Hardware para Computador

Os computadores têm duas partes principais: hardware e software
Como piano (hardware) e música (software)
Nesta seção: hardware

O computador é uma tecnologia de uso geral incrivelmente útil, ao ponto de que agora câmeras, telefones, termostatos e muito mais são todos agora pequenos computadores. Esta seção irá introduzir as principais partes e temas de como funciona o hardware do computador. “Hardware” refere-se às partes físicas do computador, e “software” refere-se ao código que roda no computador.

Chips and Transistors

Transistor – bloco de construção eletrônica vital
-Transistores são “estado sólido” – sem partes móveis
Uma das invenções mais importantes da história
-“Switch” que podemos ligar/desligar com um sinal eléctrico
Pastilha de silício – peça de silício do tamanho de uma unha
Transistores microscópicos são gravados em chips de silício
Chips podem conter bilhões de transistores
Chips são embalados em plástico, com pequenas pernas metálicas
e.g. Chips de CPU, chips de memória, flash chips
Silicone (metalóide) vs. Silicone (substância macia em utensílios de cozinha)

Aqui está um chip de silicone dentro da sua embalagem plástica. Eu tirei isto da pilha de e-waste no edifício Stanford CS, por isso provavelmente é um pouco antigo. Este é um pequeno chip com apenas alguns “pinos” de conexão elétrica. Mais tarde veremos um chip maior com centenas de pinos.

Dentro da embalagem plástica há um chip de silicone do tamanho de uma unha com transistores e outros componentes gravados na sua superfície. Pequenos fios ligam o chip ao exterior. (CC license license license allocation sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Computadores modernos usam pequenos componentes eletrônicos que podem ser gravados na superfície de um chip de silício. (Veja: chip wikipedia) Note que silício (chips, painéis solares) e silicone (material de borracha macia) são diferentes!

O componente eletrônico mais comum é o “transistor” que funciona como uma espécie de válvula amplificadora para um fluxo de elétrons. O transístor é um dispositivo de “estado sólido”, o que significa que não tem partes móveis. É um bloco básico usado para construir componentes eletrônicos mais complexos. Em particular, um “bit” (abaixo) pode ser construído com um arranjo de 5 transístores. O transístor foi inventado no início da década de 1950, substituindo o tubo de vácuo. Desde então, os transistores têm sido feitos cada vez menores, permitindo que mais e mais deles sejam gravados em um chip de silício.

A Lei de Moore

Transistores ficam 2x menores a cada 2 anos
– às vezes listados como cerca de 18 meses
Pode caber o dobro de transistores por chip
Devem ser melhor gravados em chip
-Mas uma fábrica de chips de última geração custa mais de 1 bilhão de dólares
Observação vs. lei científica”
2 Efeitos:
a. As aparas têm o dobro da capacidade a cada 2 anos
a velocidade não duplica, a capacidade duplica, o que ainda é muito útil
b. ou mantendo a capacidade constante, os chips ficam menores e mais baratos a cada 2 anos
(b) é por isso que os computadores estão agora em carros, termostatos, cartões de saudação
Exemplo: $50 capacidade do MP3 player a cada 2 anos: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
Regra de polegar: 8x capacidade a cada 6 anos
8x em 6 anos pode corresponder ao aumento da capacidade do seu telefone
A lei do Moore provavelmente não continuará para sempre

A lei do Moore (Gordon Moore, co-fundador da Intel) afirma que a densidade de transistores num chip duplica cerca de 2 em 2 anos ou mais (às vezes listados como a cada 18 meses). O aumento é devido à melhoria da tecnologia de fabricação de chips. Não é uma lei científica, apenas uma previsão ampla que parece continuar a funcionar. Mais amplamente, ela captura a idéia de que por dólar, a tecnologia de computador (não apenas transistores) fica exponencialmente melhor com o passar do tempo. Isto é bastante claro se você olhar para o custo ou capacidade dos computadores/câmeras, etc. que você possui. A Lei de Moore resulta em computadores mais capazes (compare o que um iPhone 7 pode fazer com o iPhone original), bem como computadores mais baratos (computadores menos capazes aparecem em todos os lugares, como em termóstatos e carros).

