Апаратне забезпечення

Апаратне забезпечення включає всі фізичні компоненти комп’ютерів, такі як: процесор, пам’ять, монітор або клавіатура. Таким чином, апаратне забезпечення являє собою елементи комп’ютера, до яких ми можемо «доторкнутися». На відміну від цього програмне забезпечення є нематеріальним, визначає інструкції, які керують апаратним забезпеченням і дозволяють користувачам виконувати за допомогою комп’ютера різноманітні завдання. Апаратні та програмні компоненти працюють разом. Нам потрібні обидва, щоб користуватися комп’ютерами.

Підтеми, які стосуються апаратного забезпечення:

• Типи комп’ютерів: існує кілька різних типів комп’ютерів, і кожен з них підходить для різних цілей.
• Історія комп’ютерів: знання того, як розвивалися комп’ютери, може допомогти нам краще зрозуміти комп’ютери сьогодні та уявити, якими вони можуть бути у майбутньому.
• Пристрої введення та виведення: ми використовуємо ці пристрої для зв’язку з комп’ютерами, до них належать клавіатура, миша, монітор, принтер або колонки.
• Процесор і архітектура: процесор є найважливішою частиною комп’ютера, яка керує іншими апаратними компонентами.
• Пам’ять: так само, як і люди, комп’ютери зберігають інформацію у пам’яті. Існує багато типів комп’ютерної пам’яті, і кожен з них підходить для чогось іншого.

Інші апаратні компоненти використовуються в комп’ютерних мережах.

Апаратне забезпечення – це матеріальні (фізичні) компоненти комп’ютера. З апаратного забезпечення складаються настільних комп’ютери, ноутбуки, смартфони тощо. Робота комп’ютера вимагає взаємодії апаратного та програмного забезпечення (наприклад, операційної системи, програм).

Процесор

Процесор (англ. CPU = central processing unit) — це основна частина комп’ютера, яка виконує обчислення та логічні операції. Сучасні процесори зазвичай є багатоядерними, кілька чіпів (фізичних ядер) можуть обробляти кілька процесів одночасно. Важливою характеристикою процесора є тактова частота. Це пов’язано з його продуктивністю (швидкістю), поданою в ГГц (гігагерц, 1 ГГц = 1000 МГц).

Оперативна пам’ять

Оперативна пам’ять (RAM = random access memory) використовується для тимчасового зберігання даних, з якими зараз працює комп’ютер (дані операційної системи та програм). Коли комп’ютер вимикається, його вміст видаляється. Об’єм пам’яті зазвичай вказується в гігабайтах (ГБ, 1 ГБ = 1000 МБ).

Збереження пам’яті

Сховище використовується для довготривалого зберігання даних (наприклад, фотографій, відео, документів, операційної системи, програм…). Його ємність вказана в ГБ. Об’єм пам’яті зазвичай перевищує об’єм оперативної пам’яті.

Так звана флеш-пам’ять заснована на напівпровідниках. До цієї технології відносяться, наприклад, SSD (твердотільний накопичувач, напівпровідниковий диск), eMMC у мобільних пристроях або карти пам’яті (наприклад, SD).

HDD (жорсткий диск) використовує металеві пластини, на яких зберігаються дані за принципом магнетизму. Містить рухомі частини але працює повільніше, ніж SSD. Використовується в настільних комп’ютерах, за ціною за певну ємність він зазвичай вигідніший, ніж SSD.

Блок живлення, материнська плата

Електрична напруга, необхідна для роботи комп’ютера, забезпечується блоком живлення. Для мобільних пристроїв є акумулятор, який можна багаторазово заряджати. Материнська плата з’єднує всі компоненти комп’ютера.

Пристрої введення та виведення

Пристрої введення забезпечують введення даних від користувача до комп’ютера. Це, наприклад, миша (дані про рух), клавіатура (дані про натиснуті клавіші), сканер (зображення) або мікрофон (звук).

Пристрої виведення відповідають за виведення даних з комп’ютера до користувача. Пристрої виведення включають, наприклад, дисплей, принтер (виведення зображення), динаміки (виведення звуку) або вібраційний пристрій телефону.

Пристрої введення та виведення можуть бути комбінованими: наприклад, принтер (виведення) зі сканером (введення) або сенсорний екран (виведення — зображення, введення — дотик). Пристрої, «зовнішньо» підключені до комп’ютера, називаються периферійними пристроями.

Комунікаційні інтерфейси та порти

Широко використовуваним інтерфейсом зв’язку є USB (універсальна послідовна шина). Він може передавати різні типи даних, його також можна використовувати для зарядки мобільних пристроїв, наприклад. USB в основному використовує роз’єми USB-A та USB-C (можна під’єднати будь-якою стороною).

