Hardware del computer

Hardware del computer

• I computer hanno due parti principali: hardware e software
• Come il pianoforte (hardware) e la musica (software)
• In questa sezione: hardware

Il computer è una tecnologia di uso generale incredibilmente utile, al punto che ora telecamere, telefoni, termostati e altro sono tutti piccoli computer. Questa sezione introdurrà le parti principali e i temi di come funziona l’hardware del computer. “Hardware” si riferisce alle parti fisiche del computer, e “software” si riferisce al codice che gira sul computer.

Chips e Transistor

• Transistor – blocco di costruzione elettronico vitale
  -Transistor sono “stato solido” – nessuna parte mobile
  -Una delle più importanti invenzioni della storia
  -“Interruttore” che possiamo accendere/spegnere con un segnale elettrico
• Chip di silicio – pezzo di silicio delle dimensioni di un’unghia
• Microscopici transistor sono incisi su chip di silicio
• I chip possono contenere miliardi di transistor
• I chip sono confezionati in plastica, con piccole gambe di metallo
• E.g. chip di CPU, chip di memoria, chip flash
• Silicio (metalloide) vs. Silicone (sostanza morbida sugli utensili da cucina)

Ecco un chip di silicio dentro il suo pacchetto di plastica. L’ho tirato fuori dalla pila dei rifiuti elettronici dell’edificio CS di Stanford, quindi probabilmente è un po’ vecchio. Questo è un piccolo chip con pochi “pin” di connessione elettrica. Più tardi vedremo un chip più grande con centinaia di pin.

All’interno della confezione di plastica c’è un chip di silicio grande come un’unghia con transistor e altri componenti incisi sulla sua superficie. Minuscoli fili collegano il chip all’esterno. (CC licensed attribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

I computer moderni usano minuscoli componenti elettronici che possono essere incisi sulla superficie di un chip di silicio. (Vedi: wikipedia chip) Nota che il silicio (chip, pannelli solari) e il silicone (materiale gommoso morbido) sono diversi!

Il componente elettronico più comune è il “transistor” che funziona come una sorta di valvola amplificatrice di un flusso di elettroni. Il transistor è un dispositivo allo “stato solido”, cioè non ha parti mobili. È un elemento di base utilizzato per costruire componenti elettronici più complessi. In particolare, un “bit” (sotto) può essere costruito con una disposizione di 5 transistor. Il transistor è stato inventato nei primi anni ’50, sostituendo il tubo a vuoto. Da allora, i transistor sono stati resi sempre più piccoli, permettendo di inciderne sempre di più su un chip di silicio.

Legge di Moore

• I transistor diventano 2 volte più piccoli ogni 2 anni
  – a volte elencati come circa 18 mesi
• Possono contenere il doppio dei transistor per chip
• Dovuto alla migliore tecnologia di incisione dei chip
  -Ma una fabbrica di chip all’avanguardia costa più di 1 miliardo di dollari
• Osservazione vs. legge scientifica”
• 2 effetti:
• a. i chip hanno il doppio della capacità ogni 2 anni
  la velocità non raddoppia, la capacità raddoppia che è ancora molto utile
• b. o mantenendo la capacità costante, i chip diventano più piccoli e più economici ogni 2 anni
• (b) è il motivo per cui i computer sono ora in auto, termostati, biglietti d’auguri
• Esempio: 50 dollari di capacità del lettore MP3 ogni 2 anni: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Regola empirica: 8x capacità ogni 6 anni
• 8x in 6 anni può corrispondere all’aumento di capacità del tuo telefono
• La legge di Moore probabilmente non andrà avanti per sempre

La legge di Moore (Gordon Moore, cofondatore di Intel) afferma che la densità dei transistor su un chip raddoppia ogni 2 anni circa (a volte indicata come ogni 18 mesi). L’aumento è dovuto al miglioramento della tecnologia di fabbricazione dei chip. Non è una legge scientifica, solo un’ampia previsione che sembra continuare a funzionare. Più in generale, cattura l’idea che per ogni dollaro, la tecnologia dei computer (non solo i transistor) migliora esponenzialmente col passare del tempo. Questo è abbastanza chiaro se guardate il costo o la capacità dei computer/telecamere ecc. che avete posseduto. La legge di Moore si traduce in computer più capaci (confronta ciò che un iPhone 7 può fare rispetto all’iPhone originale) così come computer più economici (computer meno capaci compaiono ovunque, come nei termostati e nelle automobili).

