Datora aparatūras apmācības: pilnīgs ceļvedis no nulles

Ja kādreiz esi domājis: "Es gribētu saprast..." Kā patiesībā darbojas datora aparatūra"Taču katra grāmata, ko atverat, izklausās pēc nesaprotamas informācijas, neuztraucieties: jūs neesat viens. Aparatūras pasaule var šķist akronīmu, skaitļu un elektrības jēdzienu juceklis, taču ar skaidru skaidrojumu un vienkāršiem piemēriem to kļūst daudz vieglāk saprast."

Šajā ceļvedī jūs atradīsiet pilnīgu apskatu par datora fiziskās sastāvdaļas, tā iekšējā valoda un tas, kā viss sader kopāSākot ar visvienkāršākajiem jēdzieniem (kas ir bits vai baits) un beidzot ar specifiskām sastāvdaļām, piemēram, mātesplati, RAM, CPU, portiem un cietajiem diskiem, aptverot tādus galvenos aspektus kā sistēmas ātrums, datu kopne un kešatmiņa. Tas ir izstrādāts tā, lai jūs to varētu lasīt sev ērtā laikā, nesteidzoties un bez jebkādām iepriekšējām zināšanām.

Kā dators sazinās: biti, baiti un mērvienību sistēmas

Lai saprastu datora aparatūru, jums jāsāk no sākuma: Dators "runā" tikai par elektrībuIekšēji viss ir atkarīgs no tā, vai miljoniem sīku slēdžu, kas integrēti mikroshēmās, ir strāva (1) vai nav (0).

Katru no šiem iespējamiem stāvokļiem, ieslēgtu vai izslēgtu, sauc par bits, mazākā informācijas vienība ko apstrādā dators. Bits var būt vērts tikai 0 vai 1, bet, saliekot vairākus bitus kopā, mēs sākam attēlot burtus, ciparus un simbolus.

Nākamais solis ir baits, 8 bitu grupaAr 8 slēdžiem (bitiem) mēs varam veidot daudzas dažādas nullīšu un vieninieku kombinācijas, un katrai kombinācijai tiek piešķirta rakstzīme. Piemēram, labi pazīstamajā ASCII kodā burtu A var attēlot ar noteiktu 8 bitu secību, piemēram, 10100001.

Nospiežot taustiņu uz tastatūras, dators "neredz" burtu kā tādu, bet gan saņem 0 un 1 kombinācija, kas atbilst šai atslēgaiAparatūra pārvērš jūsu taustiņsitienu bitos, un, pateicoties šai kodēšanas sistēmai, ekrānā tiek parādīts burts.

Tā kā baits ir pārāk mazs, lai mērītu lielu datu apjomu, tiek izmantoti tā daudzkārtņi. Visizplatītākās uzglabāšanas vienības Datorzinātnēs ir:

• 1 baits = 8 biti (rakstzīme, skaitlis vai atstarpe).
• 1 kilobaits (KB) = 1024 baiti.
• 1 megabaits (MB) = 1024 KB.
• 1 gigabaits (GB) = 1024 MB.
• 1 terabaits (TB) = 1024 GB.

Ievērojiet, ka vienmēr tiek izmantoti daudzkārtņi 1024, nevis 1000Piemēram, 1 KB dokuments faktiski aizņem 1024 rakstzīmes, ieskaitot burtus, ciparus, simbolus un atstarpes.

Papildus ietilpībai, aparatūrā daudz tiek runāts arī par datu pārraides ātrumsŠeit redzēsiet tādas mērvienības kā B/s, KB/s, MB/s vai GB/s (baiti sekundē). Dažreiz jūs atradīsiet arī bitus sekundē (b/s, Kbps, Mbps), kas ir 8 reizes mazākas nekā vērtības baitos sekundē, jo 1 baits ir 8 biti.

Ideja par biežumsko mēra hercos (Hz, MHz, GHz). Komponents, kas darbojas ar 1 MHz frekvenci, veic vienu darbību miljons reižu sekundē. Mūsdienu procesoros mēs runājam par gigaherciem (GHz), tas ir, miljardiem ciklu sekundē.

