver működésének főbb részeit és témáit mutatja be. A “hardver” a számítógép fizikai részeire, a “szoftver” pedig a számítógépen futó kódra utal.

Chipek és tranzisztorok

• Tranzisztor – létfontosságú elektronikus építőelem
  -Tranzisztorok “szilárdtestek” – nincsenek mozgó alkatrészek
  – A történelem egyik legfontosabb találmánya
  .”Kapcsoló”, amit elektromos jellel kapcsolhatunk be/ki
• Silícium chip – körömnyi méretű szilíciumdarab
• Mikroszkopikus méretű tranzisztorokat marnak a szilícium chipekre
• A chipek több milliárd tranzisztort tartalmazhatnak
• A chipeket műanyagba csomagolják, kis fémlábakkal
• e.pl. CPU chipek, memória chipek, flash chipek
• Silícium (metalloid) vs. szilikon (puha anyag a főzőedényeken)

Itt egy szilícium chip a műanyag csomagolásában. Ezt a Stanford CS épületének e-hulladék kupacából szedtem ki, szóval valószínűleg elég régi. Ez egy kis chip, mindössze néhány “csap” elektromos kapcsolattal. Később látni fogunk egy nagyobb chipet több száz tűvel.

A műanyag csomagolás belsejében egy körömnyi méretű szilícium chip van, amelynek felületére tranzisztorokat és más alkatrészeket marattak. A chipet apró vezetékek kötik össze a külvilággal. (CC licenc attribútum sharealke 3. wikipedia felhasználó Zephyris)

A modern számítógépek apró elektronikus alkatrészeket használnak, amelyeket egy szilíciumchip felületére lehet maratni. (Lásd: wikipedia chip) Megjegyzendő, hogy a szilícium (chipek, napelemek) és a szilikon (puha gumiszerű anyag) nem ugyanaz!

A legelterjedtebb elektronikus alkatrész a “tranzisztor”, amely egyfajta erősítő szelepként működik az elektronok áramlásához. A tranzisztor egy “szilárdtest” eszköz, ami azt jelenti, hogy nincsenek mozgó alkatrészei. Ez egy alapvető építőelem, amelyből bonyolultabb elektronikus alkatrészek épülnek. Különösen egy “bit” (alább) építhető 5 tranzisztorból álló elrendezéssel. A tranzisztort az 1950-es évek elején találták fel, és a vákuumcsövet váltotta fel. Azóta a tranzisztorok egyre kisebbek és kisebbek lettek, így egyre több és több tranzisztort lehetett egy szilíciumchipre satírozni.

Moore törvénye

• A tranzisztorok kb. 2 évente 2x kisebbek lesznek
  – néha kb. 18 hónapként szerepel
• Kétszer annyi tranzisztor fér el egy chipen
• A jobb chipmaratási technológiának köszönhetően
  -Az élvonalbeli chipgyár azonban több mint 1 milliárd dollárba kerül
• Megfigyelés vs. Tudományos “törvény”
• 2 Hatások:
• a. a chipek kapacitása 2 évente megduplázódik
  a sebesség nem duplázódik meg, a kapacitás duplázódik meg, ami még mindig nagyon hasznos
• b. vagy a kapacitás állandó marad, a chipek 2 évente kisebbek és olcsóbbak lesznek
• (b) ezért vannak ma már számítógépek az autókban, termosztátokban, üdvözlőkártyákban
• Példa: 50 dolláros MP3 lejátszó kapacitása 2 évente: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Ökölszabály: 8x kapacitás 6 évente
• 8x 6 év alatt megfelelhet a telefonod kapacitásnövekedésének
• Moore törvénye valószínűleg nem tart örökké

