Sprzęt komputerowy

Sprzęt komputerowy

• Komputery mają dwie główne części: sprzęt i oprogramowanie
• Podobnie jak fortepian (sprzęt) i muzyka (oprogramowanie)
• W tej sekcji: sprzęt

Komputer jest niesamowicie użyteczną technologią ogólnego przeznaczenia, do tego stopnia, że teraz aparaty fotograficzne, telefony, termostaty, i więcej są teraz wszystkie małe komputery. Ta sekcja wprowadzi główne części i tematy, jak działa sprzęt komputerowy. „Hardware” odnosi się do fizycznych części komputera, a „software” odnosi się do kodu, który działa na komputerze.

Chipsy i tranzystory

• Tranzystor – ważny elektroniczny budulec
  -Tranzystory są „solid state” – nie mają ruchomych części
  -Jeden z najważniejszych wynalazków w historii
  -.”Włącznik”, który możemy włączyć/wyłączyć sygnałem elektrycznym
• Chip krzemowy – kawałek krzemu wielkości paznokcia
• Mikroskopijne tranzystory są wytrawiane na chipach krzemowych
• Chipy mogą zawierać miliardy tranzystorów
• Chipy są pakowane w plastik, z małymi metalowymi nóżkami
• e.g. Układy CPU, układy pamięci, układy flash
• Krzem (metaloid) vs. Silikon (miękka substancja na naczyniach kuchennych)

Tutaj jest krzemowy układ scalony wewnątrz jego plastikowego opakowania. Wyciągnąłem go z kupki e-odpadów w budynku CS Stanforda, więc prawdopodobnie jest trochę stary. Jest to mały chip z zaledwie kilkoma „pinami” połączenia elektrycznego. Później zobaczymy większy układ z setkami pinów.

Wewnątrz plastikowego opakowania znajduje się układ krzemowy wielkości paznokcia z tranzystorami i innymi elementami wyrytymi na jego powierzchni. Malutkie druciki łączą chip z otoczeniem. (CC licensed attribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Nowoczesne komputery używają maleńkich elementów elektronicznych, które mogą być wyryte na powierzchni krzemowego chipa. (Zobacz: wikipedia chip) Zauważ, że krzem (chipy, panele słoneczne) i silikon (miękki gumowy materiał) są różne!

Najczęściej spotykanym komponentem elektronicznym jest „tranzystor”, który działa jako rodzaj zaworu wzmacniającego dla przepływu elektronów. Tranzystor jest urządzeniem typu „solid state”, co oznacza, że nie posiada ruchomych części. Jest to podstawowy blok konstrukcyjny wykorzystywany do budowy bardziej złożonych elementów elektronicznych. W szczególności, „bit” (poniżej) może być zbudowany z układu 5 tranzystorów. Tranzystor został wynaleziony na początku lat 50-tych, zastępując lampę próżniową. Od tego czasu tranzystory są coraz mniejsze, dzięki czemu coraz więcej z nich można wytrawić na krzemowym chipie.

Prawo Moore’a

• Tranzystory stają się 2x mniejsze co 2 lata
  – czasami wymieniane jako około 18 miesięcy
• Można zmieścić dwa razy więcej tranzystorów na chipie
• Dzięki lepszej technologii wytrawiania chipów
  -ale fabryka chipów kosztuje więcej niż 1 miliard dolarów
• Obserwacja vs. naukowe „prawo”
• 2 Efekty:
• a. chipy mają dwa razy większą pojemność co 2 lata
  prędkość się nie podwaja, pojemność się podwaja, co nadal jest bardzo użyteczne
• b. lub utrzymując stałą pojemność, chipy stają się mniejsze i tańsze co 2 lata
• (b) dlatego komputery są teraz w samochodach, termostatach, kartach okolicznościowych
• Przykład: 50$ odtwarzacz MP3 pojemność co 2 lata: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Rule of thumb: 8x pojemność co 6 lat
• 8x w 6 lat może odpowiadać wzrostowi pojemności twojego telefonu
• Prawo Moore’a prawdopodobnie nie będzie trwało wiecznie

