Hardware-ul calculatoarelor

Computerele au două părți principale: hardware și software
Ca pianul (hardware) și muzica (software)
În această secțiune: hardware

Computerul este o tehnologie de uz general uimitor de utilă, până la punctul în care acum aparatele foto, telefoanele, termostatele și multe altele sunt toate mici calculatoare. Această secțiune va prezenta principalele părți și teme ale modului în care funcționează hardware-ul calculatoarelor. „Hardware” se referă la părțile fizice ale computerului, iar „software” se referă la codul care rulează pe computer.

Chip-uri și tranzistori

Transistorul – componentă electronică vitală
-Transistorii sunt „în stare solidă” – fără părți mobile
-Una dintre cele mai importante invenții din istorie
-„Întrerupător” pe care îl putem porni/opri cu un semnal electric
Cip de siliciu – bucată de siliciu de mărimea unei unghii
Transistoarele microscopice sunt gravate pe cipuri de siliciu
Cipurile pot conține miliarde de tranzistori
Cipurile sunt ambalate în plastic, cu mici picioare metalice
e.g. cipuri CPU, cipuri de memorie, cipuri flash
Siliciu (metaloid) vs. silicon (substanță moale de pe ustensilele de gătit)

Iată un cip de siliciu în interiorul ambalajului său de plastic. L-am scos din grămada de deșeuri electronice din clădirea Stanford CS, așa că probabil este cam vechi. Acesta este un cip mic, cu doar câțiva „pini” de conexiune electrică. Mai târziu vom vedea un cip mai mare cu sute de pini.

În interiorul ambalajului de plastic se află un cip de siliciu de mărimea unei unghii, cu tranzistori și alte componente gravate pe suprafața sa. Fire minuscule conectează cipul la exterior. (Atribuire cu licență CC sharealke 3. Utilizator wikipedia Zephyris)

Computerele moderne folosesc componente electronice minuscule care pot fi gravate pe suprafața unui cip de siliciu. (Vezi: wikipedia cip) Rețineți că siliciul (cipuri, panouri solare) și siliconul (material cauciucat moale) sunt diferite!

Cea mai comună componentă electronică este „tranzistorul” care funcționează ca un fel de supapă de amplificare a unui flux de electroni. Tranzistorul este un dispozitiv „în stare solidă”, ceea ce înseamnă că nu are părți mobile. Este un element de bază folosit pentru a construi componente electronice mai complexe. În special, un „bit” (mai jos) poate fi construit cu un aranjament de 5 tranzistoare. Tranzistorul a fost inventat la începutul anilor 1950, înlocuind tubul cu vid. De atunci, tranzistorii au devenit din ce în ce mai mici, permițând gravarea unui număr din ce în ce mai mare de tranzistori pe un cip de siliciu.

Legea lui Moore

Transistorii devin de 2 ori mai mici cam la fiecare 2 ani
– uneori menționat ca fiind de aproximativ 18 luni
Se pot monta de două ori mai mulți tranzistori pe un cip
Datorită unei tehnologii mai bune de gravură a cipurilor
-Dar o fabrică de cipuri de ultimă generație costă mai mult de 1 miliard de dolari
Observația versus observarea. „lege” științifică”
2 Efecte:
a. cipurile au o capacitate dublă la fiecare 2 ani
viteza nu se dublează, capacitatea se dublează, ceea ce este încă foarte util
b. sau păstrând capacitatea constantă, cipurile devin mai mici și mai ieftine la fiecare 2 ani
(b) este motivul pentru care computerele sunt acum în mașini, termostate, cărți de felicitare
Exemplu: capacitatea unui MP3 player de 50$ la fiecare 2 ani: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
Regula de bază: 8x capacitatea la fiecare 6 ani
8x în 6 ani poate fi egală cu creșterea capacității telefonului tău
Legea lui Moore probabil că nu va continua la nesfârșit