Moore törvénye (Gordon Moore, az Intel társalapítója) kimondja, hogy a tranzisztorok sűrűsége egy chipen kb. 2 évente megduplázódik (néha 18 havonta szerepel). A növekedés a chipgyártási technológia fejlődésének köszönhető. Ez nem egy tudományos törvény, csak egy általános előrejelzés, ami úgy tűnik, hogy folyamatosan működik. Tágabb értelemben azt az elképzelést tükrözi, hogy a számítógépes technológia (nem csak a tranzisztorok) egy dollárra vetítve exponenciálisan javul az idő előrehaladtával. Ez elég egyértelmű, ha megnézzük a tulajdonunkban lévő számítógépek, fényképezőgépek stb. költségeit vagy képességeit. A Moore-törvény eredményeképpen egyre jobb képességű számítógépek jönnek létre (hasonlítsuk össze, mit tud egy iPhone 7 az eredeti iPhone-hoz képest), valamint egyre olcsóbb számítógépek (a kevésbé jó képességű számítógépek mindenhol megjelennek, például a termosztátokban és az autókban).

A számítógépek az életben: Vezérlőrendszerek

• Vezérlőrendszer: külső állapotra reagál
• pl. autómotor: hőmérséklet alapján változtatja az üzemanyagkeveréket
• pl. Beindítja a légzsákot nagy G-erők hatására ütközésből
• Chipek egy nagyszerű, olcsó módja annak, hogy vezérlőrendszereket építsünk
• Az előzetesszámítógépes vezérlőrendszerek nem működtek olyan jól
• Egyik oka annak, hogy az autók ma sokkal jobban működnek

Vezérlőrendszer / Moore zseblámpa bemutató

• Maglite XL200 zseblámpában chip van
• Példa egy vezérlőrendszerre
• Moore törvénye teszi megvalósíthatóvá a chip alkalmazását
• A zseblámpa a szöghelyzetet fényerősséggé alakítja. (1 kattintás)
• Egy szöget villogási sebességgé alakító üzemmóddal is rendelkezik. (2 kattintás)

Számítógép hardver – CPU, RAM és tartós tároló

Most beszéljünk a számítógépet alkotó három fő részről – CPU, RAM és tartós tároló. Ez a három minden számítógépben megtalálható: laptopokban, okostelefonokban és táblagépekben.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Úgy működik, mint az agy: követi a kódban szereplő utasításokat
• “általános” – képek, hálózat, matematika .. mind a CPU-n
• Végzi a számításokat, e.pl. összead két számot
• vs. RAM és tartós tároló, amelyek csak adatokat tárolnak
• “gigahertz” = 1 milliárd művelet másodpercenként
• Egy “2 gigahertzes” CPU 2 milliárd műveletet végez másodpercenként

CPU – Central Processing Unit – elkerülhetetlenül a számítógépek “agyaként” emlegetik. A CPU végzi a kód aktív “futtatását”, az adatok manipulálását, míg a többi komponensnek passzívabb szerepe van, például az adatok tárolása. Amikor azt mondjuk, hogy egy számítógép “össze tud adni két számot, másodpercenként egymilliárdszor” … az a CPU. Amikor megnyomja a Futtatás gombot, a CPU végső soron a kódot “futtatja”. Később teljessé tesszük a képet arról, hogy a Javascript kódodat hogyan futtatja a CPU.

Mellett:

• A modern CPU chipek több “maggal”
• Minden mag egy félig független CPU
• Kulcs: a 4 mag nem 4x gyorsabb, mint az 1 mag
• i.Pl. 4 autóval nem érsz oda gyorsabban, mint 1 autóval
• Kisebbülő hozam
• 4 magnál több gyakran haszontalan

CPU példák

CPU variáns: GPU – Graphics Processing Unit

• Mint a CPU, de a képek kezelésére specializálódott
• A számítógépes játékok nagymértékben használják a GPU-t
• A modern CPU-k többnyire elég gyorsak, több energia megy a GPU-kba

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Működik, mint egy tábla
• Álmeneti, működő tárolóbájtok
• A RAM kódot és adatokat is tárol (ideiglenesen)
• e.Pl. kép megnyitása a Photoshopban
  – a kép adatai betöltődnek a RAM bájtjaiba
• pl. 2 hozzáadása egy számhoz egy számológépben
  – bájtok manipulálása a RAM-ban
• “tartós”
  -RAM nem tartós. Az állapot eltűnik, ha kikapcsolják az áramot
  – pl. dolgozol egy dokumentumon, aztán elmegy az áram, és elveszíted a munkádat (vs. “mentés”)

