Компьютер — это электронная машина, выполняющая вычислительные операции на основе набора команд. Первые компьютеры были огромными и занимали целые комнаты. Для их сборки, обслуживания и поддержки требовались целые команды специалистов. Скорость работы современных компьютерных систем на порядки выше, а их размеры значительно меньше.
Компьютерная система состоит из компонентов оборудования и программного обеспечения. Оборудование — это набор физических компонентов. В его состав входят корпус, клавиатура, монитор, кабели, дисковые накопители для хранения данных, динамики и принтеры. Программное обеспечение — это операционная система и программы. Операционная система служит для управления операциями, которые выполняет компьютер, такими как определение информации, доступ к ней и ее обработка. Программы, или приложения, выполняют различные функции. Программы могут различаться в зависимости от информации, которую они получают или создают. Например, команды для сведения баланса по чековой книжке отличаются от команд для создания мира виртуальной реальности в Интернете.
Корпуса ПК
В корпусе находятся все внутренние компоненты настольного компьютера, такие как блок питания, материнская плата, центральный процессор (ЦП), память, дисковые накопители и различные платы адаптеров.
Формфактор устройства — это его конструкция и внешний вид. Корпуса настольных компьютеров выпускаются в различных формфакторах, включая указанные ниже.
- Горизонтальный корпус — такие корпуса были популярны на заре развития компьютерных систем. Корпус располагался на столе горизонтально, а на него ставился монитор. Корпуса такого формфактора уже не популярны и практически не используются.
- Полноразмерный вертикальный корпус (Full-Size Tower) — корпус компьютера, расположенный вертикально. Обычно его устанавливают на пол рядом со столом или под ним. В нем с легкостью можно разместить дополнительные компоненты, такие как дисковые накопители, платы адаптеров и многое другое. К нему подключаются внешние клавиатура, мышь и монитор.
- Компактный вертикальный корпус — уменьшенная версия полноразмерного вертикального корпуса. Такие корпуса чаще всего встречаются в корпоративной среде. Такие корпуса также называют моделями малого формфактора (Small Form Factor, SFF), или мини-корпусами. Его можно разместить как на рабочем столе, так и на полу. В нем можно разместить ограниченное количество дополнительных компонентов. К нему подключаются внешние клавиатура, мышь и монитор.
- Моноблок — все компоненты такого компьютера размещаются в корпусе монитора. Обычно такие компьютеры оснащаются сенсорным дисплеем, а также встроенными динамиками и микрофоном. В зависимости от модели возможности установки дополнительных компонентов ограничены или вовсе отсутствуют. К нему подключаются внешние клавиатура, мышь и блок питания.
Примечание. Этот список не является исчерпывающим, поскольку у многих производителей имеется собственная терминология в отношении моделей корпусов.
Блоки питания
В электрическую розетку подается переменный ток (alternating current, AC). Однако для работы всех компонентов компьютера необходим постоянный ток (direct current, DC). Для преобразования питания переменного тока в низковольтный постоянный ток служит блок питания.
Ниже перечислены блоки питания различных формфакторов, которые получили развитие с течением времени.
- Advanced Technology (AT) — исходный блок питания для устаревших компьютерных систем, который в настоящее время также является устаревшим.
- AT Extended (ATX) — обновленная версия блоков питания AT, тем не менее тоже уже устарела.
- ATX12V — блок питания этого формфактора наиболее часто используется в современных компьютерах. Он оснащен дополнительным силовым разъемом для отдельного питания ЦП на материнской плате. Существует несколько версий ATX12V.
- EPS12V — такие блоки питания изначально разрабатывались для сетевых серверов, однако в настоящее время они получили широкое распространение в высокотехнологичных моделях настольных компьютеров.
Блок питания оснащается разъемами различных типов. Они используются для питания различных внутренних компонентов, таких как материнская плата и дисковые накопители. Разъемы оснащены «ключами» и спроектированы так, чтобы их невозможно было вставить неправильно. В таблице представлено описание наиболее распространенных силовых разъемов.
Различные разъемы служат для подачи питания разного напряжения. Как правило, блоки питания дают напряжение в 3,3 В, 5 В и 12 В. Напряжение в 3,3 В и 5 В обычно подается на цифровые микросхемы, а напряжение в 12 В — на двигатели дисковых накопителей и вентиляторы.
