Hardware (15 mins)

Если сравнить компьютер и пианино, то термин software относится к коду, который исполняется на нем, как музыка.

А hardware - это физическая составляющая устройства.

Поэтому, в этом разделе я хочу поговорить о hardware, физической составляющей компьютера.

Наверное, одно из наиболее значимых изобретений двадцатого века - это транзистор.

Это маленькая электронная деталь, которая может быть использована в различных видах устройств.

Сейчас наиболее привычная форма транзистора - это то, что называют "чип".

Вот картинка чипа, которая взята из Викимедии.

Чип сделан из маленького, размером с ноготь, кусочка кремния.

Различные электронные компоненты могут быть выгравированы на кремнии,

таким образом, изготовление компонентов получается очень, очень дешевым.

Итак, наиболее простой компонент здесь - это транзисторы. Можно делать различные вещи из транзисторов.

То, о чем я хочу поговорить позже: процессоры, память, и так далее; все они состоят из чипов, которые выглядят так.

Чип, как этот, является цельным

то есть здесь нет движущихся частей, механизмов, колес.

В некоторой степени, это делает его очень надежным.

И как я уже говорил, их можно сделать очень дешево.

Поэтому это одна из движущих сил в компьютерной революции.

Я хочу обратить внимание, что это элемент кремний (silicon), который похож на стекло.

Не путайте с силиконом (silicone) - мягким, эластичным веществом.

Одна из наиболее важных сил, направляющая кремниевое развитие, это закон Мура.

Он был сформулирован Гордоном Муром. Это всего лишь наблюдение о том,

какую тенденцию имеет производство чипов с транзисторами.

Закон говорит, что каждые 18-24 месяца, примерно,

число транзисторов, которые могут уместиться на одном из чипов, удваивается.

Итак, с одной стороны это означает, что каждый год когда я делаю чип,

после удвоения, я могу сделать в два раза больше транзисторов.

В каком-то смысле... Он более мощный.

Или вы можете принимать это как то, что транзисторы становятся дешевле и дешевле.

Закон Мура не является законом природы, как законы гравитации.

Это всего лишь наблюдение о том, как развивается производство транзисторов,

но оно выполняется более двадцати лет, и продолжает находить свои подтверждения.

Итак. Закон Мура объясняет, почему компьютеры становятся дешевле и появляются в холодильниках и микроволновках.

Фактически это удваивает значимость закона Мура:

то, что когда-то было компьютером, занимающим комнату и стоящим миллионы долларов, сейчас стало размером с кубик рафинада и стоит меньше доллара.

Это эффект закона Мура, относящийся к удвоению.

Одно удвоение не так значимо.

Если их десять, то это умножение в тысячу раз.

Так мы пришли от комнаты до кубика рафинада.

В других словах, можете представить в своей жизни

покупку... может быть шесть лет назад покупку за 50$ mp3 плеера,

имеющего какую-то емкость. Может быть 1 Гб.

И теперь, спустя несколько лет, за те же 50$, говоря об этом mp3 плеере, он мог бы иметь 2 или может даже 4 Гб емкости.

А еще через несколько лет за 50$ их емкость уже 8 Гб.

Что происходит - имеется чип в mp3 плеере который отвечает за объем данных.

И по закону Мура, производители этого чипа,

на котором помещается все больше транзисторов,

за ту же цену могут предложить все больший объем.

Это экспоненциальное качество закона Мура.

Говоря о компьютерах, я хочу поговорить о главных частях, которые его составляют.

Вот маленькая схема компьютера - я хочу поговорить о процессоре, "мозге" компьютера,

и ОЗУ (RAM), память, некий временный блокнот для записей,

и наконец, диск или флэшка для постоянной структуры.

Мы поговорим о каждой из частей.

Наверное, наиболее важной частью компьютера является процессор,

неизбежно описываемый как "мозги" компьютера. Он занимается вычислениями.

Процессор может делать некоторые очень простые операции,

и когда говорят, что компьютер делает 2 миллиарда операций в секунду,

на самом речь идет о процессоре: процессор делает 2 миллиарда операций в секунду.

Это обычная цифра для 2012.

Говоря, что это мозг, мы должны вспомнить кнопку "run" в предыдущих упражнениях,

когда у вас был код, и что-то его выполняло.

Действительно, это процессор, который его выполнял.

До того, как я расскажу о ОЗУ и дисках, и т.д., я вкратце поясню о байтах.

Байт - это обычная единица измерения информации.

Один байт содержит примерно одну букву, которую вы можете напечатать,

T или X, и т.п. Это помещается в один байт.