I computer nella vita: Sistemi di controllo

• Sistema di controllo: risponde allo stato esterno
• es. motore dell’auto: varia la miscela di carburante in base alla temperatura
• es. far scattare l’airbag su forze G elevate da una collisione
• I chip sono un ottimo, economico per costruire sistemi di controllo
• I sistemi di controllo prei sistemi di controllo pre-computer non funzionavano così bene
• Una ragione per cui le auto funzionano molto meglio oggi

Sistema di controllo / Demo torcia di Moore

• Maglite XL200 La torcia ha un chip al suo interno
• Esempio di un sistema di controllo
• La legge di Moore rende fattibile questa applicazione di un chip
• La torcia converte la posizione angolare in luminosità. (1-clic)
• Ha anche una modalità da angolo a velocità di lampeggio. (2-click)

Hardware del computer – CPU, RAM, e memoria persistente

Ora parliamo delle tre parti principali che compongono un computer — CPU, RAM, e memoria persistente. Queste tre parti si trovano in tutti i computer: portatili, smartphone e tablet.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Agisce come un cervello: segue le istruzioni del codice
• “generale” – immagini, rete, matematica .. tutto sulla CPU
• Esegue i calcoli, es.g. aggiungere due numeri
• vs. RAM e memoria persistente che immagazzinano solo dati
• “gigahertz” = 1 miliardo di operazioni al secondo
• Una CPU “2 gigahertz” esegue 2 miliardi di operazioni al secondo

CPU – Central Processing Unit – inevitabilmente indicata come il “cervello” dei computer. La CPU fa la “corsa” attiva del codice, manipolando i dati, mentre gli altri componenti hanno un ruolo più passivo, come la memorizzazione dei dati. Quando diciamo che un computer può “aggiungere due numeri, un miliardo di volte al secondo” … quella è la CPU. Quando premi il pulsante Run, la CPU in definitiva “esegue” il tuo codice. Più avanti, completeremo il quadro di come il tuo codice Javascript viene eseguito dalla CPU.

Avanti: CPU “Cores”

• I moderni chip CPU hanno più “core”
• Ogni core è una CPU semi-indipendente
• Chiave: avere 4 core non è 4 volte più veloce che avere 1 core
• i.Per esempio, 4 macchine non ti portano lì più velocemente di 1 macchina
• Rendimenti decrescenti
• Più di 4 core è spesso inutile

Esempi di PCU

Variante di PCU: GPU – Graphics Processing Unit

• Come la CPU, ma specializzata per gestire le immagini
• I giochi per computer usano molto la GPU
• Le CPU moderne sono per lo più abbastanza veloci, più energia va nelle GPU

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Agisce come una lavagna
• Temporanea, bytes di memoria di lavoro
• RAM memorizza sia codice che dati (temporaneamente)
• e.g. aprire un’immagine in Photoshop
  – dati dell’immagine caricati nei byte della RAM
• e.g. aggiungere 2 a un numero in una calcolatrice
  – manipolare i byte nella RAM
• “persistente”
  -RAM non è persistente. Lo stato sparisce quando si spegne la corrente
  – ad esempio stai lavorando su un documento, poi salta la corrente e perdi il tuo lavoro (vs. “Salva”)

RAM – Random Access Memory, o semplicemente “memoria”. La RAM è la memoria di lavoro che il computer utilizza per memorizzare il codice e i dati che vengono utilizzati attivamente. La RAM è effettivamente un’area di memorizzazione di byte sotto il controllo della CPU. La RAM è relativamente veloce e in grado di recuperare il valore di qualsiasi particolare byte in pochi nanosecondi (1 nanosecondo è 1 miliardesimo di secondo). L’altra caratteristica principale della RAM è che mantiene il suo stato solo finché è alimentata — la RAM non è una memoria “persistente”.

Supponiamo che tu stia lavorando al tuo computer e che improvvisamente perda potenza e lo schermo si oscuri. Capisci che quello su cui stavi lavorando non c’è più. La RAM è stata ripulita, lasciandovi solo ciò che avete salvato per ultimo sul disco (sotto).

Esempi di RAM

• Hai molte schede aperte nel tuo browser
  – i dati di ogni scheda sono in RAM
• Un programma è in esecuzione
  – il codice del programma è in RAM
• Un programma sta manipolando una grande immagine
  – i dati dell’immagine sono in RAM
• e.g. si può esaurire la RAM – non si può aprire una nuova scheda o un programma perché tutta la RAM è in uso
• A parte: ora i telefoni hanno 2-4GB di RAM … abbastanza per la maggior parte degli scopi

Persistent Storage: Hard Drive, Flash Drive

• Memorizzazione persistente di byte
• “Persistente” significa conservato anche quando non è alimentato
• es. Hard drive – memorizza i byte come un modello magnetico su un disco che gira
  – alias “hard disk”
  – Suono di rotazione ad alta tonalità che potresti aver sentito
• I dischi rigidi sono stati la principale tecnologia di memorizzazione persistente per molto tempo
• Ma ora flash sta diventando più popolare.