Блок питания может иметь одну, две или несколько шин питания для определенных напряжений. Шина питания или линия — это печатная плата внутри блока питания, к которой подключены идущие наружу кабели. В блоке питания с одной шиной все разъемы подключены к одной печатной плате, а в блоке питания с несколькими шинами для каждого разъема имеется собственная печатная плата.
Материнские платы
Материнская плата, которая также называется системной или основной платой, является основой компьютера. Материнская плата представляет собой печатную плату, на которой размещены шины (или электрические дорожки) для соединения электронных компонентов друг с другом. Такие компоненты могут быть как встроенными в материнскую плату, так и устанавливаться дополнительно в соответствующие разъемы, слоты расширения и порты.
Ниже перечислены некоторые из разъемов на материнской плате, в которые можно устанавливать дополнительные компоненты.
- Центральный процессор (ЦП) — считается мозгом компьютера.
- Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — временное хранилище для данных и приложений.
- Слоты расширения — служат для подключения дополнительных компонентов.
- Чипсет — включает набор встроенных схем на материнской плате, предназначенных для управления взаимодействием аппаратного обеспечения системы с ЦП и материнской платой. Он также определяет, сколько памяти можно добавить к материнской плате, и тип разъемов материнской платы.
- Микросхема базовой системы ввода-вывода (Basic input/output system, BIOS) и микросхема единого расширяемого микропрограммного интерфейса (Unified Extensible Firmware Interface, UEFI) — BIOS используется для загрузки компьютера и управления потоками данных, которыми обмениваются жесткий диск, видеоадаптер, клавиатура, мышь и другие компоненты компьютерной системы. Недавно BIOS была улучшена за счет UEFI. UEFI представляет собой другой программный интерфейс для загрузки и служб среды выполнения, однако в его основе лежит традиционная система BIOS для конфигурирования системы, самотестирования при включении питания POST и настройки других параметров.
Большинство чипсетов состоит из следующих компонентов:
- Северный мост — служит для управления высокоскоростным доступом к ОЗУ и видеоадаптеру. Он также отвечает за управление скоростью взаимодействия ЦП с другими компонентами компьютерной системы. В ряде случае видеоадаптер встроен в северный мост.
- Южный мост — обеспечивает взаимодействие ЦП с устройствами с более низкой скоростью работы, такими как жесткие диски, порты универсальной последовательной шины (USB) и слоты расширения.
Формфактор материнских плат — их размер и форма. Он также характеризует физическое расположение компонентов и устройств на плате.
За прошедшие годы было разработано множество вариантов материнских плат. Существуют три основных формфактора материнских плат:
- Advanced Technology eXtended (ATX) — наиболее распространенный формфактор. В корпусе стандарта ATX размещаются интегрированные порты ввода-вывода стандартной материнской платы ATX. Блок питания ATX подключается к материнской плате через этот 20-контактный разъем.
- Micro-ATX — формфактор меньшего размера, обратно совместимый с формфактором ATX. Для материнских плат Micro-ATX часто используются те же наборы микросхем (северный мост и южный мост) и те же разъемы питания, что и для полноразмерных материнских плат ATX, для них также можно использовать множество общих компонентов. Обычно материнские платы Micro-ATX можно разместить в стандартном корпусе ATX. Тем не менее, материнские платы Micro-ATX, как правило, меньше по размеру, чем платы ATX, и имеют меньше слотов расширения.
- ITX — формфактор ITX получил широкое распространение благодаря своему очень компактному размеру. Существует множество типов материнских плат ITX, однако большую популярность завоевал формфактор Mini-ITX. Формфактор Mini-ITX использует очень малую мощность, поэтому для его охлаждения не нужны вентиляторы. Материнская плата типа Mini-ITX имеет только один слот PCI для плат расширения. Компьютер на основе формфактора Mini-ITX можно использовать в тех случаях, когда неудобно использовать большой или шумный компьютер.
Примечание. Важно понимать различия между формфакторами, поскольку формфактор материнской платы определяет форму корпуса компьютера, тип необходимого блока питания и способ подключения отдельных компонентов к ней.
Архитектуры ЦП
Если материнскую плату называют основой компьютера, то центральный процессор (ЦП, CPU) считается мозгом компьютерной системы. С точки зрения вычислительной мощности ЦП, который зачастую называют просто процессором, является наиболее важным элементом системы компьютера. В центральном процессоре выполняется большинство вычислительных операций.
ЦП поставляются в различных формфакторах, каждый из них требует специфического гнезда или разъема на материнской плате. В число наиболее популярных производителей ЦП входят Intel и AMD.