RAM – Random Access Memory, vagy csak “memória”. A RAM az a munkamemória, amelyet a számítógép az aktívan használt kódok és adatok tárolására használ. A RAM gyakorlatilag a CPU ellenőrzése alatt álló, bájtokból álló tárolóterület. A RAM viszonylag gyors, és képes bármelyik bájt értékét néhány nanoszekundum alatt lekérdezni (1 nanoszekundum a másodperc 1 milliárdod része). A RAM másik fő jellemzője, hogy csak addig tartja meg az állapotát, amíg áramot kap — a RAM nem “tartós” tároló.

Tegyük fel, hogy dolgozol a számítógépeden, és hirtelen megszűnik az áramellátás, és a képernyő elsötétül. Megérted, hogy amin dolgoztál, az eltűnt. A RAM kitörlődött, és csak az maradt meg, amit legutóbb lemezre mentett (lentebb).

RAM példák

• Egy böngészőben sok lap van nyitva
  – az egyes lapok adatai a RAM-ban vannak
• Egy program fut
  – a program kódja a RAM-ban van
• Egy program egy nagy képet kezel
  – a kép adatai a RAM-ban vannak
• e.g. kifogyhat a RAM – nem tudsz új lapot vagy programot nyitni, mert az összes RAM foglalt
• Mindenesetre: ma már a telefonokban 2-4GB RAM van … elég a legtöbb célra

Persistent Storage:

Perszisztens bájt-tárolás

A “perzisztens” azt jelenti, hogy áram nélkül is megmarad

pl. Merevlemez – a bájtokat mágneses mintaként tárolja egy forgó lemezen
– más néven “merevlemez”
– Magas hangú forgó hang, amit talán már hallottál

A merevlemezek sokáig a fő, tartós tárolási technológia voltak

De mostanában egyre népszerűbb a flash.

How a Hard Drive Works Video (Webm egy nyílt szabványos videó formátum, Firefoxban és Chrome-ban működik). A videóban 4:30-kor láthatsz néhány bit olvasását/írását.

Persistent Storage, újabb technológia: Flash

• A “Flash” egy tranzisztorszerű tartós tárolási technológia
  “solid state” – nincs mozgó alkatrész
  -aka “Flash drive”
  -aka “Flash memory”
  -aka “SSD”: Solid State Disk
• A flash minden szempontból jobb, mint a merevlemez, kivéve a költségeket – gyorsabb, megbízhatóbb, kevesebb energiát fogyaszt
• A flash byte-onként drágább
• Formátumok: A flash minden tekintetben jobb, mint a merevlemez:
• A flash régebben nagyon drága volt, ezért a legtöbb számítógép merevlemezt használt
• A flash egyre olcsóbb (Moore törvénye)
• A merevlemezek azonban még mindig lényegesen olcsóbbak bájtonként
• Nem tévesztendő össze az “Adobe Flash”-sel, egy szabadalmaztatott médiaformátummal
• Figyelem! A flash nem marad meg örökké. Lehet, hogy 10 vagy 20 évnél tovább nem tartja meg a biteket. Senki sem tudja biztosan

Persistent storage – a bájtok hosszú távú tárolása fájlokként és mappákként. A perzisztens azt jelenti, hogy a bájtok akkor is megmaradnak, ha az áramellátás megszűnik. Egy laptop használhat forgó merevlemezt (más néven “merevlemezt”) a fájlok tartós tárolására. Vagy használhat “flash-meghajtót”, más néven szilárdtestlemezt (SSD) a bájtok flash-chipeken történő tárolására. A merevlemez egy forgó fémlemezen mágneses mintákat olvas és ír a bájtok tárolására, míg a flash “szilárdtest”: nincsenek mozgó alkatrészek, csak szilíciumchipek, amelyeken apró elektroncsoportok tárolják a bájtokat. Mindkét esetben a tároló tartós, azaz akkor is megőrzi az állapotát, ha a készüléket kikapcsolják.