Позже я поговорю о ОЗУ и дисках, и т.п. Они имеют всевозможные размеры. Как много информации они содержат?

Это измеряется в байтах. Позже, я остановлюсь подробнее на различных объемах, которые могут быть.

Пока что, скажу, что один мегабайт - это обычный размер. В нем около миллиона байтов.

А один гигабайт - около миллиарда байтов.

Итак, держа это в уме, перейдем ко второй части технологий...

RAM - Random Access Memory - или просто память.

RAM - временное хранилище, используемое процессором,

чтобы хранить данные и код, который он использует в данный момент в процессе вычислений.

В коде, когда мы говорили что-то вроде 'new SimpleImage ("flowers.jpg")'

я говорил "итак, это загружает данные в компьютер" - на самом деле, происходила загрузка данных в ОЗУ,

и когда они были в ОЗУ, процессор мог производить над ними операции.

Когда вы пишете код, например, 'pixel.setRed(0)' - это

происходило в ОЗУ, данные обрабатывались, вызывая изменения.

Этот вид активных действий происходит в ОЗУ.

Главное - ОЗУ не является постоянной.

Это значит, что когда питание отключено, она пуста.

Она работает как быстрое, временное хранилище, и не является долговременным.

Я думаю, вы имеете представление об этом. Представьте, что вы работаете

над каким-либо документом в текстовом редакторе, и вдруг ваш компьютер выключается -

может быть это сбой, или отключилось электричество, и т.п.

И у вас есть осознание того, что то, что вы только что... последние байты того, что вы печатали... Их не восстановить.

Они были просто в ОЗУ. А та версия, которая у вас есть - это сохраненная версия.

Итак, в текстовом редакторе, когда вы нажимаете "сохранить", что на самом деле происходит -

вы берете версию в ОЗУ - временную версию - и записываете на диск.

(бормочет) мы поговорим об этом через секунду.

Это дает вам представление о том, что является постоянным - как диск, а что нет - как ОЗУ.

Это приводит нас к третьей части hardware - постоянному хранилищу.

Главное в постоянном хранилище:

Это большое пространство байтов, но когда вы отключаете питание, данные остаются.

На протяжении длительного времени постоянное хранение данных в компьютере осуществлялось на жестком диске.

В жестком диске находится вращающийся диск. И есть маленькая головка, которая пишет магнитные узоры на диск,

делает это чтобы записать 0 и 1-цы, и запоминает данные.

И когда вы, если у вас есть компьютер, и вы слышите высокий "воющий" звук,

то возможно это жесткий диск, вращающийся в своем корпусе.

Недавно появились такие достижения, как флэш-накопители.

Флэш-накопитель также хранит нули и единицы постоянно, но он является транзисторным.

Он использует чип - т.н. флэш-чип - в нем нет движущихся частей, он очень маленький и надежный.

Флэш-чипы используются в маленьких ЮСБ-флэшках

или SD-каточках, которые можно вставлять в фотоаппарат и т.п.

Ранее, в среднем на байт, флэш был намного дороже, чем жесткий диск, поэтому жесткие диски использовались повсеместно.

Соблюдая правило Мура,

флэш-чипы становились дешевле и дешевле.

Быть может, жесткие диски уйдут из повседневного использования.

Как если мы не будем в них нуждаться: мы будем использовать эти чипы. Увидим...

Итак, у вас есть жесткий диск или флэш-чип,

которые являются большим пространством байтов для постоянного хранения. Само по себе это еще не готово к использованию.

Что обычно происходит: жесткий диск или флэш диск организован в то, что называют файловой системой.

Файловая система - способ упорядочивания большого количества байтов,

предоставляю нам знакомую структуру файлов и папок.

Каждая из которых имеет имя, и вы можете их перемещать и заполнять.

Файл - это способ занять пространство, например, 100 000 байтов, и дать ему имя.

Говоря "смотри, это flowers.jpg". И flowers.jpg - это имя, относящееся к этим 100 000 байтам.

Пользователь может их копировать, перемещать и т.д.

Файловая система упрощает для вас просмотр данных, которые у вас есть,

перемещение и упорядочивание их.

Итак, это наше бысрое введение.

Что я хочу вам сейчас показать, это картинки реального hardware.

Это - материнская плата.

Это - компьютер, Shuttle, я купил его, кажется, в 2008, и сломал.

Так он стал моим демо-компьютером.

Он был дешевым, около 200$ в целом.

Это материнская плата и все подключенные электронные компоненты.

Прямо по центру - наверное, самый важный компонент. Это процессор.