Legea lui Moore (Gordon Moore, co-fondator Intel) afirmă că densitatea tranzistoarelor pe un cip se dublează aproximativ la fiecare 2 ani sau cam așa ceva (uneori menționată ca fiind la fiecare 18 luni). Această creștere se datorează îmbunătățirii tehnologiei de fabricare a cipurilor. Nu este o lege științifică, ci doar o predicție generală care pare să continue să funcționeze. În sens mai larg, aceasta surprinde ideea că, per dolar, tehnologia informatică (nu doar tranzistorii) se îmbunătățește exponențial pe măsură ce trece timpul. Acest lucru este destul de clar dacă vă uitați la costul sau capacitatea calculatoarelor/aparatelor foto etc. pe care le-ați deținut. Legea lui Moore are ca rezultat computere mai capabile (comparați ce poate face un iPhone 7 față de iPhone-ul original), precum și computere mai ieftine (computere mai puțin capabile apar peste tot, cum ar fi în termostate și mașini).

Computere în viață: Sisteme de control

Sistemul de control: răspunde la o stare exterioară
de exemplu, motorul unei mașini: variază amestecul de combustibil în funcție de temperatură
e.g. declanșează airbag-ul la forțe G mari în urma unei coliziuni
Chiarjele sunt o mare, ieftină de a construi sisteme de control
Primarulcalculatoarelor nu au funcționat atât de bine
Unul dintre motivele pentru care mașinile funcționează mult mai bine astăzi

Sistem de control / Demonstrația lanternei lui Moore

Maglite XL200 are un cip în lanternă
Exemplu de sistem de control
Legea lui Moore face ca această aplicație a unui cip să fie fezabilă
Lanterna convertește poziția unghiulară în luminozitate. (1-clic)
De asemenea, are un mod de transformare a unghiului în viteză de clipire. (2-clicuri)

Hardware-ul calculatorului – CPU, RAM și stocare persistentă

Acum să vorbim despre cele trei părți majore care alcătuiesc un calculator – CPU, RAM și stocare persistentă. Aceste trei se regăsesc în toate computerele: laptopuri, smartphone-uri și tablete.

CPU

CPU – Unitate centrală de procesare
Actuează ca un creier: urmează instrucțiunile din cod
„general” – imagini, rețele, matematică .. toate pe CPU
Realizează calcule, de ex.ex. însumează două numere
vs. memoria RAM și memoria persistentă care doar stochează date
„gigahertz” = 1 miliard de operații pe secundă
Un CPU de „2 gigahertzi” efectuează 2 miliarde de operații pe secundă

CPU – Central Processing Unit – denumită în mod inevitabil „creierul” calculatoarelor. CPU face „rularea” activă a codului, manipulând datele, în timp ce celelalte componente au un rol mai pasiv, cum ar fi stocarea datelor. Atunci când spunem că un computer poate „aduna două numere, de un miliard de ori pe secundă” … acesta este CPU. Atunci când apăsați butonul Run, CPU-ul „rulează” în cele din urmă codul dumneavoastră. Mai târziu, vom completa tabloul modului în care codul dvs. Javascript este rulat de către CPU.

Afară: CPU „Cores”

Cipsurile CPU moderne au mai multe „nuclee”
Care nucleu este o unitate centrală de procesare semi-independentă
Key: a avea 4 nuclee nu este de 4 ori mai rapid decât a avea 1 nucleu
i.e. 4 mașini nu te duc la destinație mai repede decât 1 mașină
Diminuarea randamentului
Mai mult de 4 nuclee este adesea inutil

Exemple de CPU

Varianta CPU: GPU – Unitate de procesare grafică

Ca și CPU, dar specializată în tratarea imaginilor
Jocurile pe calculator folosesc foarte mult GPU-ul
CPU-urile moderne sunt de cele mai multe ori suficient de rapide, mai multă energie intră în GPU

