Учебные пособия по компьютерному оборудованию: полное руководство с нуля

Если вы когда-либо думали: «Я хотел бы понять» Как на самом деле работает компьютерное оборудование«Но каждая открытая вами книга звучит как бессмыслица, не волнуйтесь: вы не одиноки. Мир аппаратного обеспечения может казаться мешаниной аббревиатур, цифр и электрических понятий, но с понятным объяснением и простыми примерами его становится гораздо легче понять».

В этом руководстве вы найдете полный обзор Физические компоненты компьютера, его внутренний язык и то, как всё это взаимодействует друг с другом.Начиная с самых базовых понятий (что такое бит или байт) и заканчивая конкретными компонентами, такими как материнская плата, оперативная память, процессор, порты и жесткие диски, рассматриваются ключевые аспекты, такие как скорость системы, шина данных и кэш-память. Книга разработана таким образом, чтобы вы могли читать ее в удобное для вас время, не торопясь и не нуждаясь в предварительных знаниях.

Как компьютер обменивается данными: биты, байты и системы измерения.

Чтобы понять аппаратное обеспечение ПК, нужно начать с самого начала: Компьютер «говорит» только на языке электричества.Внутри все сводится к тому, есть ли ток (1) или нет (0) в миллионах крошечных переключателей, интегрированных в микросхемы.

Каждое из этих возможных состояний, включенное или выключенное, называется бит — наименьшая единица информации. Это то, что обрабатывает компьютер. Бит может иметь значение только 0 или 1, но, объединив несколько битов, мы начинаем представлять буквы, цифры и символы.

Следующий шаг байт, группа из 8 битС помощью 8 переключателей (битов) мы можем сформировать множество различных комбинаций нулей и единиц, и каждой комбинации присваивается свой символ. Например, в известном коде ASCII буква A может быть представлена ​​определенной 8-битной последовательностью, такой как 10100001.

Когда вы нажимаете клавишу на клавиатуре, компьютер не «видит» букву как таковую, а скорее получает её. комбинация из 0 и 1, соответствующая этой клавишеАппаратное обеспечение преобразует нажатие клавиши в биты, и благодаря этой системе кодирования на экране отображается соответствующая буква.

Поскольку байт слишком мал для измерения больших объемов данных, используются его кратные значения. Наиболее распространенные складские помещения в области компьютерных наук:

• 1 байт = 8 бит (символ, число или пробел).
• 1 килобайт (КБ) = 1024 байта.
• 1 мегабайт (МБ) = 1024 КБ.
• 1 гигабайт (ГБ) = 1024 МБ.
• 1 терабайт (ТБ) = 1024 ГБ.

Обратите внимание, что всегда используются кратные числа. 1024, а не 1000Например, документ размером 1 КБ фактически содержит 1024 символа, включая буквы, цифры, символы и пробелы.

Помимо емкости, в сфере аппаратного обеспечения много говорят о... скорость передачи данныхЗдесь вы увидите такие единицы измерения, как Б/с, КБ/с, МБ/с или ГБ/с (байты в секунду). А иногда встречаются биты в секунду (б/с, Кбит/с, Мбит/с), которые в 8 раз меньше значений в байтах в секунду, потому что 1 байт равен 8 битам.

Идея частотакоторый измеряется в герцах (Гц, МГц, ГГц). Компонент, работающий на частоте 1 МГц, выполняет одну операцию миллион раз в секунду. В современных процессорах мы говорим о гигагерцах (ГГц), то есть миллиардах циклов в секунду.

Что определяет фактическую скорость компьютера?

Когда кто-то говорит: «Этот компьютер очень быстрый», обычно смотрят только на процессор, но на самом деле... Скорость работы компьютера зависит от совокупности нескольких факторов.Микрофон, конечно, важен, но это не единственный компонент.

Прежде всего есть количество внутренних битов, с которыми работает процессорЭто показывает, какой объем информации он может обрабатывать одновременно (его внутренняя пропускная способность). Ранее существовали 16-битные или 32-битные процессоры; сегодня практически все домашние компьютеры являются 64-битными, что позволяет обрабатывать больше данных одновременно и более эффективно использовать память (см. сравнение производительности).