Разъем (или сокет) ЦП — это место подключения процессора к материнской плате. Ниже перечислены архитектуры современных разъемов ЦП и процессоров.
- Pin Grid Array (PGA) — в архитектуре PGA контакты находятся на обратной стороне процессора и вставляются в сокет ЦП на материнской плате с использованием разъема типа ZIF (нулевое усилие вставки). Термин «нулевое усилие вставки» означает, что для установки ЦП в разъем или гнездо материнской платы практически не нужно применять силу.
- Land Grid Array (LGA) — в архитектуре LGA контакты находятся в самом разъеме, а не на процессоре.
Программа — это последовательность сохраненных команд. ЦП выполняет эти команды, руководствуясь определенным набором инструкций.
Существует два типа наборов инструкций для ЦП:
- Компьютер с сокращенным набором инструкций (Reduced Instruction Set Computer, RISC) — в такой архитектуре используется относительно небольшой набор инструкций. Микросхемы RISC спроектированы таким образом, чтобы очень быстро выполнять эти команды.
- Компьютер со сложным набором инструкций (Complex Instruction Set Computer, CISC) — в таких архитектурах используется широкий набор инструкций, благодаря чему каждая операция требует меньшего количества тактов.
ПЗУ
Компьютер оснащается различными типами памяти. Однако несмотря на различия данные во всех типах памяти хранятся в виде байтов. Байт — это одна из единиц цифровой информации, представляющей буквы, числа и символы. В частности, байт представляет собой блок из восьми битов, хранящихся в памяти в виде нулей и единиц.
Важным компонентом компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхемы ПЗУ находятся на материнской плате и на других печатных платах. В них содержатся команды, к которым ЦП может получить непосредственный доступ. К командам, которые хранятся в ПЗУ, относятся команды для выполнения базовых операций, таких как загрузка компьютера и операционной системы.
ОЗУ
ОЗУ — это временное хранилище данных и программ, к которым обращается ЦП.
В компьютере используются различные типы ОЗУ. На рисунке представлены более подробные сведения о них.
В отличие от ПЗУ, оперативная память является энергозависимой. Это значит, что ее содержимое удаляется при отключении питания компьютера.
Примечание. ПЗУ является энергозависимой памятью. Его содержимое не удаляется при отключении питания компьютера.
Добавление в компьютер ОЗУ, как правило, улучшает его производительность. Например, чем больше ОЗУ компьютера, тем больше файлов и программ он может одновременно держать в памяти и обрабатывать. Если объема установленной оперативной памяти недостаточно, компьютеру приходится для освобождения ОЗУ временно перемещать часть данных в файл подкачки, который находится на гораздо более медленном жестком диске. Максимальный объем ОЗУ, который можно установить на компьютер, ограничивается возможностями материнской платы.
Платы адаптеров и слоты расширения
Платы адаптеров повышают функциональные возможности компьютера путем добавления контроллеров определенных устройств или замены неисправных портов.
Существует множество различных плат адаптеров, используемых для расширения и индивидуальной настройки возможностей компьютера:
- Звуковой адаптер — отвечает за функции звука.
- Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) — служит для подключения компьютера к сети с помощью сетевого кабеля.
- Адаптер беспроводной сети — служит для подключения компьютера к сети по радиоканалу.
- Видеоадаптер — отвечает за функции графики.
- Плата захвата — отправляет видеосигнал на компьютер для записи на жесткий диск с помощью ПО для захвата видеосигнала.
- Плата ТВ-тюнера — предоставляет возможность просмотра и записи телевизионных сигналов на ПК при условии, что тюнер карты подключен к эфирной антенне, кабельному или спутниковому ТВ.
- Порт универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus, USB) — служит для подключения периферийных устройств к компьютеру.
- Плата Thunderbolt — предназначена для подключения к компьютеру периферийных устройств.
- Избыточный массив независимых дисков (Redundant array of independent disks, RAID) — адаптер RAID служит для подключения нескольких жестких дисков или твердотельных накопителей и обеспечивает их работу как единого целого логического хранилища.
Устройства хранения данных
Устройства хранения данных выполняют чтение информации с магнитных, оптических или полупроводниковых носителей, а также осуществляют запись на них. Привод используется для постоянного хранения данных или получения информации с дискового носителя.
Ниже приведены наиболее распространенные типы устройств хранения.