RAM

RAM – Random Access Memory
Se comportă ca o tablă albă
Biteți de stocare temporară, de lucru
RAM stochează atât codul, cât și datele (temporar)
e.g. deschiderea unei imagini în Photoshop
– datele imaginii încărcate în octeții din RAM
e.g. adăugarea a 2 la un număr într-un calculator
– manipularea octeților din RAM
„persistent”
– RAM nu este persistentă. Starea dispare atunci când se oprește curentul
-de exemplu, lucrați la un document, apoi se întrerupe curentul și vă pierdeți munca (față de „Save”)

RAM – Random Access Memory, sau pur și simplu „memorie”. RAM este memoria de lucru de tip scratchpad pe care calculatorul o folosește pentru a stoca codul și datele care sunt utilizate în mod activ. RAM este, de fapt, o zonă de stocare a octeților sub controlul CPU. RAM este relativ rapidă și este capabilă să recupereze valoarea unui anumit octet în câteva nanosecunde (1 nanosecundă este 1 miliardime de secundă). Cealaltă caracteristică principală a RAM este că își păstrează starea doar atât timp cât este alimentată cu energie – RAM nu este o memorie „persistentă”.

Să presupunem că lucrați la computerul dvs. și că acesta pierde brusc alimentarea cu energie și ecranul devine alb. Înțelegeți că ceea ce lucrați a dispărut. Memoria RAM a fost ștearsă, lăsându-vă doar cu ceea ce ați salvat ultima dată pe disc (mai jos).

Exemple de RAM

Aveți mai multe file deschise în browser
– datele pentru fiecare filă sunt în RAM
Un program rulează
– codul programului este în RAM
Un program manipulează o imagine de mari dimensiuni
– datele imaginii sunt în RAM
e.g. se poate rămâne fără RAM – nu se poate deschide o nouă filă sau un nou program pentru că toată memoria RAM este folosită
Apropoi: acum telefoanele au 2-4GB de RAM … suficient pentru majoritatea scopurilor

Stocare persistentă: Hard Drive, Flash Drive

Stocare persistentă a octeților
„Persistent” înseamnă păstrat chiar și atunci când nu este alimentat
e.g. Hard disk – stochează octeți ca un model magnetic pe un disc care se rotește
– alias „hard disk”
– Sunet de rotație cu ton ridicat pe care poate l-ați auzit
Dispozitivele hard disk au fost principala tehnologie de stocare persistentă pentru o lungă perioadă de timp
Dar acum flash-ul este din ce în ce mai popular.

Cum funcționează un hard disk Video (Webm este un format video standard deschis, funcționează în Firefox și Chrome). 4:30 în videoclip pentru a vedea câteva citiri/scrieri de biți.

Stocarea persistentă, o tehnologie mai nouă: Flash

„Flash” este o tehnologie de stocare persistentă de tip tranzistor
„solid state” – fără părți mobile
-aka „Flash drive”
-aka „Flash memory”
-aka „SSD”: Solid State Disk
Flash este mai bun decât un hard disk din toate punctele de vedere, cu excepția costului – mai rapid, mai fiabil, mai puțin consumator de energie
Flash este mai scump per octet
Formate: cheie USB, card SD în aparatul foto, stocare flash încorporată într-un telefon, tabletă sau computer
Flash-ul era foarte scump, astfel încât majoritatea computerelor foloseau hard disk-uri
Flash-ul este din ce în ce mai ieftin (legea lui Moore)
Cu toate acestea, per byte, hard disk-urile sunt încă substanțial mai ieftine
Nu trebuie confundat cu „Adobe Flash”, un format media proprietar
Atenție: flash nu persistă la nesfârșit. Este posibil să nu mai țină biții după 10 sau 20 de ani. Nimeni nu știe cu siguranță

Stocare persistentă – stocare pe termen lung pentru octeți sub formă de fișiere și foldere. Persistent înseamnă că octeții sunt stocați, chiar și atunci când se întrerupe alimentarea cu energie. Un laptop ar putea utiliza un hard disk rotativ (cunoscut și sub numele de „hard disk”) pentru stocarea persistentă a fișierelor. Sau poate utiliza o „unitate flash”, cunoscută și sub numele de Solid State Disk (SSD), pentru a stoca octeți pe cipuri flash. Hard disk-ul citește și scrie modele magnetice pe un disc metalic rotativ pentru a stoca octeții, în timp ce flash-ul este „în stare solidă”: nu are părți mobile, doar cipuri de siliciu cu grupuri mici de electroni pentru a stoca octeții. În ambele cazuri, stocarea este persistentă, în sensul că își păstrează starea chiar și atunci când nu este alimentată.

