Туторијали за рачунарски хардвер: комплетан водич од нуле

Ако сте икада помислили „Волео бих да разумем Како хардвер рачунара заиста функционише„Али свака књига коју отворите звучи као бесмислица, не брините: нисте сами. Свет хардвера може изгледати као збрка акронима, бројева и електричних концепата, али уз јасно објашњење и једноставне примере, постаје много лакше разумети.“

У овом водичу ћете пронаћи комплетан обилазак физичке компоненте рачунара, његов интерни језик и како се све уклапа заједноОд најосновнијих концепата (шта је бит или бајт) до специфичних компоненти попут матичне плоче, РАМ меморије, процесора, портова и чврстих дискова, покривајући кључне аспекте као што су брзина система, магистрала података и кеш меморија. Дизајниран је тако да га можете читати у слободно време, без журбе и без потребе за било каквим предзнањем.

Како рачунар комуницира: битови, бајтови и системи мерења

Да бисте разумели хардвер рачунара, морате почети од почетка: рачунар „говори“ само о електрицитетуИнтерно, све се своди на то да ли постоји струја (1) или не (0) у милионима сићушних прекидача интегрисаних у чипове.

Свако од тих могућих стања, укључено или искључено, назива се бит, најмања јединица информације које рачунар обрађује. Бит може вредети само 0 или 1, али када спојимо неколико битова, почињемо да представљамо слова, бројеве и симболе.

Следећи корак је бајт, група од 8 битоваСа 8 прекидача (битова) можемо формирати много различитих комбинација нула и јединица, а свакој комбинацији је додељен знак. На пример, у добро познатом ASCII коду, слово А може бити представљено специфичном 8-битном секвенцом, као што је 10100001.

Када притиснете тастер на тастатури, рачунар не „види“ слово као такво, већ га прима комбинација бројева 0 и 1 која одговара том кључуХардвер преводи ваш притисак на тастер у битове, а екран на крају приказује слово захваљујући том систему кодирања.

Пошто је бајт премали да би се њиме измериле велике количине података, користе се његови вишекратници. Најчешће јединице за складиштење у рачунарству су:

• 1 бите = 8 бита (знак, број или размак).
• 1 килобајт (КБ) = 1024 бајта.
• 1 мегабајт (МБ) = 1024 KB.
• 1 гигабајт (ГБ) = 1024 МБ.
• 1 терабајт (ТБ) = 1024 ГБ.

Обратите пажњу да се увек користе вишекратници броја 1024, а не 1000На пример, документ од 1 KB заправо заузима 1024 карактера, рачунајући слова, бројеве, симболе и размаке.

Поред капацитета, код хардвера се много прича о брзина преноса податакаОвде ћете видети јединице као што су B/s, KB/s, MB/s или GB/s (бајтови у секунди). А понекад ћете наћи и битове у секунди (b/s, Kbps, Mbps), који су 8 пута мањи од вредности у бајтовима у секунди јер 1 бајт има 8 битова.

Идеја о фреквенцијашто се мери у херцима (Hz, MHz, GHz). Компонента која ради на 1 MHz обавља једну операцију милион пута у секунди. Код модерних процесора говоримо о гигахерцима (GHz), односно милијардама циклуса у секунди.

Шта одређује стварну брзину рачунара

Када неко каже „овај рачунар је веома брз“, обично гледа само процесор, али у стварности Брзина рачунара зависи од неколико фактора заједно.Микрофон је важан, да, али није једини.

Пре свега ту је број интерних битова са којима процесор радиОво показује колико информација може да обради одједном (његов интерни пропусни опсег). Раније су постојали 16-битни или 32-битни процесори; данас су практично сви кућни рачунари 64-битни, што омогућава истовремену обраду више података и боље коришћење меморије (видети поређење перформанси).