- Жесткие диски (HDD) — традиционные магнитные дисковые накопители, которые используются уже не одно десятилетие. Емкость жестких дисков варьируется от гигабайтов (ГБ) до терабайтов (ТБ). Скорость вращения такого диска измеряется в оборотах в минуту. Это скорость, с которой вращается шпиндель с пластинами, на которых записаны данные. Чем выше скорость вращения шпинделя, тем быстрее жесткий диск получает данные с пластин. Наиболее широкое распространение получили жесткие диски со скоростью вращения 5400, 7200 и 10 000 оборотов в минуту.
- Твердотельные накопители (SSD) — энергонезависимые запоминающие устройства для хранения данных. Они работают намного быстрее магнитных жестких дисков. Емкость таких дисков варьируется от гигабайтов (ГБ) до терабайтов (ТБ). В твердотельных накопителях отсутствуют подвижные детали, поэтому они абсолютно бесшумные и более энергоэффективные, а также выделяют меньше тепла, чем магнитные жесткие диски. Носители SSD имеют такие же формфакторы, что и магнитные жесткие диски, и стремительно вытесняют последние с рынка устройств хранения данных.
- Гибридные диски — также называемые твердотельными гибридными накопителями (SSHD), представляют собой компромисс между магнитными жесткими дисками и твердотельными накопителями. Они работают быстрее, чем HDD, однако стоят меньше, чем SSD. Такой накопитель представляет собой магнитный HDD со встроенным SSD, который используется в качестве кэша. Накопитель SSHD автоматически кэширует часто используемые данные.
- Привод оптических дисков — в приводе оптических дисков для чтения данных с носителей используется лазер. Существует три типа оптических дисков: компакт-диски (CD), универсальные цифровые диски (DVD) и диски Blu-ray (BD). Компакт-диски, диски DVD и диски Blu-ray бывают только для чтения, записываемые (однократная запись) или перезаписываемые (многократное чтение и запись)
- Магнитные ленты — используются в большинстве случаев для архивирования данных. В ленточном накопителе используется магнитная головка чтения и записи. Скорость получения данных с ленточного накопителя может быть очень высокой, однако поиск определенных данных может занимать очень много времени, поскольку лента должна перематываться с катушки на катушку до момента нахождения данных. Емкость наиболее распространенных ленточных накопителей варьируется от гигабайтов (ГБ) до терабайтов (ТБ).
- Внешний флэш-диск — такие накопители, например как флэш-карта памяти USB, подключаются к порту USB. Во внешнем флэш-диске используется тот же тип энергозависимой памяти, что и в SSD. Ему не нужно электропитание для хранения данных. Емкость таких дисков также варьируется от мегабайтов (МБ) до гигабайтов (ГБ).
Устройства ввода
Устройство ввода используются для ввода данных или команд в компьютер.
Ниже приведены примеры устройств ввода.
- Клавиатура и мышь — наиболее распространенные устройства ввода. Клавиатура используется для ввода текстовых команд, а мышь — для взаимодействия с графическим интерфейсом пользователя. На ноутбуках также есть сенсорные панели, которые обеспечивают встроенные возможности мыши.
- Сенсорные экраны — представляют собой экраны, чувствительные к касанию и нажатию пальцами. Компьютер получает команды в зависимости от места экрана, нажатого пользователем.
- Джойстики и геймпады — устройства ввода для компьютерных игр. С помощью геймпада пользователь управляет движениями в игре и изменяет область обзора игрового пространства. Для этого на геймпаде имеются небольшие стики и несколько кнопок. На многих геймпадах также есть триггеры, отслеживающие силу нажатия. Для авиасимуляторов и подобных игр также используются джойстики.
- Цифровые фотоаппараты и видеокамеры — используются для создания изображений, которые можно сохранить, отобразить, напечатать или отредактировать. Подключаемые или встроенные веб-камеры позволяют снимать видео в режиме реального времени.
- Сканеры — позволяют переводить изображения или документы в цифровой формат. Оцифрованное изображение сохраняется в виде файла, который можно затем просмотреть, распечатать или изменить. Устройство для считывания штрих-кода — это разновидность сканера, считывающего универсальный код товара. Эти устройства широко используются для получения сведений о цене и складских запасах.
- Графические планшеты (дигитайзеры) — такие устройства позволяют конструктору или художнику создавать чертежи, изображения или другие произведения с помощью стилуса — инструмента, напоминающего карандаш, — на поверхности, которая распознает касание стилуса. Некоторые графические планшеты имеют несколько плоскостей или сенсоров, что позволяет создавать трехмерные модели, перемещая стилус в воздухе.