Prawo Moore’a (Gordon Moore, współzałożyciel Intela) stwierdza, że gęstość tranzystorów na chipie podwaja się mniej więcej co 2 lata (czasami wymieniane jako co 18 miesięcy). Wzrost ten jest spowodowany ulepszoną technologią produkcji chipów. Nie jest to prawo naukowe, a jedynie szeroka prognoza, która zdaje się sprawdzać. W szerszym ujęciu, ujmuje to ideę, że w przeliczeniu na dolara, technologia komputerowa (nie tylko tranzystory) staje się wykładniczo lepsza w miarę upływu czasu. Jest to całkiem jasne, jeśli spojrzysz na koszt lub możliwości komputerów/kamer itp. które posiadasz. Prawo Moore’a skutkuje bardziej wydajnymi komputerami (porównaj co może zrobić iPhone 7 vs. oryginalny iPhone), jak również tańszymi komputerami (mniej wydajne komputery pojawiają się wszędzie, jak w termostatach i samochodach).

Komputery w życiu: Systemy sterowania

• System sterowania: reaguje na stan zewnętrzny
• np. silnik samochodowy: zmienia mieszankę paliwową na podstawie temperatury
• np. uruchamiać poduszkę powietrzną przy dużych siłach G w wyniku kolizji
• Chipy są świetnym, tani sposób na budowanie systemów kontroli
• Systemy kontroli przedkomputerowe systemy kontroli nie działały tak dobrze
• Jeden z powodów, dla których samochody działają dziś o wiele lepiej

System kontroli / Moore’s Flashlight Demo

• Maglite XL200 latarka ma w sobie chip
• Przykład systemu sterowania
• Prawo Moore’a czyni to zastosowanie chipu wykonalnym
• Latarka zamienia pozycję kątową na jasność. (1 kliknięcie)
• Ma również tryb zmiany kąta na szybkość mrugania. (2 kliknięcia)

Sprzęt komputerowy – procesor, pamięć RAM i pamięć masowa

Teraz porozmawiajmy o trzech głównych częściach, które tworzą komputer – procesorze, pamięci RAM i pamięci masowej. Te trzy elementy znajdują się we wszystkich komputerach: laptopach, smartfonach i tabletach.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Działa jak mózg: wykonuje instrukcje w kodzie
• „ogólne” – obrazy, sieci, matematyka … wszystko na CPU
• Wykonuje obliczenia, np.np. dodać dwie liczby
• vs. RAM i pamięć stała, które tylko przechowują dane
• „gigahertz” = 1 miliard operacji na sekundę
• A „2 gigahertz” CPU wykonuje 2 miliardy operacji na sekundę

CPU – Central Processing Unit – nieuchronnie określane jako „mózgi” komputerów. CPU zajmuje się aktywnym „uruchamianiem” kodu, manipulowaniem danymi, podczas gdy inne komponenty pełnią bardziej pasywną rolę, np. przechowują dane. Kiedy mówimy, że komputer może „dodać dwie liczby, miliard razy na sekundę” … to jest procesor. Kiedy naciskasz przycisk Uruchom, procesor ostatecznie „uruchamia” twój kod. Później uzupełnimy obraz tego, jak twój kod Javascript jest uruchamiany przez CPU.

Poza tym: CPU „Cores”

• Nowoczesne układy CPU mają wiele „rdzeni”
• Każdy rdzeń jest pół-niezależnym procesorem
• Klucz: posiadanie 4 rdzeni nie jest 4x szybsze niż posiadanie 1 rdzenia
• i.e. 4 samochody nie dostarczą cię tam szybciej niż 1 samochód
• Diminishing returns
• Więcej niż 4 rdzenie są często bezużyteczne

CPU Przykłady

CPU Variant: GPU – Graphics Processing Unit

• Podobny do CPU, ale wyspecjalizowany do obsługi obrazów
• Gry komputerowe mocno wykorzystują GPU
• Nowoczesne CPU są w większości wystarczająco szybkie, więcej energii idzie do GPU