Come funziona un hard drive Video (Webm è un formato video standard aperto, funziona in Firefox e Chrome). 4:30 nel video per vedere qualche lettura/scrittura di bit.

Stoccaggio persistente, tecnologia più recente: Flash

• “Flash” è una tecnologia di archiviazione persistente simile a un transistor
  “stato solido” – senza parti mobili
  -aka “Flash drive”
  -aka “Flash memory”
  -aka “SSD”: Solid State Disk
• Flash è meglio di un disco rigido in tutti i modi tranne che nel costo – più veloce, più affidabile, meno energia
• Flash è più costoso per byte
• Formati: chiavetta usb, scheda SD nella macchina fotografica, memoria flash incorporata in un telefono o tablet o computer
• Flash era molto costosa, quindi la maggior parte dei computer usava dischi rigidi
• Flash sta diventando più economica (legge di Moore)
• Tuttavia, per byte, i dischi rigidi sono ancora sostanzialmente più economici
• Da non confondere con “Adobe Flash”, un formato multimediale proprietario
• Avviso: flash non persiste per sempre. Potrebbe non tenere i bit oltre i 10 o 20 anni. Nessuno lo sa con certezza

Stoccaggio persistente – stoccaggio a lungo termine per byte come file e cartelle. Persistente significa che i byte sono memorizzati, anche quando l’alimentazione viene rimossa. Un computer portatile potrebbe usare un disco rigido rotante (noto anche come “hard disk”) per la memorizzazione persistente dei file. Oppure potrebbe usare un “flash drive”, noto anche come Solid State Disk (SSD), per memorizzare i byte su chip flash. L’hard disk legge e scrive modelli magnetici su un disco metallico che gira per memorizzare i byte, mentre il flash è “allo stato solido”: nessuna parte in movimento, solo chip di silicio con piccoli gruppi di elettroni per memorizzare i byte. In entrambi i casi, la memorizzazione è persistente, nel senso che mantiene il suo stato anche quando l’alimentazione è spenta.

Un’unità flash è più veloce e utilizza meno energia di un disco rigido. Tuttavia, per byte, la memoria flash è significativamente più costosa di quella del disco rigido. La memoria flash sta diventando più economica, quindi potrebbe conquistare nicchie di mercato a spese dei dischi rigidi. Flash è molto più lento della RAM, quindi non è un buon sostituto della RAM. Si noti che Adobe Flash è un concetto non correlato; è un formato multimediale proprietario.

La memorizzazione flash è ciò che sta alla base delle chiavette USB, delle schede SD per l’uso nelle fotocamere, o della memorizzazione integrata in un tablet o un telefono.

File System

• Come sono organizzati i byte nella memorizzazione persistente?
• E.g. Bytes su un flash drive?
• “File system” – organizza i byte dell’archiviazione persistente, file e cartelle
• “File” – un nome, un handle per un blocco di byte
• e.g. “flowers.jpg” si riferisce a 48KB di byte di dati immagine

Il disco rigido o l’unità flash forniscono l’archiviazione persistente come un’area piatta di byte senza molta struttura. Tipicamente il disco rigido o il flash disk è formattato con un “file system” che organizza i byte nel familiare schema di file e directory, dove ogni file e directory ha un nome piuttosto utile come “resume.txt”. Quando si collega l’unità a un computer, il computer presenta il file system dell’unità all’utente, consentendogli di aprire file, spostare file, ecc.

In sostanza, ogni file nel file system si riferisce a un blocco di byte, quindi il nome “flowers.jpg” si riferisce a un blocco di 48KB di byte che sono i dati di quell’immagine. Il file system in effetti dà all’utente un nome (e probabilmente un’icona) per un blocco di byte di dati, e permette all’utente di eseguire operazioni su quei dati, come spostarli, copiarli o aprirli con un programma. Il file system tiene anche traccia delle informazioni sui byte: quanti ce ne sono, l’ora dell’ultima modifica.

Microsoft usa il file system proprietario NTFS, e Mac OS X ha il suo equivalente proprietario Apple HFS+. Molti dispositivi (fotocamere, lettori MP3) usano il vecchio file system Microsoft FAT32 sulle loro schede flash. FAT32 è un file system vecchio e primitivo, ma è buono dove è importante un ampio supporto.

