Аппаратное обеспечение компьютера включает в себя физические части компьютера , такие как центральный процессор (ЦП), оперативная память (ОЗУ) , материнская плата , хранилище данных компьютера , графическая карта , звуковая карта и корпус компьютера . Оно включает в себя внешние устройства, такие как монитор , мышь , клавиатура и динамики . [1] [2]
Напротив, программное обеспечение — это набор инструкций, которые могут храниться и выполняться аппаратным обеспечением. Аппаратное обеспечение так называется, потому что оно жесткое или негибкое по отношению к изменениям, тогда как программное обеспечение мягкое , потому что его легко изменить.
Аппаратное обеспечение обычно управляется программным обеспечением для выполнения любой команды или инструкции . Сочетание аппаратного и программного обеспечения образует пригодную для использования вычислительную систему, хотя существуют и другие системы , состоящие только из аппаратного обеспечения.
Ранние вычислительные устройства, более сложные, чем древние счеты, датируются семнадцатым веком. Французский математик Блез Паскаль спроектировал шестеренчатое устройство, которое могло складывать и вычитать, продав около 50 моделей. Ступенчатый счет был изобретен Готфридом Лейбницем в 1676 году, который также мог делить и умножать. Из-за ограничений современного производства и недостатков конструкции счетная машина Лейбница была не очень функциональной, но похожие устройства ( колесо Лейбница ) оставались в использовании до 1970-х годов. [3] В 19 веке англичанин Чарльз Бэббидж изобрел разностную машину , механическое устройство для вычисления многочленов в астрономических целях. [4] Бэббидж также спроектировал универсальный компьютер, который так и не был построен. Большая часть конструкции была включена в самые ранние компьютеры: перфокарты для ввода и вывода, память , арифметическое устройство, аналогичное центральным процессорам , и даже примитивный язык программирования, похожий на язык ассемблера . [5]
В 1936 году Алан Тьюринг разработал универсальную машину Тьюринга для моделирования любого типа компьютера, доказав, что ни один компьютер не сможет решить проблему принятия решения . [6] Универсальная машина Тьюринга была типом компьютера с хранимой программой, способного имитировать операции любой машины Тьюринга (компьютерной модели) на основе переданных ему программных инструкций. Хранение компьютерных программ является ключом к работе современных компьютеров и является связью между компьютерным оборудованием и программным обеспечением. [7] Еще до этого, в середине 19 века, математик Джордж Буль изобрел Булеву алгебру — систему логики, в которой каждое предложение либо истинно, либо ложно. Булева алгебра теперь является основой схем , которые моделируют транзисторы и другие компоненты интегральных схем , составляющих современное компьютерное оборудование. [8] В 1945 году Тьюринг закончил проектирование компьютера ( автоматической вычислительной машины ), который так и не был построен. [9]
Примерно в это же время технологический прогресс в области реле и электронных ламп позволил создать первые компьютеры. [10] Основываясь на конструкции Бэббиджа, релейные компьютеры были построены Джорджем Стибицем в Bell Laboratories и Говардом Эйкеном из Гарвардского университета , который спроектировал MARK I. [5] Также в 1945 году математик Джон фон Нейман , работавший над проектом ENIAC в Пенсильванском университете, разработал базовую архитектуру фон Неймана , которая послужила шаблоном для большинства современных компьютеров. [11] Конструкция фон Неймана включала централизованную память , которая хранила как данные, так и программы, центральный процессор (ЦП) с приоритетом доступа к памяти и блоки ввода и вывода (I/O) . Фон Нейман использовал одну шину для передачи данных, а это значит, что его решение проблемы хранения путем размещения программ и данных рядом друг с другом создало узкое место фон Неймана , когда система пытается извлечь и то, и другое одновременно, что часто снижает производительность системы. [12]
Архитектура компьютера требует расстановки приоритетов между различными целями, такими как стоимость, скорость, доступность и энергоэффективность. Проектировщик должен хорошо разбираться в требованиях к оборудованию и во многих различных аспектах вычислений, от компиляторов до проектирования интегральных схем. [14] Стоимость также стала существенным ограничением для производителей, стремящихся продавать свою продукцию за меньшие деньги, чем конкуренты, предлагающие очень похожий товар . Норма прибыли также снизилась. [15] Даже когда производительность не увеличивается, стоимость компонентов со временем снижается из-за улучшения производственных технологий, которые имеют меньше компонентов, отбракованных на этапе контроля качества . [16]