O unitate flash este mai rapidă și consumă mai puțină energie decât un hard disk. Cu toate acestea, per octet, flash-ul este semnificativ mai scump decât stocarea pe hard disk. Flash a devenit din ce în ce mai ieftin, astfel încât ar putea prelua nișe în detrimentul hard disk-urilor. Memoria flash este mult mai lentă decât memoria RAM, așa că nu este un bun înlocuitor al acesteia. Rețineți că Adobe Flash este un concept care nu are nicio legătură; este un format media proprietar.

Stocarea flash este ceea ce stă la baza unităților de memorie USB, a cardurilor SD utilizate în aparatele foto sau a memoriei încorporate într-o tabletă sau telefon.

Sistemul de fișiere

Cum sunt organizați octeții din memoria persistentă?
e.g. Octeții de pe o unitate flash?
„Sistem de fișiere” – organizează octeții din stocarea persistentă, fișiere și foldere
„Fișier” – un nume, un mâner către un bloc de octeți
e.g. „flori.jpg” se referă la 48KB de octeți de date de imagine

Discul de hard disk sau unitatea flash oferă stocare persistentă ca o zonă plată de octeți fără prea multă structură. De obicei, discul dur sau discul flash este formatat cu un „sistem de fișiere” care organizează octeții în modelul familiar de fișiere și directoare, unde fiecare fișier și director are un nume oarecum util, cum ar fi „resume.txt”. Când conectați unitatea la un computer, computerul prezintă utilizatorului sistemul de fișiere al unității, permițându-i acestuia să deschidă fișiere, să mute fișiere etc.

În esență, fiecare fișier din sistemul de fișiere se referă la un bloc de octeți, astfel încât numele „flowers.jpg” se referă la un bloc de 48KB de octeți care reprezintă datele acelei imagini. De fapt, sistemul de fișiere oferă utilizatorului un nume (și, probabil, o pictogramă) pentru un bloc de octeți de date și îi permite utilizatorului să efectueze operațiuni asupra acestor date, cum ar fi mutarea, copierea sau deschiderea lor cu un program. Sistemul de fișiere urmărește, de asemenea, informații despre octeți: câți sunt, ora la care au fost modificați ultima dată.

Microsoft folosește sistemul de fișiere NTFS proprietar, iar Mac OS X are echivalentul său HFS+ proprietar Apple. Multe dispozitive (aparate foto, playere MP3) folosesc pe cardurile lor flash sistemul de fișiere foarte vechi Microsoft FAT32. FAT32 este un sistem de fișiere vechi și primitiv, dar este bun acolo unde suportul larg este important.

Exemple de stocare persistentă

Aceasta este ușor de înțeles, deoarece ați folosit fișiere și sisteme de fișiere
de exemplu, 100 de fișiere video separate de 1 GB … au nevoie de 100 GB de capacitate de stocare

Imagini de hardware

Mai jos sunt imagini ale unui calculator Shuttle low-end cu un CPU de 1,8ghz, 512MB de RAM și un hard disk de 160GB. Acesta costa aproximativ 200 de dolari în jurul anului 2008. S-a stricat și astfel a devenit un exemplu pentru sala de clasă.

Aici este „placa de bază” plată, puțin mai mică decât o bucată de hârtie de 8,5 x 11, pe care se conectează diferitele componente. În centru se află unitatea centrală de procesare. În extrema dreaptă se află memoria RAM. Chiar în dreapta CPU-ului se află câteva cipuri de suport. În mod proeminent, unul dintre cipuri este acoperit cu un „radiator” din cupru .. acesta apasă strâns pe cip, disipând căldura din cip în aerul din jur. CPU-ul avea, de asemenea, un radiator foarte mare, dar acesta a fost îndepărtat pentru a face CPU-ul vizibil.