A flash meghajtó gyorsabb és kevesebb energiát fogyaszt, mint a merevlemez. Bájtonként azonban a flash jelentősen drágább, mint a merevlemezes tároló. A flash egyre olcsóbb, így a merevlemezek rovására réseket foglalhat el. A flash sokkal lassabb, mint a RAM, ezért nem alkalmas a RAM helyettesítésére. Megjegyzendő, hogy az Adobe Flash egy független fogalom; ez egy szabadalmaztatott médiaformátum.

A flash tárolás az, ami az USB pendrive-ok, a fényképezőgépekben használt SD kártyák, vagy a táblagépek és telefonok beépített tárolója mögött áll.

Fájlrendszer

• Hogyan vannak szervezve a bájtok a tartós tárolóban?
• pl. bájtok a flash meghajtón?
• “Fájlrendszer” – a tartós tárolás bájtjainak, fájloknak és mappáknak a rendszerezése
• “Fájl” – egy név, egy bájtblokkhoz tartozó fogantyú
• pl. a “flowers.jpg” 48 KB képadatbájtra utal

A merevlemez vagy a pendrive a tartós tárolást bájtok sík területeként biztosítja, különösebb struktúra nélkül. A merevlemez vagy flashlemez általában “fájlrendszerrel” van formázva, amely a bájtokat a fájlok és könyvtárak ismert mintájába rendezi, ahol minden fájlnak és könyvtárnak van egy valamennyire hasznos neve, például “resume.txt”. Amikor a meghajtót csatlakoztatja a számítógéphez, a számítógép a meghajtó fájlrendszerét mutatja be a felhasználónak, lehetővé téve a fájlok megnyitását, a fájlok mozgatását stb.

A fájlrendszerben lényegében minden fájl egy bájtblokkra utal, így a “flowers.jpg” név egy 48 KB-os bájtblokkra utal, amely az adott kép adatait tartalmazza. A fájlrendszer tulajdonképpen nevet (és valószínűleg ikont) ad a felhasználónak egy adatbájtblokkhoz, és lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy műveleteket hajtson végre az adatokkal, például áthelyezze, másolja vagy megnyissa egy programmal. A fájlrendszer a bájtokra vonatkozó információkat is nyomon követi: hány bájt van, mikor módosították őket utoljára.

A Microsoft a saját fejlesztésű NTFS fájlrendszert használja, a Mac OS X pedig az Apple saját fejlesztésű HFS+ megfelelőjét. Sok eszköz (fényképezőgépek, MP3-lejátszók) a nagyon régi Microsoft FAT32 fájlrendszert használja a flash kártyákon. A FAT32 egy régi és primitív fájlrendszer, de ott jó, ahol fontos a széles körű támogatás.

Persistens tárolási példák

• Ez könnyen érthető, hiszen használtál már fájlokat és fájlrendszereket
• pl. 100 különálló 1 GB-os videofájlt … 100 GB tárolókapacitást igényelnek

Képek a hardverről

Az alábbiakban egy 1,8 ghz-es CPU-val, 512 MB RAM-mal és 160 GB-os merevlemezzel rendelkező, alsó kategóriás Shuttle számítógép képei láthatók. Körülbelül 200 dollárba került 2008 körül. Eltört, és így lett osztálytermi példa.

Itt a lapos, 8,5 x 11-es papírlapnál valamivel kisebb “alaplap”, amelyhez a különböző alkatrészek csatlakoznak. Középen van a CPU. A jobb szélén a RAM memória. A CPU-tól jobbra van néhány támogató chip. Feltűnő, hogy az egyik chipet egy réz “hűtőborda” borítja .. ez szorosan a chiphez nyomódik, és a chip hőjét a környező levegőbe vezeti el. A CPU-nak is volt egy nagyon nagy hűtőbordája, de azt eltávolították, hogy a CPU láthatóvá váljon.