Наиболее распространенная архитектура набора инструкций (ISA) — интерфейс между аппаратным и программным обеспечением компьютера — основана на архитектуре, разработанной фон Нейманом в 1945 году. [17] Несмотря на разделение вычислительного блока и системы ввода-вывода на многих диаграммах, обычно аппаратное обеспечение является общим, а бит в вычислительном блоке указывает, находится ли он в режиме вычислений или ввода-вывода. [18] Распространенные типы ISA включают CISC ( компьютер со сложным набором инструкций ), RISC ( компьютер с сокращенным набором инструкций ), векторные операции и гибридные режимы. [19] CISC подразумевает использование большего набора выражений для минимизации количества инструкций, которые должны использовать машины. [20] Основываясь на признании того, что обычно используется только несколько инструкций, RISC сокращает набор инструкций для дополнительной простоты, что также позволяет включать больше регистров . [21] После изобретения RISC в 1980-х годах архитектуры на основе RISC, которые использовали конвейеризацию и кэширование для повышения производительности, вытеснили архитектуры CISC, особенно в приложениях с ограничениями по энергопотреблению или пространству (таких как мобильные телефоны ). С 1986 по 2003 год ежегодный темп улучшения производительности оборудования превысил 50 процентов, что позволило разработать новые вычислительные устройства, такие как планшеты и мобильные телефоны. [22] Наряду с плотностью транзисторов, память DRAM, а также флэш-память и магнитные диски также стали экспоненциально более компактными и дешевыми. Темпы улучшения замедлились в двадцать первом веке. [23]
В двадцать первом веке рост производительности был обусловлен растущей эксплуатацией параллелизма . [24] Приложения часто поддаются параллелизации двумя способами: либо одна и та же функция выполняется в нескольких областях данных ( параллелизм данных ), либо разные задачи могут выполняться одновременно с ограниченным взаимодействием ( параллелизм задач ). [25] Эти формы параллелизма поддерживаются различными аппаратными стратегиями, включая параллелизм на уровне инструкций (такой как конвейеризация инструкций ), векторные архитектуры и графические процессоры (GPU), которые способны реализовывать параллелизм данных, параллелизм на уровне потоков и параллелизм на уровне запросов (оба реализуют параллелизм на уровне задач). [25]
Микроархитектура , также известная как организация компьютера, относится к высокоуровневым вопросам оборудования, таким как проектирование ЦП, памяти и межсоединений памяти . [26] Иерархия памяти гарантирует, что память, к которой быстрее получить доступ (и которая дороже), расположена ближе к ЦП, в то время как более медленная и дешевая память для хранения большого объема расположена дальше. [27] Память обычно изолируется, чтобы отделить программы от данных и ограничить возможности злоумышленника изменять программы. [28] Большинство компьютеров используют виртуальную память для упрощения адресации программ, используя операционную систему для сопоставления виртуальной памяти с различными областями конечной физической памяти. [29]
Компьютерные процессоры генерируют тепло, а избыточное тепло влияет на их производительность и может повредить компоненты. Многие компьютерные чипы автоматически снижают свою производительность, чтобы избежать перегрева. Компьютеры также обычно имеют механизмы для рассеивания избыточного тепла, такие как воздушные или жидкостные охладители для ЦП и ГП и радиаторы для других компонентов, таких как ОЗУ . Корпуса компьютеров также часто вентилируются, чтобы помочь рассеивать тепло от компьютера. [30] Центры обработки данных обычно используют более сложные решения для охлаждения, чтобы поддерживать рабочую температуру всего центра безопасной. Системы с воздушным охлаждением чаще встречаются в небольших или старых центрах обработки данных, в то время как иммерсионное жидкостное охлаждение (где каждый компьютер окружен охлаждающей жидкостью) и прямое охлаждение на чипе (где охлаждающая жидкость направляется на каждый компьютерный чип) могут быть более дорогими, но также более эффективными. [31] Большинство компьютеров спроектированы так, чтобы быть более мощными, чем их система охлаждения, но их длительная работа не может превышать возможности системы охлаждения. [32] Хотя производительность может быть временно увеличена, когда компьютер не горячий ( разгон ), [33] чтобы защитить оборудование от чрезмерного нагрева, система автоматически снизит производительность или выключит процессор, если это необходимо. [32] Процессоры также отключаются или переходят в режим пониженного энергопотребления, когда они неактивны, чтобы уменьшить тепловыделение. [34] Подача питания, а также рассеивание тепла являются наиболее сложными аспектами проектирования оборудования, [35] и были ограничивающим фактором для разработки более мелких и быстрых чипов с начала двадцать первого века. [34] Увеличение производительности требует соразмерного увеличения потребления энергии и потребности в охлаждении. [36]
Персональный компьютер является одним из наиболее распространенных типов компьютеров благодаря своей универсальности и относительно низкой цене.