Esempi di archiviazione persistente

• Questo è facile da capire, dato che hai usato file e file system
• es. 100 file video separati da 1 GB .. hanno bisogno di 100 GB di capacità di archiviazione

Immagini di hardware

Di seguito le immagini di un computer Shuttle di fascia bassa con una CPU da 1,8 ghz, 512 MB di RAM e un disco rigido da 160 GB. Costava circa 200 dollari nel 2008. Si è rotto, e così è diventato un esempio in classe.

Qui c’è la “scheda madre” piatta, poco più piccola di un foglio di carta 8,5 x 11, a cui si collegano i vari componenti. Al centro c’è la CPU. All’estrema destra c’è la memoria RAM. Appena a destra della CPU ci sono un paio di chip di supporto. In evidenza, uno dei chip è coperto da un “dissipatore” di rame… questo preme strettamente contro il chip, dissipando il calore dal chip nell’aria circostante. Anche la CPU aveva un dissipatore molto grande, ma è stato rimosso per rendere visibile la CPU.

• Scheda madre
• Pacchetto metallico della CPU, tenuto da una leva
• Sensibile di rame

La CPU è tenuta stretta contro la scheda madre da un piccolo meccanismo a leva. Qui il meccanismo viene rilasciato in modo che la CPU possa essere presa. La CPU, grande come un’unghia, è impacchettata sotto questa copertura metallica che aiuta a condurre il calore dalla CPU fino al suo dissipatore. La roba grigia sulla copertura metallica del chip è “pasta termica”, un materiale che aiuta a condurre il calore dall’alloggiamento del chip al suo (non mostrato) dissipatore di calore.

• Il chip della CPU nel pacchetto metallico
• Il dissipatore di calore è stato rimosso
• Fondo del pacchetto … molte connessioni (piccoli fili)

Voltando la CPU si vedono i piccoli pad dorati sul fondo della CPU. Ogni pad è collegato da un filo molto sottile a un punto del chip di silicio.

Ecco una foto di un altro chip, ma con l’imballaggio superiore rimosso. Vedete il chip di silicio con un’unghia di mignolo al centro, con i minuscoli dettagli del transistor incisi sopra. Sul bordo del chip, vedete i fili molto sottili che collegano le parti del chip ai pad esterni (CC licensed attribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Ora guardando dal lato, il dissipatore di calore e la scheda di memoria RAM possono essere visti più chiaramente, sporgendo dalla scheda madre.

• Scheda di memoria RAM
• Si collega alla scheda madre
• Scheda da 512 MB (4 chip)

La RAM è costruita con alcuni chip impacchettati insieme su una piccola scheda conosciuta come DIMM che si collega alla scheda madre (modulo di memoria dual inline). Qui vediamo la DIMM di RAM rimossa dal suo socket sulla scheda madre. Questa è una DIMM da 512MB costruita con 4 chip. Qualche anno prima, questa DIMM avrebbe potuto richiedere 8 chip per memorizzare 512MB … la legge di Moore in azione.

Questo è un disco rigido che si collega alla scheda madre con il connettore SATA standard visibile. Questo è un disco da 160GB, “3,5 pollici”, riferito al diametro del disco rotante all’interno; l’intero disco è grande quanto un piccolo libro tascabile. Questa è una dimensione standard del disco da usare all’interno di un computer desktop. I computer portatili usano unità da 2,5 pollici, che sono un po’ più piccole.

• 160 GB di disco rigido (memorizzazione persistente)
• cioè persistente
• Collega alla scheda madre con un cavo SATA standard

Questa è un’unità flash USB che, come un disco rigido, fornisce una memorizzazione persistente di byte. È anche conosciuta come “thumb drive” o “chiave USB”. È essenzialmente una presa USB collegata a un chip di archiviazione flash con un po’ di elettronica di supporto:

• Flash drive (l’altro tipo di archiviazione persistente)
• cioè persistente
• Contiene un chip flash, stato solido
• SD Card, idea simile

Qui è smontata, mostrando il chip flash che effettivamente memorizza i bytes. Questo chip può memorizzare circa 1 miliardo di bit… quanti byte sono? (R: 8 bit per byte, quindi sono circa 125 MB)

Qui c’è una “SD Card” che fornisce lo storage in una macchina fotografica. È molto simile alla chiavetta USB, solo una forma diversa.

Microcontroller – Chip per computer economici

• Microcontroller
• Completo computer su un chip
• Piccola CPU, RAM, memoria (legge di Moore)
• Il chip può costare meno di 1$
• Auto, microonde, termostato

Arduino Computer