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Działa jak tablica
• Tymczasowa, robocza pamięć bajtów
• RAM przechowuje zarówno kod jak i dane (tymczasowo)
• e.np. otwieranie obrazu w Photoshopie
  – dane obrazu załadowane do bajtów pamięci RAM
• e.g. dodawanie 2 do liczby w kalkulatorze
  – manipulowanie bajtami w pamięci RAM
• „persistent”
  -RAM nie jest trwały. Stan znika po wyłączeniu zasilania
  -e.g. Pracujesz nad dokumentem, potem wysiada zasilanie i tracisz swoją pracę (vs. „Save”)

RAM – Random Access Memory, lub po prostu „pamięć”. RAM jest roboczą pamięcią typu scratchpad, której komputer używa do przechowywania kodu i danych, które są aktywnie używane. RAM jest skutecznie obszar przechowywania bajtów pod kontrolą CPU. Pamięć RAM jest stosunkowo szybka i jest w stanie pobrać wartość dowolnego bajtu w ciągu kilku nanosekund (1 nanosekunda to 1 miliardowa część sekundy). Inną główną cechą pamięci RAM jest to, że utrzymuje ona swój stan tylko tak długo, jak długo jest zasilana – RAM nie jest „trwałą” pamięcią masową.

Załóżmy, że pracujesz na swoim komputerze i nagle traci on zasilanie, a ekran staje się pusty. Zrozumiałeś, że to, nad czym pracowałeś, przepadło. Pamięć RAM została wyczyszczona, pozostawiając Ci tylko to, co ostatnio zapisałeś na dysku (poniżej).

Przykłady RAM

• Masz wiele kart otwartych w przeglądarce
  – dane dla każdej karty są w RAM
• Program jest uruchomiony
  – kod programu jest w RAM
• Program manipuluje dużym obrazem
  – dane obrazu są w RAM
• e.g. może zabraknąć pamięci RAM – nie można otworzyć nowej karty lub programu, ponieważ cała pamięć RAM jest w użyciu
• Poza tym: teraz telefony mają 2-4GB pamięci RAM … wystarczające do większości celów

Persistent Storage: Hard Drive, Flash Drive

• Persistent storage of bytes
• „Persistent” oznacza zachowany nawet gdy nie jest zasilany
• e.g. Dysk twardy – przechowuje bajty jako wzór magnetyczny na wirującym dysku
  – aka „dysk twardy”
  – Wysoki dźwięk wirowania, który mogłeś usłyszeć
• Dyski twarde były główną, trwałą technologią przechowywania przez długi czas
• Ale teraz flash staje się bardziej popularny.

Jak działa dysk twardy Video (Webm jest otwartym standardowym formatem wideo, działa w Firefox i Chrome). 4:30 w filmie, aby zobaczyć niektóre odczyty/zapisy bitów.

Persistent Storage, Newer Technology: Flash

• „Flash” to tranzystoropodobna technologia trwałej pamięci masowej
  „solid state” – bez ruchomych części
  -aka „Flash drive”
  -aka „Flash memory”
  -aka „SSD”: Solid State Disk
• Flash jest lepszy od dysku twardego pod każdym względem oprócz kosztów – szybszy, bardziej niezawodny, mniej energii
• Flash jest droższy na bajt
• Formaty: klucz usb, karta SD w aparacie, pamięć flash wbudowana w telefon, tablet lub komputer
• Flash był kiedyś bardzo drogi, więc większość komputerów używała dysków twardych
• Flash staje się coraz tańszy (prawo Moore’a)
• Jednakże w przeliczeniu na bajty dyski twarde są nadal znacznie tańsze
• Nie mylić z „Adobe Flash”, zastrzeżonym formatem mediów
• Ostrzeżenie: flash nie jest wieczny. To może nie trzymać bity przeszłości 10 lub 20 lat. Nikt nie wie na pewno

Persistent storage – długoterminowe przechowywanie bajtów jako plików i folderów. Trwały oznacza, że bajty są przechowywane, nawet gdy zostanie odłączone zasilanie. Laptop może używać wirującego dysku twardego (znanego również jako „dysk twardy”) do trwałego przechowywania plików. Może też korzystać z dysku flash, znanego również jako dysk SSD (Solid State Disk), który przechowuje bajty na chipach flash. Dysk twardy odczytuje i zapisuje wzory magnetyczne na wirującym dysku metalowym w celu przechowywania bajtów, natomiast pamięć flash jest „półprzewodnikowa”: nie ma ruchomych części, tylko krzemowe chipy z małymi grupami elektronów do przechowywania bajtów. W obu przypadkach pamięć masowa jest trwała, ponieważ utrzymuje swój stan nawet wtedy, gdy zasilanie jest wyłączone.