Вторым ключевым фактором является рабочая частота или машинный циклВнутри компьютера находится «тактовый генератор», который задает темп выполнения инструкций. Например, процессор с частотой 2 ГГц способен выполнять около 2.000 миллиардов циклов в секунду. Чем выше частота, тем больше инструкций в секунду... при условии, что остальная часть системы успевает за этим процессом.

Следующие факторы также оказывают существенное влияние. шины данныхЭто «магистрали», по которым информация передается от одного компонента к другому (процессору, оперативной памяти, диску, видеокарте и т. д.). Чем шире шина (чем больше битов она может передавать одновременно) и чем выше ее частота, тем плавнее будет передача данных внутри компьютера.

Если использовать сельскохозяйственную аналогию, это как комбайн: если он может срезать несколько рядов кукурузы за один проход и выгружать их в большие, быстрые грузовики, работа выполняется быстрее. Если бы автобусы были тесными или медленными, Даже при очень мощном процессоре возникнут «узкие места»..

В итоге, общая скорость команды определяется сочетанием следующих факторов:

• Количество внутренних битов микропроцессора (внутренняя пропускная способность).
• Рабочая частота процессора (МГц или ГГц).
• Скорость и ширина шины данных который соединяет компоненты.
• Производительность жесткого диска или SSD-накопитель и чипсет материнской платы.
• Объем и скорость оперативной памяти.

Корпус, блок питания и материнская плата

Каждый настольный компьютер начинается с башня или корпус с достаточным пространством и вентиляцией.Размер корпуса определяет количество отсеков и слотов, в которые вы сможете установить накопители, вентиляторы и другие компоненты.

Внутри коробки мы нашли блок питанияБлок питания преобразует переменный ток из электросети (например, 220 В) в более низкие, стабильные напряжения, которые может использовать компьютер, обычно +5 В и +12 В. Качественный блок питания является залогом стабильности работы оборудования и позволяет избежать непредвиденных проблем, вызванных недостаточной мощностью или скачками напряжения.

Центральным компонентом, с которым практически все соединяется, является материнская платаНа материнской плате размещаются процессор, оперативная память, платы расширения, разъемы SATA для жестких дисков, порты USB, BIOS, чипсет и множество других компонентов. Материнская плата должна быть совместима с процессором (тип разъема и т. д.). совместимость материнской платыподдержка памяти и т. д.).

На тарелке вы найдете разные слоты расширенияЭто пластиковые разъемы с металлическими контактами, в которые вставляются карты:

• Слоты PCI и PCIeСовременный стандарт. Большинство современных видеокарт, включая 3D-графические карты, подключаются к PCI Express (PCIe). Они быстрее и выпускаются в различных размерах (x1, x4, x8, x16) в зависимости от количества контактов и линий передачи данных.
• Слоты DIMM: для модулей оперативной памяти. Более старые модули SIMM устарели.
• разъемы SATA: для подключения современных жестких дисков и оптических приводов с помощью кабелей SATA.
• IDE-разъемы: старый стандарт для дисков PATA, практически исчезнувший в современных ПК.

Помимо слотов, материнская плата интегрирует в себя различные контроллеры или контроллеры, управляющие передачей данных между ЦП, ОЗУ, дисками и периферийными устройствами. Ранее существовало множество отдельных контроллеров; сегодня большинство из них сгруппированы в одну группу. Чипсет.

El Чипсет Это чипсет, определяющий, как микропроцессор, память, кэш, порты USB, шины PCIe и т. д. взаимодействуют друг с другом. Его качество и характеристики влияют на такие вещи, как:

• Фактическая производительность, которую вы получаете от процессора..
• Максимальный объем оперативной памяти который можно установить.
• Совместимость с современными технологиями (Типы оперативной памяти, типы дисков, расширенные порты).
• Возможность будущих обновлений а также поддержка определенных процессоров.

Память: ПЗУ, BIOS, ОЗУ, кэш и виртуальная память.

В компьютере используется не один, а несколько типов памяти, каждый из которых выполняет свою функцию. Понимание этих типов памяти очень помогает в понимании работы компьютера. Почему мой компьютер иногда работает быстро, а иногда медленно?.