Други кључни фактор је радна фреквенција или машински циклусУнутар рачунара постоји „такт“ који подешава темпо извршавања инструкција. Процесор од 2 GHz, на пример, способан је да изврши око 2.000 милијарде циклуса у секунди. Што је већа фреквенција, то је више инструкција у секунди... под условом да остатак система прати тај темпо.

Следеће такође имају значајан утицај магистрале податакаТо су „аутопутеви“ којима информације путују од једне компоненте до друге (процесор, РАМ, диск, графичка картица итд.). Што је магистрала шира (што више битова може да пренесе одједном) и што је већа њена фреквенција, то ће саобраћај података бити глаткији унутар рачунара.

Да употребимо пољопривредну аналогију, то је као комбајн: ако може да исече неколико редова кукуруза у сваком пролазу и истовари их у велике, брзе камионе, посао се брже обавља. Ако су аутобуси тесни или спори, Уска грла би се формирала чак и ако би процесор био веома моћан.

Укратко, укупна брзина тима је одређена комбинацијом:

• Број интерних битова микропроцесора (унутрашњи пропусни опсег).
• Фреквенција рада процесора (MHz или GHz).
• Брзина и ширина магистрале података који повезује компоненте.
• Перформансе чврстог диска или SSD диск и чипсет матичне плоче.
• Количина и брзина РАМ-а.

Кућиште, напајање и матична плоча

Сваки десктоп рачунар почиње са торањ или кућиште са довољним простором и вентилацијомВеличина кућишта одређује колико лежишта и слотова ћете имати за инсталирање дискова за складиштење података, вентилатора и других компоненти.

Унутар кутије смо пронашли напајањеНапајање трансформише наизменичну струју из електричне мреже (на пример, 220 V) у ниже, стабилније напоне које рачунар може да користи, обично +5 V и +12 V. Добро напајање је кључно за стабилност опреме и за избегавање неочекиваних проблема изазваних недовољном снагом или скоковима напона.

Централна компонента где се практично све повезује је матична плочаМатична плоча садржи процесор, РАМ меморију, картице за проширење, SATA конекторе за чврсте дискове, USB портове, BIOS, чипсет и многе друге компоненте. Матична плоча мора бити компатибилна са процесором (тип сокета итд.). компатибилност матичне плоче, подршка за меморију, итд.).

На тањиру ћете наћи различите слотови за проширењекоји су пластични конектори са металним контактима где се убацују картице:

• PCI и PCIe слотовиМодерни стандард. Већина актуелних картица, укључујући 3Д графичке картице, повезује се на PCI Express (PCIe). Брже су и долазе у различитим величинама (x1, x4, x8, x16) у зависности од броја пинова и линија података.
• DIMM слотови: за RAM меморијске модуле. Старији SIMM-ови су сада застарели.
• САТА конекториза повезивање модерних чврстих дискова и оптичких уређаја помоћу SATA каблова.
• IDE конектори: стари стандард за PATA дискове, практично изумро у тренутним рачунарима.

Поред слотова, матична плоча интегрише разне контролери или контролере који управљају прометом података између процесора, RAM меморије, дискова и периферних уређаја. Раније је постојало много одвојених контролера; данас је већина груписана у чипсет.

El чипсет То је чипсет који одређује како микропроцесор, меморија, кеш меморија, USB портови, PCIe магистрале итд. међусобно комуницирају. Његов квалитет и карактеристике утичу на ствари као што су:

• Стварне перформансе које добијате од процесора.
• Максимални капацитет РАМ-а који се може инсталирати.
• Компатибилност са модерним технологијама (типови РАМ-а, типови дискова, напредни портови).
• Могућност будућих надоградњи и подршку одређених процесора.

Меморија: ROM, BIOS, RAM, кеш и виртуелна меморија

Рачунар нема само једну врсту меморије, већ неколико, свака са својом функцијом. Њихово разумевање много помаже у сагледавању Зашто мој рачунар понекад ради брзо, а понекад споро?.