Dysk flash jest szybszy i zużywa mniej energii niż dysk twardy. Jednak w przeliczeniu na bajt, pamięć flash jest znacznie droższa niż pamięć masowa dysku twardego. Pamięć flash staje się coraz tańsza, więc może przejąć nisze kosztem dysków twardych. Flash jest znacznie wolniejszy niż pamięć RAM, więc nie jest dobrym zamiennikiem dla pamięci RAM. Zauważ, że Adobe Flash jest niepowiązaną koncepcją; jest to prawnie zastrzeżony format mediów.

Pamięć flash jest tym, co leży u podstaw napędów USB, kart SD używanych w aparatach fotograficznych lub wbudowanej pamięci w tabletach lub telefonach.

System plików

• Jak są zorganizowane bajty w trwałej pamięci masowej?
• e.g. Bajty na dysku flash?
• „System plików” – organizuje bajty pamięci trwałej, pliki i foldery
• „Plik” – nazwa, uchwyt do bloku bajtów
• np. „flowers.jpg” odnosi się do 48KB bajtów danych obrazu

Dysk twardy lub dysk flash zapewnia pamięć trwałą jako płaski obszar bajtów bez większej struktury. Zazwyczaj dysk twardy lub dysk flash jest sformatowany z „systemem plików”, który organizuje bajty w znany wzór plików i katalogów, gdzie każdy plik i katalog ma nieco użyteczną nazwę, taką jak „resume.txt”. Po podłączeniu dysku do komputera, komputer przedstawia użytkownikowi system plików dysku, umożliwiając mu otwieranie plików, przenoszenie plików itp.

Podstawowo, każdy plik w systemie plików odnosi się do bloku bajtów, więc nazwa „flowers.jpg” odnosi się do bloku 48 KB bajtów, które są danymi tego obrazu. System plików w efekcie daje użytkownikowi nazwę (i prawdopodobnie ikonę) dla bloku bajtów danych i pozwala użytkownikowi na wykonywanie operacji na tych danych, takich jak przenoszenie, kopiowanie lub otwieranie ich za pomocą programu. System plików śledzi również informacje o bajtach: ile ich jest, kiedy były ostatnio modyfikowane.

Microsoft używa zastrzeżonego systemu plików NTFS, a Mac OS X ma swój zastrzeżony przez Apple odpowiednik HFS+. Wiele urządzeń (aparaty fotograficzne, odtwarzacze MP3) używa bardzo starego systemu plików Microsoft FAT32 na swoich kartach flash. FAT32 jest starym i prymitywnym systemem plików, ale jest dobry tam, gdzie ważne jest szerokie wsparcie.

Persistent Storage Przykłady

• Ten jest łatwy do zrozumienia, ponieważ używałeś plików i systemów plików
• np. 100 oddzielnych plików wideo 1 GB … potrzebuje 100 GB pamięci masowej

Obrazy sprzętu

Poniżej znajdują się obrazy low-endowego komputera Shuttle z procesorem 1.8ghz, 512MB pamięci RAM, i dyskiem twardym 160GB. Kosztował około 200 dolarów w około 2008 roku. Zepsuł się, więc stał się przykładem w klasie.

Tutaj jest płaska „płyta główna”, trochę mniejsza niż kartka papieru 8,5 x 11, do której podłącza się różne komponenty. W centrum znajduje się procesor. Po prawej stronie znajduje się pamięć RAM. Tuż na prawo od procesora znajduje się kilka układów wspomagających. Jeden z układów jest pokryty miedzianym „radiatorem”, który ściśle przylega do układu, odprowadzając ciepło z układu do otaczającego go powietrza. Procesor również posiadał bardzo duży radiator, ale został on usunięty, aby procesor był widoczny.