Старый ПЗУ (постоянная память) Это была постоянная память, в которой производитель хранил основные инструкции по загрузке и настройке системы. Ее содержимое не стиралось при выключении компьютера. Сегодня эту роль почти полностью выполняет BIOS/UEFI.

La BIOS (базовая система ввода/вывода) Это программа, хранящаяся на микросхеме материнской платы. Она запускается сразу после включения компьютера, обнаруживает память, диски, процессор и другие устройства, а также выполняет первоначальные проверки перед... загрузить операционную системуЧасть его конфигурации может быть изменена пользователем (порядок загрузки, параметры оборудования и т. д.).

Для обеспечения сохранения настроек BIOS даже при выключенном компьютере материнская плата имеет батарея или небольшой аккумуляторКогда батарея разряжается, дата, время или настройки загрузки начинают сбрасываться, и это обычно признак того, что её нужно заменить.

La основная память или ОЗУ (оперативная память) Это пространство, где компьютер временно хранит данные и программы, используемые в данный момент. Это быстрая, но энергозависимая память: при выключении компьютера все ее содержимое стирается.

При выборе оперативной памяти важно учитывать её характеристики. объем (например, 8 ГБ, 16 ГБ, 32 ГБ) и по скорости передачи данных, обычно выражаемой в МГц или с использованием номенклатуры DDR (DDR2, DDR3, DDR4…). Чем быстрее и шире обмен данными между оперативной памятью и процессором, тем быстрее будет работать система.

Если вы установите несколько модулей оперативной памяти с разной скоростью, Все будут работать в темпе самого медленного человека.Поэтому лучше использовать похожие модули. Оригинальная DRAM и ранние модули памяти DDR больше не используются; сегодня нормой являются DDR3, DDR4 и более поздние версии.

Помимо основной оперативной памяти, процессоры имеют кеш-памятьОсобый тип сверхбыстрой памяти, расположенный внутри или в непосредственной близости от центрального процессора. В ней хранятся часто используемые данные и инструкции, что избавляет от необходимости постоянного обращения к более медленной оперативной памяти.

Мы можем представить себе тайник как доска объявлений, где вы размещаете заметки, к которым постоянно обращаетесь.Если искомая информация есть, вы считываете её мгновенно; если нет, вам придётся обратиться к кэшу (оперативной памяти), что займёт больше времени. Благодаря кэшу процессор может работать на частотах, очень близких к его максимальной тактовой частоте.

Существует несколько уровней кэширования:

• L1 кешСамый быстрый и компактный чип памяти, расположенный рядом с каждым ядром процессора. Его типичный размер составляет от 256 КБ до 512 КБ или 1 МБ на ядро.
• L2 кеш: несколько медленнее и больше по размеру, от нескольких сотен КБ до нескольких МБ.
• L3 кеш: больше по размеру (от нескольких до десятков МБ) и несколько медленнее, чем L1 и L2, но все же намного быстрее, чем оперативная память.

Когда оперативная память начинает заканчиваться, Операционная система резервирует часть жесткого диска для имитации дополнительной памяти. Если физическая оперативная память не помещается, Windows (или другая система) перемещает недавно неиспользованные данные на жесткий диск.

Это позволяет продолжать запускать программы даже при недостатке оперативной памяти, но за это приходится платить: Жесткий диск работает намного медленнее, чем оперативная память.При чрезмерном использовании виртуальной памяти компьютер начинает работать медленно, поскольку постоянно происходит обмен данными между оперативной памятью и диском (файл подкачки).

Настроить размер виртуальной памяти можно в расширенных системных настройках, но для интенсивного использования реальным решением является... установить больше физической оперативной памяти, вместо того, чтобы полагаться на диск как на временное решение.

Микропроцессор (ЦП) и его система охлаждения

El микропроцессор или ЦП Это «мозг» компьютера. Он отвечает за выполнение вычислений и координацию действий других компонентов, чтение данных из оперативной памяти или кэша и выполнение инструкций одна за другой на полной скорости.