Computadores na vida: Sistemas de controle

Sistema de controle: responde ao estado externo
e.g. motor de carro: varia a mistura de combustível com base na temperatura
e.g. activar o airbag em altas forças G de colisão
Chips are a great, forma barata de construir sistemas de controle
O préOs sistemas de controle de computador não funcionaram tão bem
Uma razão pela qual os carros funcionam muito melhor hoje

Control System / Moore’s Flashlight Demo

Maglite XL200 lanterna tem um chip nele
Exemplo de um sistema de controle
A lei de Moore torna viável esta aplicação de um chip
A lanterna converte a posição angular em brilho. (1-clique)
Tambem tem um ângulo para o modo de velocidade de piscar. (2-clicks)

Hardware do computador – CPU, RAM, e armazenamento persistente

Agora vamos falar sobre as três partes principais que compõem um computador — CPU, RAM, e armazenamento persistente. Estes três são encontrados em todos os computadores: laptops, smartphones e tablets.

CPU

CPU – Central Processing Unit
Acta como um cérebro: segue as instruções no código
“geral” – imagens, rede, matemática … tudo na CPU
Realiza cálculos, e.g. adicione dois números
vs. RAM e armazenamento persistente que apenas armazena dados
“gigahertz” = 1 bilhão de operações por segundo
Uma CPU “2 gigahertz” realiza 2 bilhões de operações por segundo

CPU – Unidade Central de Processamento – inevitavelmente referida como o “cérebro” dos computadores. A CPU faz a “execução” ativa do código, manipulando dados, enquanto os outros componentes têm um papel mais passivo, como o armazenamento de dados. Quando dizemos que um computador pode “adicionar dois números, um bilhão de vezes por segundo”… é a CPU. Quando se carrega no botão Run, a CPU acaba por “correr” o seu código. Mais tarde, vamos completar a imagem de como o seu código Javascript é executado pela CPU.

Aside: CPU “Cores”

Chips de CPU modernos têm múltiplos “núcleos”
Cada núcleo é uma CPU semi-independente
Key: ter 4 núcleos não é 4x mais rápido que ter 1 núcleo
i.e. 4 carros não o leva lá mais rápido que 1 carro
Diminuir retornos
Mais de 4 núcleos é frequentemente inútil

CPU Exemplos

VarianteCPU: GPU – Unidade de Processamento Gráfico

Como a CPU, mas especializada para lidar com imagens
Jogos de computador usam muito a GPU
UCPUs modernas são na maioria das vezes rápidas o suficiente, mais energia indo para GPUs

RAM

RAM – Memória de Acesso Aleatório
Acta como um quadro branco
Temporário, bytes de armazenamento de trabalho
RAM armazena tanto o código como os dados (temporariamente)
e.g. abrir uma imagem no Photoshop
– dados de imagem carregados nos bytes da RAM
e.g. adicionar 2 a um número em uma calculadora
– manipulando bytes na RAM
“persistente”
-RAM não é persistente. O estado desaparece quando a energia é desligada
-e.g. Você está trabalhando em um doc, então a energia se apaga e você perde seu trabalho (vs. “Salvar”)

RAM – Random Access Memory, ou apenas “memória”. RAM é a memória de bloco de notas que o computador usa para armazenar códigos e dados que estão sendo usados ativamente. A RAM é efetivamente uma área de armazenamento de bytes sob o controle da CPU. A RAM é relativamente rápida e capaz de recuperar o valor de qualquer byte específico em alguns nanossegundos (1 nanossegundo é 1 bilionésimo de segundo). A outra característica principal da RAM é que ela só mantém seu estado enquanto for fornecida com energia — a RAM não é um armazenamento “persistente”.

Se você estiver trabalhando no seu computador, ele de repente perde energia e a tela fica em branco. Você entende que aquilo em que você estava trabalhando desapareceu. A RAM foi apagada, deixando você apenas com o que você salvou no disco pela última vez (abaixo).

Exemplos deRAM

Você tem muitas abas abertas no seu navegador
– os dados de cada aba estão na RAM
Um programa está rodando
– o código do programa está na RAM
Um programa está manipulando uma imagem grande
– os dados da imagem estão na RAM
e.g. você pode ficar sem RAM – não pode abrir uma nova aba ou programa porque toda a RAM está em uso
Aside: agora os telefones têm 2-4GB de RAM … o suficiente para a maioria das finalidades

Armazenamento persistente: Disco rígido, Flash Drive

Armazenamento persistente de bytes
“Persistente” significa preservado mesmo quando não alimentado
e.g. Disco rígido – armazena os bytes como um padrão magnético num disco giratório
– conhecido como “disco rígido”
– Som giratório de alto tom que você pode ter ouvido
Discos rígidos têm sido a principal e persistente tecnologia de armazenamento por muito tempo
Mas agora o flash está ficando mais popular.