Порти HDMI або DisplayPort використовуються для передачі зображення та звуку (зазвичай для підключення дисплеїв, проекторів).

Пристрій введення – це апаратне забезпечення, через яке комп’ютер отримує дані. Пристрій виводу — апаратне забезпечення, на яке комп’ютер записує або відображає дані.

Типи принтерів

Матричний принтер використовує для друку друкувальну голівку з маленькими голками, якими він друкує на папері за допомогою фарбувальної стрічки. Його дешево купити та використовувати, але він працює повільно та друк є поганої якості. Використовуються такі принтери, наприклад, для маркування квитків у громадському транспорті.

Струменевий принтер друкує, викидаючи на папір мініатюрні краплі чорнила. Його закупівельна ціна низька, і він добре друкує, хоча й не дуже швидко. Однак чорнильні ємкості, які називаються картриджами, досить дорогі, тому експлуатація принтера може коштувати дорого. Його часто використовують вдома або у невеликих офісах.

Лазерний принтер малює зображення за допомогою лазера на світлочутливому циліндрі. Потім на нього наноситься колір, який залишається лише на ділянках, опромінених лазером, і потім циліндр друкує на папері. Цей принтер дорогий, але на відміну від струменевого принтера дешевший в експлуатації. Він працює дуже швидко і якісно, ​​тому його можна використовувати там, де друкуються великі обсяги сторінок – як-от, в офісах. Колір, який використовується в лазерних принтерах, називається тонером.

Інтерфейс зв’язку (порти)

Пристрої введення та виведення можна підключати до комп’ютера через комунікаційні інтерфейси, які також називаються портами. Ми часто зустрічаємо такі види портів:

• USB є, мабуть, найпоширенішим інтерфейсом зв’язку зараз. Він дуже універсальний, до нього можна підключити, наприклад, клавіатуру, мишу, принтер, камеру або пристрій пам’яті.
• PS/2 використовувався для підключення клавіатури та миші у минулому, але наразі його майже повністю замінено на USB.
• HDMI може передавати цифрові відео та аудіосигнали. Через нього підключається монітор, телевізор або інший пристрій для зображення.
• VGA також передає зображення, але на відміну від HDMI аналоговим способом. У наш час VGA використовується не так часто.

Важливими компонентами комп’ютерної архітектури є:

ЦП (CPU – central processing unit) –⁠ центральний процесор. Він може обробляти базові машинні інструкції, з яких можна зібрати всі функції, необхідні комп’ютерним програмам для функціонування. По суті, він піклується про загальну роботу комп’ютера. Складовими частинами процесора є арифметико-логічний пристрій, контролер і регістри. Швидкість процесора визначається, серед іншого, тактовою частотою, яка вказує, скільки операцій виконує процесор за секунду. Частоту вказано в одиницях ГГц (гігагерц). Наразі прискорення ЦП є складним, тому більшої продуктивності досягають за допомогою використання більшої кількості ядер процесора в одному пакеті. Ці процесори називаються багатоядровими, і вони ефективні, оскільки можуть обробляти кілька процесів одночасно – паралельно.

GPU (graphics processing unit) –⁠ графічний процесор. Графічний процесор є частиною відеокарти. Він отримує дані про те, що потрібно відобразити на моніторі, і перетворює їх у вихідне зображення для монітора. Графічний процесор виконує швидкі обчислення, необхідні для перетворення даних на зображення. Відеокарта може бути вбудованою або виділеною. Інтегрована карта зазвичай є вбудованою частиною центрального процесора, менш потужною, але дешевшою. Спеціальна карта часто поставляється окремо, вона дорожча, але потужніша – потрібна, наприклад, для сучасних комп’ютерних ігор зі складною графікою.

ALU (arithmetic logic unit) –⁠ арифметико-логічний пристрій. Це частина процесора, яка виконує арифметичні та логічні операції.

Регістри — це дуже маленькі та дуже швидкі сховища пам’яті у процесорі. Процесор зберігає в них дані, які він зараз обробляє.

Шини забезпечують передачу даних. Існує багато видів шин. Вони можуть передавати дані як всередині комп’ютера (як-от, на графічну карту), так і між пристроями (наприклад, USB також є типом шини).

Кеш ​​— це дуже швидка, але відносно невелика пам’ять, яка допомагає прискорити роботу комп’ютера. Оскільки процесор дуже хуткий порівняно з пам’яттю, щоразу, коли йому потрібно прочитати деякі дані з пам’яті, йому доводиться довго чекати. Щоб комп’ютер не так сильно сповільнювався, процесор зберігає часто використовувані дані в кеші, які він може звідти скоріше отримати. Кеш-пам’ять швидша за оперативну пам’ять, але все одно це недостатньо для процесора та реєстрів, тому деяке сповільнення все одно відбувається.