Внутри процессор состоит в основном из двух функциональных блоков:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ)Выполняет математические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические операции (сравнения, условия типа «ЕСЛИ это, то то»).
• Устройство управленияОн отвечает за определение порядка выполнения инструкций, за чтение и запись данных, а также за организацию информационного потока внутри процессора.

При выборе процессора важно учитывать несколько моментов: Тип и семейство процессоров (Intel, AMD, конкретный диапазон)(физический разъем, чипсет), рабочая частота, количество ядер, поддержка 64-битной архитектуры и размер внутреннего кэша.

Процессор выделяет много тепла, особенно при работе на высоких частотах, поэтому хороший кулер просто необходим. система рассеивания и вентиляцииОбычно устанавливают металлический радиатор в непосредственном контакте с процессором и вентилятор сверху, который отводит тепло.

Если частота процессора будет повышена сверх установленных параметров (разгон), температура повышается еще большеА если охлаждение недостаточное, могут возникнуть сбои, ошибки и сократить срок службы компонентов. Именно поэтому термопаста и правильная установка вентилятора — это не просто роскошь, а необходимость.

Порты, соединения и передача данных

Для того чтобы компьютер мог общаться с внешним миром, ему необходимо входные и выходные портыЭто физические разъемы, к которым мы подключаем мыши, клавиатуры, мониторы, принтеры, внешние накопители, сетевые устройства и т. д.

Вот некоторые из наиболее распространенных, которые можно найти на современных ПК:

• Аудиоразъемы (RCA или миниджек)Входы и выходы для микрофонов, динамиков и других звуковых устройств. Каждый цвет обычно обозначает функцию (выход, линейный вход, микрофон и т. д.).
• Порты PS/2Старые круглые разъемы для клавиатуры и мыши. Практически устарели, их заменил USB.
• USB-порт (универсальная последовательная шина)USB является де-факто стандартом практически для всех типов периферийных устройств. Он поддерживает «горячую» замену (подключение и работа), поэтому вы можете подключать и отключать устройства, пока компьютер включен. Версии, такие как USB 1.1, 2.0, 3.0 и выше, различаются по скорости: чем выше число, тем быстрее передача данных.
• Порт Ethernet (RJ45): проводной сетевой разъем для доступа к Интернету или локальным сетям.
• Внешние порты SATAИспользуется для подключения внешних жестких дисков, совместимых с этим стандартом.
• Порт FireWire (IEEE 1394)Разработан для быстрой передачи данных, широко использовался в свое время в цифровых видеокамерах.
• Разъемы VGA, DVI и HDMIВидеовыходы для мониторов и проекторов. VGA — аналоговый и устаревший; DVI обеспечивает цифровое качество; HDMI стал наиболее распространенным, поскольку передает цифровой звук и видео высокой четкости по одному кабелю с высокой пропускной способностью.

Помимо физических портов, ноутбуки и современные компьютеры оснащены множеством... беспроводные технологии например, инфракрасный (более старый), Bluetooth или Wi-Fi. Они позволяют передавать данные по беспроводной связи с использованием электромагнитных волн или света, при этом приемники и антенны интегрированы в саму плату или выступают в виде дополнительных плат.

Периферийные устройства и устройства хранения данных

периферический Это все внешние устройства, которые подключаются к компьютеру для связи с ним или расширения его возможностей: клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, колонки, камеры и т. д. Они могут быть устройствами ввода (мышь, клавиатура), устройствами вывода (монитор, принтер) или устройствами ввода и вывода (сенсорные экраны, внешние жесткие диски, многофункциональные принтеры).

Что касается внутренней памяти, то звездообразным компонентом является жесткий дискТрадиционно использовались магнитные дисковые накопители (HDD), состоящие из нескольких алюминиевых пластин, покрытых намагничиваемым материалом, которые вращаются с высокой скоростью внутри герметичного корпуса.

Эти блюда делятся на концентрические дорожкикоторые, в свою очередь, разбиваются на секторах (обычно 512 байт). Несколько секторов вместе образуют кластер или единица выделения, которая представляет собой наименьшую часть дискового пространства, зарезервированную для файла.