Placă de bază
Capsulă metalică a CPU-ului, ținută de o pârghie
Disipator de căldură din cupru

CPU-ul este ținut strâns de placa de bază printr-un mic mecanism cu pârghie. Aici mecanismul este eliberat pentru ca CPU-ul să poată fi ridicat. CPU-ul de mărimea unei unghii este împachetat sub acest capac metalic care ajută la conducerea căldurii de la CPU până la radiatorul său. Chestia gri de pe capacul metalic al cipului este „pastă termică”, un material care ajută la conducerea căldurii de la carcasa cipului la radiatorul său (care nu este prezentat).

Pipul CPU în pachetul metalic
Radiatorul a fost îndepărtat
Fundul pachetului … multe conexiuni (fire mici)

Întoarcerea CPU-ului arată micile plăcuțe aurii de pe partea de jos a CPU-ului. Fiecare plăcuță este conectată printr-un fir foarte fin la un punct de pe cipul de siliciu.

Aici este o imagine a unui alt cip, dar cu ambalajul superior îndepărtat. Vedeți cipul de siliciu cu unghia degetului mic în centru, cu micile detalii ale tranzistorului gravate pe el. La marginea cipului, vedeți firele foarte fine care conectează părți ale cipului la plăcuțele exterioare (Atribuire cu licență CC sharealke 3. Utilizator wikipedia Zephyris)

Acum, privind din lateral, se văd mai clar radiatorul și cardul de memorie RAM, care ies în sus de pe placa de bază.

Cartela de memorie RAM
Se conectează la placa de bază
Cartela de 512 MB (4 cipuri)

Memoria RAM este construită cu câteva cipuri împachetate împreună pe o mică cartelă cunoscută sub numele de DIMM care se conectează la placa de bază (dual inline memory module). Aici vedem DIMM-ul de memorie RAM scos din soclul său de pe placa de bază. Acesta este un DIMM de 512 MB construit cu 4 cipuri. Cu câțiva ani mai devreme, acest DIMM ar fi avut nevoie de 8 cipuri pentru a stoca 512MB … legea lui Moore în acțiune.

Aceasta este o unitate hard disk care se conectează la placa de bază cu conectorul SATA standard vizibil. Aceasta este o unitate de 160GB, de „3,5 inch”, referindu-se la diametrul discului rotativ din interior; întreaga unitate este cam de mărimea unei cărți mici de broșură. Aceasta este o dimensiune standard a discului care se utilizează în interiorul unui computer de birou. Computerele portabile folosesc unități de 2,5 inch, care sunt puțin mai mici.

Unitate hard disk de 160 GB (stocare persistentă)
i.e. persistentă
Se conectează la placa de bază cu un cablu SATA standard

Aceasta este o unitate flash USB care, la fel ca o unitate hard disk, oferă stocare persistentă de octeți. Aceasta este cunoscută și sub denumirea de „thumb drive” sau „cheie USB”. Este, în esență, o mufă USB conectată la un cip de stocare flash cu unele componente electronice de suport:

Unitate flash (celălalt tip de stocare persistentă)
i.e. persistentă
Conține un cip flash, solid state
CardSD, idee similară

Aici este demontată, arătând cipul flash care stochează efectiv octeții. Acest cip poate stoca aproximativ 1 miliard de biți .. câți octeți înseamnă asta? (R: 8 biți pe octet, deci este vorba de aproximativ 125 MB)

Iată un „card SD” care asigură stocarea într-o cameră foto. Este foarte asemănător cu unitatea flash USB, doar că are o formă diferită.

Microcontroler – cip de calculator ieftin

Microcontroler
Computer complet pe un singur cip
CPU mic, RAM, stocare (legea lui Moore)
Chip-ul poate costa sub 1 dolar
Mașină, cuptor cu microunde, termostat

Hardware-ul calculatoarelor