Стари ROM меморија (меморија само за читање) Била је то меморија само за читање где је произвођач чувао основне инструкције за покретање и конфигурацију система. Њен садржај се није брисао када се рачунар искључио. Данас ту улогу скоро у потпуности преузима BIOS/UEFI.

La БИОС (основни улазно/излазни систем) То је програм сачуван на чипу на матичној плочи. Покреће се чим се рачунар укључи, детектује меморију, дискове, процесор и друге уређаје и врши почетне провере пре... учитајте оперативни системДео његове конфигурације може да мења корисник (редослед покретања, параметри хардвера итд.).

Да би се осигурало да BIOS задржи своја подешавања чак и када је рачунар искључен, матична плоча има батерија или мали акумулаторКада се ова батерија испразни, подешавања датума, времена или покретања почињу да се губе, и то је обично знак да је потребно да је замените.

La главна меморија или РАМ (меморија са случајним приступом) То је простор где рачунар привремено складишти податке и програме који се тренутно користе. То је брза меморија, али испарљива: када се рачунар искључи, сав њен садржај се брише.

Приликом избора РАМ меморије, важно је обратити пажњу на њену капацитет (на пример 8 GB, 16 GB, 32 GB) и у брзини преноса, обично израженој у MHz или коришћењем DDR номенклатуре (DDR2, DDR3, DDR4…). Што је бржа и шира комуникација између RAM меморије и процесора, систем ће бити бржи и бржи.

Ако инсталирате више РАМ модула са различитим брзинама, Сви ће радити брзином најспорије особе.Зато је најбоље користити сличне модуле. Оригинална DRAM и рана DDR меморија се више не користе; данас су DDR3, DDR4 или новије верзије норма.

Поред главне РАМ меморије, процесори имају кеш меморијеПосебна врста веома брзе меморије која се налази унутар или веома близу процесора. Чува често коришћене податке и инструкције, избегавајући потребу за сталним приступом споријој РАМ меморији.

Кеш можемо замислити као огласна табла на којој објављујете белешке које стално консултујетеАко је оно што тражите тамо, одмах ћете то прочитати; ако не, морате да идете у кеш меморију (RAM), што траје дуже. Захваљујући кешу, процесор може да ради брзинама веома блиским својој максималној фреквенцији.

Постоји неколико нивоа кеш меморије:

• Л1 кеш меморијаНајбржи и најмањи меморијски чип, који се налази поред сваког језгра процесора. Његова типична величина се креће од 256 KB до 512 KB или 1 MB по језгру.
• Л2 кеш меморија: нешто спорији и веће величине, између неколико стотина KB и неколико MB.
• Л3 кеш меморија: већи (од неколико до десетина MB) и нешто спорији од L1 и L2, али и даље много бржи од RAM меморије.

Када РАМ меморија почне да се исцрпљује, Оперативни систем резервише део чврстог диска да би симулирао додатну меморију. Када физичка РАМ меморија не одговара, Windows (или неки други систем) премешта недавно некоришћене податке на чврсти диск.

Ово вам омогућава да наставите са отварањем програма чак и ако нема довољно РАМ-а, али то има своју цену: Хард диск је много спорији од РАМ меморијеАко се виртуелна меморија прекомерно користи, рачунар постаје спор јер стално размењује податке између РАМ меморије и диска (датотеке странице).

Конфигурисање величине виртуелне меморије је могуће из напредних системских опција, али право решење за интензивну употребу је инсталирајте више физичке РАМ меморије, уместо да се ослањате на диск као закрпу.

Микропроцесор (CPU) и његов систем хлађења

El микропроцесор или процесор То је „мозак“ рачунара. Одговоран је за обављање прорачуна и координацију онога што раде остале компоненте, читање података из РАМ-а или кеш меморије и извршавање инструкција једну за другом пуном брзином.