Если размер кластера составляет 4 КБ, а вы сохраняете файл размером всего 1 КБ, Фактически это займет 4 КБ на диске.Если файл занимает 5 КБ, он будет использовать два кластера (8 КБ). Поэтому важно, чтобы размер кластера не был слишком большим, чтобы избежать нерационального использования места мелкими файлами.

При выборе классического жесткого диска важны два момента: его характеристики. емкость в ГБ или ТБ y su скорость вращенияБолее старые модели вращались со скоростью 3.600 об/мин, затем стали популярны модели со скоростью 7.200 об/мин, а существуют и еще более быстрые агрегаты со скоростью 10 000 об/мин и более, предназначенные для работы в сложных условиях.

В течение многих лет жесткие диски и интерфейсы сосуществовали. IDE/EIDE/ATA и диски SCSI или FireWireIDE постепенно уступает место стандартам SATA, в то время как SCSI и FireWire сохранились для более специализированных сред или были заменены другими технологиями.

Сегодня они также очень распространены. SSD дискиЭти особенности, которые не были подробно описаны в оригинальном тексте, но заслуживают упоминания, заключаются в хранении данных на микросхемах флэш-памяти вместо вращающихся дисков, что обеспечивает гораздо более короткое время доступа и скорость чтения/записи, значительно превосходящую традиционные механические диски.

Что касается оптических носителей, многие вышки по-прежнему включают в себя Устройства для чтения и записи CD/DVD дисковОни различаются скоростью чтения, записи и перезаписи, которая выражается числом с добавлением "x" (например, 52x/24x/52x). DVD-диски также предлагают разные скорости по сравнению с CD и DVD, а также возможность записи в [конфигурация отсутствует]. двойной слойчто практически удваивает емкость диска.

Ещё одним интересным параметром в регистраторах является внутренний размер буфераНебольшая память, которая хранит данные во время записи. Если компьютер на мгновение прекращает отправку данных, накопитель использует этот буфер, чтобы избежать прерывания записи и предотвратить ошибки.

Мониторы и экраны

Визуальный вывод компьютера отображается в мониторятИ здесь тоже есть несколько важных аппаратных концепций. Первыми популярными стали ЭЛТ-мониторы; их качество зависело от размера в дюймах, разрешения и частоты обновления (количество раз в секунду, когда изображение «перерисовывается»).

Очень низкая частота обновления (например, 60 Гц) может вызывать напряжение глаз и заметное мерцание, в то время как при более высоких частотах изображение кажется более стабильным. Со временем ЭЛТ-мониторы постепенно уступили место плоским экранам.

Лас- TFT/LCD экраны Они работают на основе жидкокристаллической технологии и отличаются гораздо более тонким и легким корпусом. В мониторах такого типа важны следующие характеристики: время откликаЭто время, необходимое пикселю для перехода из одного состояния в другое. Значения ниже 20 мс считаются приемлемыми во избежание появления следов при быстрых движениях.

Эти экраны также имеют родное разрешение (например, 1920×1080). При использовании других разрешений изображение масштабируется и может потерять четкость. При выборе монитора рекомендуется учитывать тип панели, максимально поддерживаемое разрешение, время отклика, частоту обновления (в игровых моделях) и шаг пикселя или плотность пикселей.

В отрасли продолжается движение в сторону таких технологий, как... LED, OLED, 3D-экраны и телевизоры высокой четкостикоторые улучшают контрастность, цветопередачу и энергоэффективность, хотя эти характеристики больше относятся к сфере потребительской электроники, чем к базовому компьютерному оборудованию.

В конечном итоге, когда вы смотрите на открытый настольный компьютер, вы видите лишь различные части, которые вместе образуют систему: Корпус, обеспечивающий пространство и вентиляцию, блок питания, обеспечивающий стабильное электропитание, материнская плата, соединяющая все компоненты, центральный процессор, выполняющий команды и вычисления, оперативная память и кэш, передающие данные процессору, диски, хранящие вашу информацию, видеокарта и монитор, отображающие ее вам, а также порты и периферийные устройства, позволяющие вам взаимодействовать.Понимание каждой из этих частей и того, как они взаимодействуют друг с другом, — это самый прямой способ освоить аппаратное обеспечение с нуля, без необходимости быть инженером или проходить невыполнимые курсы.