Como funciona um vídeo de disco rígido (Webm é um formato de vídeo padrão aberto, funciona em Firefox e Chrome). 4:30 no vídeo para ver algumas leituras/escritas de bits.

Armazenamento Perismático, Novas Tecnologias: Flash

“Flash” é uma tecnologia de armazenamento persistente tipo transistor
“solid state” – sem partes móveis
-aka “Flash drive”
-aka “Flash memory”
-aka “SSD”: Solid State Disk
Flash é melhor que um disco rígido em todos os sentidos, mas custa – mais rápido, mais confiável, menos potência
Flash é mais caro por byte
Formatos: chave usb, cartão SD na câmera, armazenamento flash incorporado em um telefone ou tablet ou computador
Flash costumava ser muito caro, então a maioria dos computadores usavam discos rígidos
Flash está ficando mais barato (lei de Moore)
No entanto por byte, os discos rígidos ainda são substancialmente mais baratos
Não confundir com “Adobe Flash”, um formato de mídia proprietário
Aviso: o flash não persiste para sempre. Ele pode não segurar os bits nos últimos 10 ou 20 anos. Ninguém sabe ao certo

Armazenamento persistente – armazenamento de longo prazo para bytes como arquivos e pastas. Persistente significa que os bytes são armazenados, mesmo quando a energia é removida. Um laptop pode usar um disco rígido giratório (também conhecido como “disco rígido”) para o armazenamento persistente de arquivos. Ou pode usar um “flash drive”, também conhecido como disco de estado sólido (SSD), para armazenar os bytes em chips flash. O disco rígido lê e grava padrões magnéticos em um disco metálico giratório para armazenar os bytes, enquanto o flash é “estado sólido”: sem partes móveis, apenas chips de silício com pequenos grupos de elétrons para armazenar os bytes. Em ambos os casos, o armazenamento é persistente, na medida em que mantém o seu estado mesmo quando a energia está desligada.

Uma unidade flash é mais rápida e usa menos energia do que um disco rígido. Entretanto, por byte, o flash é significativamente mais caro do que o armazenamento em disco rígido. O flash tem ficado mais barato, por isso pode tomar conta de nichos à custa dos discos rígidos. O flash é muito mais lento que a RAM, portanto não é um bom substituto para a RAM. Note que o Adobe Flash é um conceito não relacionado; é um formato de mídia proprietário.

O armazenamento Flash é o que está por baixo das unidades USB, cartões SD para uso em câmeras, ou o armazenamento embutido em um tablet ou telefone.

File System

Como estão organizados os bytes em armazenamento persistente?
e.g. Bytes em uma unidade flash?
“Sistema de arquivo” – organiza os bytes de armazenamento persistente, arquivos e pastas
“Arquivo” – um nome, um cabo para um bloco de bytes
e.g. “flowers.jpg” refere-se a 48KB de bytes de dados de imagem

O disco rígido ou pen drive fornece armazenamento persistente como uma área plana de bytes sem muita estrutura. Tipicamente o disco rígido ou disco flash é formatado com um “sistema de arquivos” que organiza os bytes no padrão familiar de arquivos e diretórios, onde cada arquivo e diretório tem um nome algo útil como “resume.txt”. Quando se liga a drive a um computador, o computador apresenta o sistema de ficheiros da drive ao utilizador, permitindo-lhe abrir ficheiros, mover ficheiros, etc.

Essencialmente, cada ficheiro no sistema de ficheiros refere-se a um bloco de bytes, pelo que o nome “flowers.jpg” se refere a um bloco de 48KB de bytes que são os dados dessa imagem. O sistema de arquivos em efeito dá ao usuário um nome (e provavelmente um ícone) para um bloco de bytes de dados, e permite ao usuário realizar operações sobre esses dados, como movê-los, copiá-los ou abri-los com um programa. O sistema de arquivos também rastreia informações sobre os bytes: quantos são, a hora em que foram modificados pela última vez.

Microsoft usa o sistema de arquivos proprietário NTFS, e o Mac OS X tem seu equivalente em HFS+ proprietário Apple. Muitos dispositivos (câmeras, MP3 players) usam o sistema de arquivos muito antigo Microsoft FAT32 em seus cartões flash. FAT32 é um sistema de arquivos antigo e primitivo, mas é bom onde o suporte amplo é importante.