.jpg/1280px-IBM_System_Z9_(type_2094_front).jpg)
Виртуальное оборудование — это программное обеспечение, которое имитирует функции оборудования; оно обычно используется в инфраструктуре как услуге (IaaS) и платформе как услуге (PaaS). [45]
Встроенные системы имеют наибольший разброс по вычислительной мощности и стоимости: от 8-битного процессора, который может стоить менее 0,10 долл . США, до более мощных процессоров, способных выполнять миллиарды операций в секунду и стоимостью более 100 долл. США. Стоимость является особой проблемой для этих систем, поскольку проектировщики часто выбирают самый дешевый вариант, который удовлетворяет требованиям производительности. [46]
Корпус компьютера заключает в себе большинство компонентов настольной компьютерной системы. Он обеспечивает механическую поддержку и защиту внутренних элементов, таких как материнская плата, дисководы и блок питания, а также управляет и направляет поток охлаждающего воздуха по внутренним компонентам. Корпус также является частью системы для управления электромагнитными помехами, излучаемыми компьютером, и защищает внутренние детали от электростатического разряда. Большие корпуса Tower предоставляют место для нескольких дисководов или других периферийных устройств и обычно стоят на полу, в то время как корпуса Desktop предоставляют меньше места для расширения. Конструкции в стиле «все в одном» включают видеодисплей, встроенный в тот же корпус. Портативные и ноутбуки требуют корпусов, которые обеспечивают защиту устройства от ударов. Любители могут украшать корпуса цветными огнями, краской или другими элементами в рамках занятия, называемого моддингом корпуса .
Большинство блоков питания персональных компьютеров соответствуют стандарту ATX и преобразуют переменный ток (AC) напряжением от 120 до 277 вольт, подаваемый из розетки , в постоянный ток (DC) с гораздо более низким напряжением: обычно 12, 5 или 3,3 вольта. [47]
Материнская плата является основным компонентом компьютера. Это плата с интегральной схемой , которая соединяет другие части компьютера, включая ЦП , ОЗУ , дисководы ( CD , DVD , жесткий диск или любые другие), а также любые периферийные устройства, подключенные через порты или слоты расширения . Микросхемы интегральных схем (ИС) в компьютере обычно содержат миллиарды крошечных полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы). [48]
Компоненты, непосредственно подключенные к материнской плате или являющиеся ее частью, включают в себя:
Плата расширения в вычислительной технике — это печатная плата, которая может быть вставлена в слот расширения материнской платы компьютера или объединительной платы для добавления функциональности в компьютерную систему через шину расширения. Платы расширения могут использоваться для получения или расширения функций, не предлагаемых материнской платой. [ необходима цитата ] Использование плат расширения для видеопроцессора раньше было обычным делом, но современные компьютеры, скорее всего, вместо этого имеют графический процессор, интегрированный в материнскую плату. [61]
Большинство компьютеров также имеют внешнюю шину данных для подключения периферийных устройств к материнской плате. Чаще всего используется универсальная последовательная шина (USB). [62] В отличие от внутренней шины, внешняя шина подключается с помощью контроллера шины, который позволяет периферийной системе работать на другой скорости, чем ЦП. [62] Устройства ввода и вывода используются для получения данных из внешнего мира или записи данных соответственно. Обычные примеры включают клавиатуры и мыши (ввод), а также дисплеи и принтеры (вывод). Контроллеры сетевых интерфейсов используются для доступа в Интернет . [63] USB-порты также позволяют подавать питание на подключенные устройства — стандартный USB подает питание при 5 вольтах и до 500 миллиампер (2,5 Вт ), в то время как порты USB с питанием и дополнительными контактами могут обеспечивать подачу большего количества питания — до 6 ампер при 24 В. [64]
Мировой доход от компьютерного оборудования в 2023 году достигнет 705,17 млрд долларов. [65]
Поскольку компьютерные детали содержат опасные материалы, растет движение за переработку старых и устаревших деталей. [66] Компьютерное оборудование содержит опасные химические вещества, такие как свинец, ртуть, никель и кадмий. Согласно Агентству по охране окружающей среды, эти электронные отходы оказывают вредное воздействие на окружающую среду, если они не утилизированы должным образом. Производство оборудования требует энергии, а переработка деталей уменьшит загрязнение воздуха , загрязнение воды, а также выбросы парниковых газов. [67] Утилизация несанкционированного компьютерного оборудования фактически является незаконной. Законодательство делает обязательной переработку компьютеров через одобренные правительством объекты. Переработку компьютера можно упростить, извлекая определенные повторно используемые детали. Например, оперативную память , DVD-привод, видеокарту , жесткий диск или SSD и другие подобные съемные детали можно использовать повторно.