• Płyta główna
• Pakiet metalowy CPU, przytrzymywany przez dźwignię
• Miedziane radiatory

Procesor jest mocno przytrzymywany na płycie głównej przez mały mechanizm dźwigniowy. Tutaj mechanizm jest zwolniony, więc CPU może być podniesiony. Procesor wielkości paznokcia jest umieszczony pod metalową osłoną, która pomaga w odprowadzaniu ciepła z procesora do jego radiatora. Szare rzeczy na metalowej pokrywie procesora to „pasta termiczna”, materiał, który pomaga przewodzić ciepło z obudowy procesora do jego (nie pokazano) radiatora.

• Procesor w metalowej obudowie
• Ratownik został usunięty
• Dolna część obudowy … wiele połączeń (małe przewody)

Odwrócenie procesora pokazuje małe złote podkładki na spodzie procesora. Każdy pad jest połączony bardzo cienkim drutem z miejscem na chipie krzemowym.

Tutaj jest zdjęcie innego chipu, ale z usuniętym górnym opakowaniem. Widać tu układ scalony w kształcie paznokcia w centrum, z wyrytymi na nim szczegółami dotyczącymi tranzystora. Na krawędzi chipu, zobacz bardzo cienkie przewody łączące części chipu z zewnętrznymi podkładkami (CC licensed attribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Teraz patrząc z boku, radiator i karta pamięci RAM mogą być widoczne wyraźniej, wystając z płyty głównej.

• Karta pamięci RAM
• Podłączana do płyty głównej
• 512 MB karta (4 chipy)

Pamięć RAM jest zbudowana z kilku chipów upakowanych razem na małej karcie znanej jako DIMM, która jest podłączana do płyty głównej (dual inline memory module). Tutaj widzimy pamięć RAM DIMM wyjętą z gniazda na płycie głównej. Jest to 512MB DIMM zbudowany z 4 chipów. Kilka lat wcześniej, ten DIMM mógł wymagać 8 chipów w celu przechowywania 512MB … prawo Moore’a w akcji.

To jest dysk twardy, który łączy się z płytą główną za pomocą widocznego standardowego złącza SATA. Jest to dysk o pojemności 160 GB, „3,5 cala”, co odnosi się do średnicy wirującego wewnątrz dysku; cały dysk jest mniej więcej wielkości małej książki paperback. Jest to standardowy rozmiar dysku używany w komputerach stacjonarnych. Laptopy używają dysków 2,5-calowych, które są nieco mniejsze.

• 160 GB dysk twardy (trwała pamięć masowa)
• i.e. persistent
• Podłączany do płyty głównej za pomocą standardowego kabla SATA

Jest to pamięć flash USB, która, podobnie jak dysk twardy, zapewnia trwałą pamięć bajtów. Znany jest również jako „napęd kciukowy” lub „klucz USB”. Jest to zasadniczo gniazdo USB podłączone do układu pamięci flash z pewną elektroniką pomocniczą:

• Drive flash (inny typ trwałej pamięci masowej)
• i.e. persistent
• Zawiera układ pamięci flash, półprzewodnikowy
• Karta SD, podobny pomysł

Tutaj jest rozebrany, pokazując układ pamięci flash, który faktycznie przechowuje bajty. Ten chip może przechowywać około 1 miliarda bitów … ile to jest bajtów? (Odp: 8 bitów na bajt, więc to około 125 MB)

Tutaj jest „Karta SD”, która zapewnia pamięć masową w aparacie. Jest bardzo podobna do pamięci flash USB, tylko ma inny kształt.

Mikrokontroler – tani chip komputerowy

• Mikrokontroler
• Kompletny komputer na jednym chipie
• Mały procesor, RAM, pamięć masowa (prawo Moore’a)
• Chip może kosztować poniżej $1
• Samochód, mikrofalówka, termostat

Komputer Arduino