Exemplos de armazenamento persistente

Este é fácil de entender, já que você usou arquivos e sistemas de arquivos
e.g. 100 arquivos de vídeo separados de 1 GB … precisam de 100 GB de capacidade de armazenamento

Fotos de Hardware

Below são imagens de um computador com CPU de 1.8ghz, 512MB de RAM, e um disco rígido de 160GB. Custou cerca de 200 dólares em cerca de 2008. Ele quebrou, e assim se tornou um exemplo de sala de aula.

Aqui está a “placa-mãe” plana, um pouco menor que um pedaço de papel de 8,5 x 11, que os vários componentes plug-in. No centro está a CPU. Na extrema direita está a memória RAM. À direita da CPU estão um par de chips de suporte. Um dos chips é coberto com um dissipador de calor de cobre… este pressiona firmemente contra o chip, dissipando o calor do chip para o ar ao redor. A CPU também tinha um dissipador de calor muito grande, mas foi removido para tornar a CPU visível.

Placa mãe
Pacote metálico da CPU, segurado por alavanca
Pulver dissipador de calor

A CPU é segurada firmemente contra a placa-mãe por um pequeno mecanismo de alavanca. Aqui o mecanismo é liberado para que a CPU possa ser pega. A CPU do tamanho de uma unha é embalada sob esta tampa metálica que ajuda a conduzir o calor da CPU até o seu dissipador de calor. O material cinza na tampa metálica do chip é “pasta térmica”, um material que ajuda a conduzir o calor do alojamento do chip até seu dissipador de calor (não mostrado).

Chip da CPU em embalagem metálica
Dissipador de calor foi removido
Fundo da embalagem … muitas conexões (pequenos fios)

Flipping the CPU over mostra as pequenas almofadas douradas na parte inferior da CPU. Cada bloco é conectado por um fio muito fino a um ponto do chip de silício.

Aqui está uma foto de outro chip, mas com a embalagem superior removida. Você vê o chip de silicone de unha-de-pinho no centro com os minúsculos detalhes do transistor gravados nele. Na borda do chip, veja os fios muito finos que conectam partes do chip a almofadas externas (CC license allocation sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Agora olhando de lado, o dissipador de calor e o cartão de memória RAM podem ser vistos mais claramente, colados a partir da placa-mãe.

Placa de memóriaRAM
Placas na placa-mãe
512 MB card (4 chips)

RAM é construída com alguns chips empacotados em um pequeno cartão conhecido como DIMM que se conecta à placa-mãe (módulo de memória dual inline). Aqui vemos o DIMM de RAM removido de sua tomada da placa-mãe. Este é um DIMM de 512MB construído com 4 chips. Alguns anos antes, este DIMM pode ter requerido 8 chips para armazenar 512MB … Lei de Moore em ação.

Este é um disco rígido que se conecta à placa-mãe com o conector SATA padrão visível. Esta é uma unidade de 160GB, “3.5 polegadas” referindo-se ao diâmetro do disco giratório no interior; a unidade inteira tem aproximadamente o tamanho de um pequeno livro de bolso. Este é um tamanho de disco padrão para usar dentro de um computador desktop. Computadores portáteis utilizam unidades de 2,5 polegadas, que são um pouco menores.

160 GB de disco rígido (armazenamento persistente)
i.e. persistente
Conecta-se à placa-mãe com cabo SATA padrão

Esta é uma unidade flash USB que, como um disco rígido, fornece armazenamento de bytes persistentes. É também conhecida como “thumb drive” ou “chave USB”. É essencialmente um conector USB conectado a um chip de armazenamento flash com algum suporte eletrônico:

Dispositivo flash (o outro tipo de armazenamento persistente)
i.e. persistente
Contém um chip flash, estado sólido
Cartões SD, idéia similar

Aqui é desmontado, mostrando o chip flash que realmente armazena os bytes. Este chip pode armazenar cerca de 1 bilhão de bits… quantos bytes são? (R: 8 bits por byte, então isso é cerca de 125 MB)

Aqui está um “SD Card” que fornece armazenamento em uma câmera. É muito semelhante ao pen drive USB, apenas uma forma diferente.

Microcontrolador – Chip de Computador Barato

Microcontrolador
Computador completo em um chip
PUUp pequeno, RAM, armazenamento (lei de Moore)
Chip pode custar menos de $1
Carro, microondas, termostato

Hardware para Computador