Мережева карта забезпечує зв’язок комп’ютера з комп’ютерною мережею, як-от, з Інтернетом.

Звукова карта забезпечує введення та виведення аудіоданих на комп’ютер і з нього.

Під час своєї роботи процесор спілкується з різними типами пам’яті.

Так само, як пам’ять людини, пам’ять комп’ютера використовується для зберігання інформації. Для різних цілей застосовуються різні типи пам’яті, які ми можемо визначити відповідно до призначення чи технології.

Довготривала пам’ять використовується для тривалого зберігання даних, наприклад, фотографій, фільмів або вихідних кодів комп’ютерних програм. Це сховище, до якого ми можемо отримати доступ у Провіднику файлів. Дані будуть зберігатися в ньому незалежно від того, чи підключено воно до електрики.

В оперативній пам’яті комп’ютер зберігає дані та стани процесів, з якими він зараз працює. Довготривала пам’ять набагато повільніша, тому для прискорення роботи комп’ютера дані з довготривалої пам’яті тимчасово завантажуються в оперативну пам’ять, коли з ними потрібно працювати. Як користувачі ми не маємо до оперативної пам’яті прямого доступу, з нею працює лише процесор. Вона часто реалізується як пам’ять типу RAM, так що всі дані з неї стираються при вимкненні живлення.

Кеш-пам’ять (cache) — це дуже швидка, але відносно невелика пам’ять, яка допомагає прискорити роботу комп’ютера. Оскільки процесор дуже швидкий порівняно з оперативною пам’яттю, щоразу, коли йому потрібно прочитати деякі дані з пам’яті, йому доводиться довго чекати. Щоб комп’ютер не так сильно сповільнювався, процесор зберігає часто використовувані дані в кеші, які він може звідти швидше отримати. Кеш швидше від оперативної пам’яті, але є недостатнім для процесора і регістрів. Цю пам’ять також називають буферною пам’яттю або кеш-пам’яттю.

RAM (random access memory) забезпечує швидкий запис і читання, тому використовується як короткочасна (наприклад, оперативна) пам’ять. Назва означає, що до цієї пам’яті можна отримати доступ негайно з будь-якої адреси. Для роботи потрібно підключення до мережі, після відключення від мережі всі дані з пам’яті RAM зникають.

ROM (read only memory) у перекладі означає “пам’ять лише для читання”, тобто в неї не можна записувати дані, а лише читати. Вона використовується як довгострокове сховище, дані залишаться в цій пам’яті навіть після відключення живлення.

Флеш-пам’ять є підтипом ROM, але її можна перезаписувати, тож на відміну від класичної ROM у ній можна зберігати нові дані. Як запис, так і читання відбувається за допомогою електричного струму. Зараз це дуже поширений тип довгострокового зберігання даних, який застосовується, наприклад, у SSD, флеш-накопичувачах або картах пам’яті.

HDD (hard disk drive) служить довготривалою пам’яттю в комп’ютері, часто також називається жорстким диском. Дані зберігаються на обертовому магнітному диску. Порівняно з SSD, його сучасним конкурентом, HDD дешевший і, як правило, має більшу ємність.

SSD (solid state drive) — ще один тип носія для тривалого зберігання. На відміну від HDD він складається з флеш-пам’яті. Це робить його більш міцним, оскільки він не має рухомих частин, а також швидшим. Хоча його співвідношення ціна/ємність гірше, ніж у HDD, наразі він повільно витісняє жорсткий диск завдяки вищезазначеним перевагам.

CD і DVD є портативними довгостроковими носіями у формі диска. Дані записуються та зчитуються оптично за допомогою лазера.

Карта пам’яті – це невеликий портативний довгостроковий накопичувач, що складається з флеш-пам’яті. Існує кілька різних типів карт пам’яті, які використовуються, наприклад, в камерах або мобільних телефонах.

Розмір пам’яті вказується в байтах (B).

Пам’ять може бути енергозалежною або енергонезалежною. Енергозалежна пам’ять втрачає всі дані, коли її відключають від джерела живлення. Енергозалежною є кеш-пам’ять, RAM та оперативна пам’ять (яка реалізується як RAM). В енергонезалежній пам’яті всі дані зберігаються незалежно від підключення до джерела живлення, але це, як правило, повільніше, ніж у енергозалежної пам’яті. Здебільшого енергонезалежна пам’ять використовується як довгострокове сховище, тому його представниками є ROM, флеш-пам’ять, HDD та SSD.