Давайте приблизим.

Если приблизить и посмотреть на процессор, этот металлический контейнер содержит внутри чип процессора.

Я собираюсь перевернуть его. Так можно увидеть все эти золотые подушечки.

Процессор - самый сложный чип здесь, и у него очень большое число связей,

электрических связей с материнской платой.

Теперь я снова покажу мою картинку из Викимедии, и теперь вы можете оценить

здесь есть множество проводочков вокруг. Они соединяют копмлекс подушечек

- золотых подушечек, которые мы видели -

И внутри коробочки они соедияются с крошечными точками чипа

чтобы получить электричество для транзисторов с этой стороны.

Еще одна вещь, которую я хочу отметить, это вот эта медная штука. Под ней - второй чип.

Он называется теплоотвод. Чип может нагреваться от электричества, которое идет сквозь него,

поэтому нужно рассеивать это тепло.

Это сделано из меди: медь хорошо проводит тепло,

И просто будучи прикрепленным здесь, оно позволяет чипу быть достаточно холодным для работы.

Здесь был еще один теплоотвод на процессоре, но я его снял. Только так я мог показать вам его отдельно.

Итак, вот в этом компьютере процессор. Давайте посмотрим на ОЗУ.

Если посмотрите на компьютер с этой стороны, вот это здесь - это ОЗУ.

Это отдельная маленькая карта. На этой картинке я его убрал.

Эта карта для этого слота, это ОЗУ.

Здесь 512 Мб оперативной памяти.

Ей несколько лет. Сейчас вы может быть и не сможете купить ОЗУ такого маленького объема.

Здесь вы видите два чипа, и здесь ещё два под наклейками.

Итак, она сделана с 4 чипами. Возможно, по закону Мура, когда эти карты делали несколькими годами ранее,

на них было восемь чипов.

А теперь, по закону Мура, можно поместить больше на каждый чип, сэкономив деньги.

Если таких же 512 мегабайтных карт можно использовать меньше чипов - значит, это дешевле.

Итак, что мы имеем... Процессор и оперативная память. Значит, последнее что нам нужно - это постоянная память.

В этом компьютере постоянная память здесь. Это жесткий диск.

Это 3,5 дюймовый жесткий диск - обычный размер для настольного компьютера.

Вот здесь находится вращающийся магнитный диск.

А это соединяется с материнской платой SATA кабелем, стандартной вещицей.

Итак, вот эти три составляющие компьютера.

Это был компьютер за 200$, и он мог делать всё, что вы хотите от компьютера.

Недавно появилась альтернатива жесткому диску.

Это USB флэш-накопитель, также называемый флешкой.

Как вы знаете, она крошечная. Я разобрал её.

Посмотрите - внутри неё флэш чип.

Чип, который просто хранит постоянные данные, маленькие нолики и единички, маленькие группы электронов.

Эта штука соперничает с жестким диском.

Эта 1 гигабайтный чип, который хранит 1 миллиард байт.

Позже мы посмотрим, сколько байтов там может быть. Итак, это была флешка.

Это SD карта, которая похожа, просто аналогична флэшке.

Это на самом деле та же технология, просто разная форма.

Её вы вставляете в фотоаппарат.

И как последний пример, посмотрим на этот большой компьютер.

Один из эффектов закона Мура - вы получаете маленькие дешевые компьютеры которые могут подойти для разных целей.

Маленький компьютер на чипе известен как микроконтроллер.

Идея в том, что вместо всех этих отдельных чипов,

можно разместить процессор, оперативную и постоянную память на одном чипе.

Это не будет очень мощным, но будет дешевым. Закон Мура сделал это возможным.

Микроконтроллер, фактически, компьютер ценой меньше доллара,

и всего на одном чипе. Это компьютеры - или микроконтроллеры,

которые могут быть в холодильнике,

или разбросаны по автомобилю, выполняя различные компьютерные функции.

Следующий пример микроконтроллера - Arduino borad.

Это бесплатная плата с открытым исходным кодом, для творческих людей, любителей или просто любопытных.

Вот чип. Это микроконтроллер.

Имеется немного ОЗУ, небольшой процессор и память.

Все это на плате с некоторыми чипами поддержки.

Это USB чип, у него есть несколько power chips чтобы всё это работало.

Эту версию продают где-то за 20$.

Идея в том, что это маленький компьютер,

он может считывать датчики или переключатели, или контролировать свет, и т.п.

Забавно поиграться и сделать какой-нибудь проект.

Если вы умеете работать руками и любите проводки,

вот вид компьютера, с которым можно поэксперементировать.