- Устройства биометрической идентификации — служат для идентификации пользователя по уникальным физическим характеристикам, таким как отпечаток пальца или голос. На многих ноутбуках имеются встроенные сканеры отпечатков пальцев для автоматического входа в систему устройства.
- Устройства чтения смарт-карт — такие устройства ввода обычно используются на компьютерах для аутентификации пользователей. Смарт-карта может быть размером с кредитную карту. В нее встроен микропроцессор, который обычно находится под позолоченной контактной площадкой на одной из сторон карты.
KVM-переключатель (Keyboard, video, mouse switch) — это оборудование, используемое для управления несколькими компьютерами с помощью одного монитора, клавиатуры и мыши. На предприятиях использование KVM-переключателей позволяет организовать экономичный доступ к нескольким серверам. Пользователи домашних компьютеров могут использовать KVM-переключатели для экономии места подключая несколько компьютеров к одному монитору, клавиатуре и мыши.
Устройства вывода
Устройство вывода используется для представления пользователю информации из компьютера.
Мониторы и проекторы — основные устройства вывода компьютера. Существуют различные типы мониторов. Важнейшее различие между этими типами состоит в технологиях, используемых для создания изображения:
- Жидкокристаллический экран (LCD) — широко используется в плоских мониторах и ноутбуках. Он состоит из двух поляризационных фильтров, между которыми находится жидкокристаллический раствор. Электрический ток ориентирует кристаллы таким образом, чтобы они пропускали свет или не пропускали его. В результате изображение создается за счет того, что свет проходит в одних областях и не проходит в других. Жидкокристаллические экраны бывают двух видов: с активной матрицей и с пассивной матрицей. Элементами активной матрицы являются тонкопленочные транзисторы (TFT). Технология TFT позволяет управлять каждым пикселем, обеспечивая очень резкие цветные изображения. Экраны с пассивной матрицей стоят дешевле, но не обеспечивают такого же высокого уровня управления изображением. Экраны с пассивными матрицами относительно редко используются в ноутбуках.
- Светодиодный экран (LED) — представляет собой жидкокристаллический экран, в котором используется светодиодная задняя подсветка для освещения монитора. Светодиодные экраны обладают более низким расходом энергии по сравнению со стандартной подсветкой жидкокристаллического экрана, позволяют сделать панель тоньше, легче и ярче и обеспечивают оптимальную контрастность.
- Экран на органических светодиодах (OLED) — в нем используется слой органического материала, который при воздействии электрического тока излучает свет. Данная технология обеспечивает индивидуальное свечение каждого пикселя, благодаря чему позволяет достичь более насыщенных уровней черного цвета по сравнению с обычным светодиодным экраном. Экраны на органических светодиодах также тоньше и легче, чем обычные светодиодные экраны.
- Плазменные экраны — это еще один тип плоских экранов, позволяющий достичь высокого уровня яркости, насыщенных уровней черного цвета и очень широкого диапазона оттенков. Размеры плазменных экранов могут достигать 381 см или более. Плазменные экраны получили свое название от крошечных ячеек, наполненных ионизированным газом, которые светятся при подаче электричества.
- DLP — цифровая обработка света, технология, используемая в проекторах. В проекторах DLP используется вращающийся цветной диск с зеркальной матрицей, управляемой микропроцессорами, которая называется цифровым микрозеркальным устройством (DMD). Каждое зеркало соответствует определенному пикселю. Каждое зеркало отражает свет либо на линзу, либо на радиатор. Таким образом создается монохромное изображение, имеющее до 1024 оттенков серого между черным и белым. Затем для создания цветного проектируемого изображения используется цветной диск.
- Принтеры — это устройства вывода, с помощью которых можно создавать бумажные копии файлов, хранимых в компьютере. Некоторые принтеры используются только в определенных целях, например, для печати цветных фотографий. Многофункциональные устройства (МФУ) предназначены для выполнения множества задач: печать, сканирование, передача факсов и создание ксерокопий.
- Динамики и наушники — это устройства вывода аудиосигналов. В большинстве компьютеров аудио обеспечивается либо интегрированным в материнскую плату адаптером, либо отдельным адаптером — звуковой картой. Поддержка аудио включает в себя порты ввода и вывода аудиосигналов. Звуковая карта оснащена усилителем для наушников и внешних динамиков.