Интерно, процесор се углавном састоји од два функционална блока:

• Аритметичко-логичка јединица (АЛУ): врши математичке операције (сабирање, одузимање, множење, дељење) и логичке операције (поређења, услове као што је „АКО ово, онда оно“).
• Контролна јединицаОдговоран је за одлучивање о редоследу извршавања инструкција, који се подаци читају или пишу и како информације теку унутар процесора.

Приликом избора процесора, важно је узети у обзир неколико детаља: Тип и породица процесора (Intel, AMD, одређени опсег), (физички сокет, чипсет), радна фреквенција, број језгара, 64-битна подршка и величина интерне кеш меморије.

Процесор генерише доста топлоте, посебно када ради на високим фреквенцијама, тако да је добар хладњак неопходан. систем за дисипацију и вентилацијуУобичајена пракса је монтирање металног хладњака у директном контакту са процесором и вентилатора на врху који избацује топлоту.

Ако се фреквенција процесора повећа изнад спецификације (оверклоковање), температура расте још вишеА ако хлађење није довољно, могу се јавити падови система, грешке и смањени век трајања компоненти. Зато термална паста и правилна инсталација вентилатора нису само луксуз, већ су неопходни.

Портови, везе и пренос података

Да би рачунар могао да комуницира са спољним светом, потребан му је улазне и излазне лукеТо су физички конектори где прикључујемо мишеве, тастатуре, мониторе, штампаче, екстерне дискове, мреже итд.

Неки од најчешћих које можете пронаћи на модерном рачунару су:

• Аудио портови (RCA или мини-џек)Улази и излази за микрофоне, звучнике и друге звучне уређаје. Свака боја обично означава функцију (излаз, линијски улаз, микрофон итд.).
• PS/2 портовиСтари округли конектори за тастатуру и миш. Практично застарели, замењени су USB-ом.
• USB порт (универзална серијска магистрала)USB је де факто стандард за скоро све врсте периферних уређаја. Подржава брзу замену (plug and play), тако да можете повезивати и искључивати уређаје док је рачунар укључен. Верзије као што су USB 1.1, 2.0, 3.0 и новије разликују се у брзини: што је већи број, то је бржи пренос.
• Етернет порт (RJ45): жичани мрежни конектор за приступ интернету или локалним мрежама.
• Спољни SATA портови: користи се за повезивање екстерних чврстих дискова компатибилних са овим стандардом.
• FireWire порт (IEEE 1394): дизајниран за брз пренос података, широко коришћен у своје време за дигиталне видео камере.
• VGA, DVI и HDMI конекториВидео излази за мониторе и пројекторе. VGA је аналогни и старији; DVI нуди дигитални квалитет; HDMI је постао најшире коришћен јер преноси дигитални звук и видео високе дефиниције преко истог кабла, са великим пропусним опсегом.

Поред физичких портова, модерни лаптопови и рачунари су пуни... бежичне технологије као што су инфрацрвени (старији), Bluetooth или Wi-Fi. Омогућавају бежични пренос података помоћу електромагнетних таласа или светлости, са пријемницима и антенама интегрисаним у саму плочу или као додатне картице.

Периферни уређаји и уређаји за складиштење

Л периферне јединице То су сви спољни уређаји који се повезују са рачунаром ради комуникације са њим или проширивања његових могућности: тастатуре, мишеви, штампачи, скенери, звучници, камере итд. То могу бити улазни уређаји (миш, тастатура), излазни уређаји (монитор, штампач) или улазно-излазни уређаји (екрани осетљиви на додир, спољни чврсти дискови, мултифункционални штампачи).

Што се тиче интерне меморије, звездана компонента је хард дискТрадиционално су коришћени магнетни дискови (HDD), који се састоје од неколико алуминијумских плоча обложених магнетизујућом материјом које се ротирају великом брзином унутар затвореног кућишта.

Ова јела су подељена на концентричне стазекоје се заузврат деле на секторима (обично 512 бајтова). Неколико сектора заједно чине кластер или алокациона јединица, што је најмањи део простора на диску резервисан за датотеку.