Многие материалы, используемые в компьютерном оборудовании, могут быть восстановлены путем переработки для использования в будущем производстве. Повторное использование олова , кремния , железа , алюминия и различных пластиков , которые присутствуют в больших количествах в компьютерах или другой электронике, может снизить затраты на создание новых систем. Компоненты часто содержат медь , золото , тантал , [68] [69] серебро , платину , палладий и свинец , а также другие ценные материалы, пригодные для переработки. [70] [71]
Центральный процессор содержит много токсичных материалов. Он содержит свинец и хром в металлических пластинах. Резисторы, полупроводники, инфракрасные детекторы, стабилизаторы, кабели и провода содержат кадмий. Печатные платы в компьютере содержат ртуть и хром. [72] Если эти типы материалов и химикатов утилизировать неправильно, они станут опасными для окружающей среды.
Когда побочные продукты электронных отходов выщелачиваются в грунтовые воды, сжигаются или неправильно используются во время переработки, это наносит вред. Проблемы со здоровьем, связанные с такими токсинами, включают нарушение умственного развития, рак и повреждение легких, печени и почек. [73] Компоненты компьютеров содержат много токсичных веществ, таких как диоксины , полихлорированные бифенилы (ПХБ), кадмий , хром , радиоактивные изотопы и ртуть . Печатные платы содержат значительное количество свинцово-оловянных припоев, которые с большей вероятностью выщелачиваются в грунтовые воды или загрязняют воздух из-за сжигания. [74]
Переработка компьютерного оборудования считается экологически чистой, поскольку она предотвращает попадание опасных отходов , включая тяжелые металлы и канцерогены, в атмосферу, на свалки или в водные пути. Хотя электроника составляет небольшую часть от общего объема образующихся отходов, она гораздо более опасна. Существует строгое законодательство, призванное обеспечить и поощрять устойчивую утилизацию приборов, наиболее заметными из которых являются Директива Европейского союза об отходах электрического и электронного оборудования и Национальный закон США о переработке компьютеров. [75]
« Электронная переработка », переработка компьютерного оборудования, относится к пожертвованию, повторному использованию, измельчению и общему сбору использованной электроники. В общем смысле этот термин относится к процессу сбора, посредничества, разборки, ремонта и переработки компонентов или металлов, содержащихся в использованном или выброшенном электронном оборудовании, также известном как электронные отходы (электронные отходы). «Электронно-перерабатываемые» предметы включают, но не ограничиваются: телевизоры, компьютеры, микроволновые печи, пылесосы, телефоны и сотовые телефоны, стереосистемы, видеомагнитофоны и DVD-диски, практически все, что имеет шнур, свет или требует какой-либо батареи. [76]
Некоторые компании, такие как Dell и Apple , перерабатывают компьютеры своей марки или любой другой марки. В противном случае компьютер можно пожертвовать Computer Aid International , которая является организацией, которая перерабатывает и восстанавливает старые компьютеры для больниц, школ, университетов и т. д. [77]
Медиа, связанные с компьютерным оборудованием на Wikimedia Commons
Компьютерное оборудование в Wikibooks
Учебные материалы по компьютерному оборудованию в Викиверситете