• alaplap
• CPU fémcsomagolás, karral tartva
• Réz hűtőborda

A CPU-t egy kis karos mechanizmus tartja szorosan az alaplaphoz. Itt a mechanizmus kioldódik, így a CPU felvehető. A körömnyi méretű CPU-t ez alá a fémfedél alá csomagolták, amely segít elvezetni a hőt a CPU-ból a hűtőbordába. A szürke anyag a fém chipfedélen a “hőpaszta”, egy olyan anyag, amely segít elvezetni a hőt a chipházból a (nem látható) hűtőbordához.

• CPU chip a fémcsomagolásban
• A hűtőbordát eltávolították
• A csomag alja … sok csatlakozás (kis drótok)

A CPU-t megfordítva láthatók a kis aranybetétek a CPU alján. Minden egyes pad egy nagyon finom dróttal kapcsolódik a szilíciumchip egy pontjához.

Itt egy kép egy másik chipről, de a felső csomagolás eltávolítva. Középen látható a kisujjnyi körömnyi szilíciumchip a rámaratott apró tranzisztor részletekkel. A chip szélén lásd a nagyon finom drótokat, amelyek a chip részeit a külső padokhoz kötik (CC licenc attribútum sharealke 3. wikipedia felhasználó Zephyris)

Most oldalról nézve jobban látszik a hűtőborda és a RAM-memóriakártya, amelyek kiállnak az alaplapból.

• RAM memóriakártya
• Az alaplapra csatlakoztatható
• 512 MB-os kártya (4 chip)

A RAM néhány chipből áll, amelyeket egy DIMM nevű kis kártyára csomagolnak, amely az alaplapra csatlakoztatható (dual inline memory module). Itt látjuk az alaplapi foglalatából kivett RAM DIMM-et. Ez egy 512 MB-os DIMM, amely 4 chipből épül fel. Néhány évvel korábban ehhez a DIMM-hez talán 8 chipre lett volna szükség 512 MB tárolásához … Moore törvénye működés közben.

Ez egy merevlemez, amely a látható szabványos SATA-csatlakozóval csatlakozik az alaplaphoz. Ez egy 160 GB-os, “3,5 hüvelykes” meghajtó, ami a benne lévő forgó lemez átmérőjére utal; az egész meghajtó körülbelül akkora, mint egy kis papírkötésű könyv. Ez az asztali számítógépekben használatos szabványos lemezméret. A hordozható számítógépek 2,5 hüvelykes meghajtókat használnak, amelyek valamivel kisebbek.

• 160 GB-os merevlemez (tartós tároló)
• azt jelenti, hogy tartós
• Szokásos SATA-kábellel csatlakozik az alaplaphoz

Ez egy USB flash meghajtó, amely a merevlemezhez hasonlóan tartós byte-tárolást biztosít. Ezt “pendrive” vagy “USB-kulcs” néven is ismerik. Lényegében egy USB-csatlakozó, amely egy flash-tárolóchiphez csatlakozik, némi támogató elektronikával:

• Flash-meghajtó (a tartós tárolás másik típusa)
• azt jelenti, hogy tartós
• Egy flash-chipet tartalmaz, szilárdtest
• SD-kártya, hasonló ötlet

Itt szétszedve látható a flash-chip, amely valójában a bájtokat tárolja. Ez a chip kb. 1 milliárd bitet tud tárolni .. ez hány bájt? (V: 8 bit bájtonként, tehát kb. 125 MB)

Itt egy “SD kártya”, amely a fényképezőgépben biztosít tárhelyet. Nagyon hasonlít az USB pendrive-hoz, csak más a formája.

Mikrokontroller – Olcsó számítógép chip

• Mikrokontroller
• Teljes számítógép egy chipen
• Kis CPU, RAM, tároló (Moore törvénye)
• Chip 1 dollár alá kerülhet
• Autó, mikrohullámú sütő, termosztát

Arduino számítógép