Ако је величина кластера 4 KB, а сачувате датотеку од само 1 KB, Заправо ће заузети 4 KB на дискуАко заузима 5 KB, користиће два кластера (8 KB). Зато је важно да величина кластера не буде превелика, како би се избегло губљење простора са малим датотекама.

Приликом избора класичног чврстог диска, важне су две ствари: његов капацитет у GB или TB и брзина ротацијеСтарији модели су се окретали брзином од 3.600 о/мин, затим су постали популарни они са 7.200 о/мин, а постоје још брже јединице од 10.000 о/мин или више, намењене захтевној употреби.

Годинама су чврсти дискови и интерфејси коегзистирали. IDE/EIDE/ATA и дискови SCSI или FireWireIDE нестаје у корист SATA стандарда, док су SCSI и FireWire остали за специјализованија окружења или су замењени другим технологијама.

Данас су такође веома чести ССД дисковиОве карактеристике, које нису детаљно описане у оригиналном тексту, али вреди поменути, чувају податке на флеш меморијским чиповима уместо на ротирајућим плочама, нудећи много краће време приступа и брзину читања/писања далеко већу од традиционалних механичких дискова.

Што се тиче оптичких медија, многи торњеви и даље укључују Читачи и писачи CD/DVD-оваРазликују се по брзинама читања, писања и преписивања, израженим као број праћен словом „x“ (на пример, 52x/24x/52x). DVD-ови такође нуде различите брзине за CD-ове и DVD-ове, као и могућност снимања у [недостаје конфигурација]. дупли слој, што практично удвостручује капацитет диска.

Још један занимљив параметар код рекордера је величина интерног бафераМала меморија која чува податке док се снимају. Ако рачунар тренутно престане да шаље податке, диск користи овај бафер да би избегао прекид снимања и спречио грешке.

Монитори и екрани

Визуелни излаз рачунара се приказује у надгледатиИ овде такође постоји неколико важних хардверских концепата. CRT (цевни) монитори су први постали популарни; њихов квалитет је зависио од величине у инчима, резолуције и брзине освежавања (број пута у секунди колико се слика „поново црта“).

Веома ниска брзина освежавања (на пример, 60 Hz) може изазвати напрезање очију и приметно треперење, док при вишим брзинама слика делује стабилније. Временом су CRT монитори постепено уступили место равним екранима.

Тхе TFT/LCD екрани Они раде користећи технологију течних кристала и нуде много тањи и лакши дизајн. Код ове врсте монитора, следеће је важно: време одзива, што је време потребно пикселу да пређе из једног стања у друго. Вредности испод 20 ms се сматрају прихватљивим како би се избегли трагови при брзим покретима.

Ови екрани такође имају нативна резолуција (на пример, 1920×1080). Ако се користе различите резолуције, слика се мења у размери и може изгубити дефиницију. Приликом избора монитора, препоручљиво је узети у обзир тип панела, максималну подржану резолуцију, време одзива, брзину освежавања (код модела за игре) и размак између пиксела или густину пиксела.

Индустрија је наставила да се креће ка технологијама као што су LED, OLED, 3D екрани и телевизори високе дефиницијекоји побољшавају контраст, репродукцију боја и енергетску ефикасност, иако ови детаљи више спадају у област потрошачке електронике него основног хардвера за рачунаре.

На крају крајева, када погледате отворени десктоп рачунар, све што видите су различити делови који заједно чине систем: Кула која пружа простор и вентилацију, напајање које обезбеђује стабилну енергију, матична плоча која све повезује, процесор који наручује и израчунава, РАМ и кеш меморија који достављају податке процесору, дискови који чувају ваше информације, графичка картица и монитор који вам их приказују, и портови и периферни уређаји који вам омогућавају интеракцију.Разумевање сваког од ових делова и њиховог међусобног односа је најдиректнији начин да се савлада хардвер од нуле, без потребе да будете инжењер или да патите кроз немогуће курсеве.