Kas nosaka datora faktisko ātrumu

Kad kāds saka: "Šis dators ir ļoti ātrs", viņš parasti skatās tikai uz procesoru, bet patiesībā... Datora ātrums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem kopā.Mikrofons ir svarīgs, jā, bet tas nav vienīgais.

Pirmkārt, ir iekšējo bitu skaits, ar kuru darbojas centrālais procesorsTas norāda, cik daudz informācijas tas var apstrādāt vienlaikus (tā iekšējā joslas platums). Iepriekš bija 16 bitu vai 32 bitu procesori; mūsdienās praktiski visi mājas datori ir 64 bitu, kas ļauj vienlaikus apstrādāt vairāk datu un labāk izmantot atmiņu (sk. veiktspējas salīdzinājums).

Otrais galvenais faktors ir darbības frekvence vai mašīnas ciklsDatora iekšpusē ir "pulkstenis", kas nosaka instrukciju izpildes ātrumu. Piemēram, 2 GHz procesors spēj veikt aptuveni 2.000 miljardus ciklu sekundē. Jo augstāka frekvence, jo vairāk instrukciju sekundē... ar nosacījumu, ka pārējā sistēma turpina darboties.

Būtiska ietekme ir arī šādiem faktoriem datu kopnesTie ir "šosejas", pa kurām informācija pārvietojas no viena komponenta uz otru (centrālo procesoru, operatīvo atmiņu, disku, grafikas karti utt.). Jo platāka ir kopne (jo vairāk bitu tā var vienlaikus pārvadīt) un jo augstāka ir tās frekvence, jo vienmērīgāka būs datu plūsma datorā.

Izmantojot lauksaimniecības analoģiju, tas ir kā kombains: ja tas katrā braucienā var nopļaut vairākas kukurūzas rindas un izkraut tās lielās, ātrās kravas automašīnās, darbs tiek paveikts ātrāk. Ja autobusi būtu šauri vai lēni, Sastrēgumi veidotos pat tad, ja procesors būtu ļoti jaudīgs.

Rezumējot, komandas kopējo ātrumu nosaka šādu faktoru kombinācija:

• Iekšējo bitu skaits mikroprocesora (iekšējā joslas platums).
• Darba biežums procesora frekvence (MHz vai GHz).
• Datu kopnes ātrums un platums kas savieno komponentus.
• Cietā diska veiktspēja vai SSD disks un mātesplates mikroshēmojumu.
• RAM apjoms un ātrums.

Korpuss, barošanas bloks un mātesplate

Katrs galddators sākas ar tornis vai korpuss ar pietiekamu vietu un ventilācijuKorpusa izmērs nosaka, cik nodalījumu un slotu būs nepieciešams atmiņas disku, ventilatoru un citu komponentu uzstādīšanai.

Kastes iekšpusē mēs atradām barošanas avotsBarošanas avots pārveido maiņstrāvu no elektrotīkla (piemēram, 220 V) zemākā, stabilākā spriegumā, ko dators var izmantot, parasti +5 V un +12 V. Labs barošanas avots ir ļoti svarīgs iekārtu stabilitātei un neparedzētu problēmu novēršanai, ko izraisa nepietiekama jauda vai sprieguma svārstības.

Centrālā sastāvdaļa, kur praktiski viss savienojas, ir mātesplateMātesplatē atrodas procesors, RAM, paplašināšanas kartes, SATA savienotāji cietajiem diskiem, USB porti, BIOS, mikroshēmojums un daudzas citas sastāvdaļas. Mātesplatei ir jābūt saderīgai ar procesoru (ligzdas tips utt.). mātesplates saderība, atmiņas atbalsts utt.).

Uz šķīvja atradīsiet dažādus paplašināšanas slotikas ir plastmasas savienotāji ar metāla kontaktiem, kuros tiek ievietotas kartes:

• PCI un PCIe slotiMūsdienu standarts. Lielākā daļa pašreizējo karšu, tostarp 3D grafikas kartes, tiek pievienotas PCI Express (PCIe). Tās ir ātrākas un pieejamas dažādos izmēros (x1, x4, x8, x16) atkarībā no kontaktu skaita un datu joslām.
• DIMM slotiRAM atmiņas moduļiem. Vecākas SIMM kartes tagad ir novecojušas.
• SATA savienotāji: modernu cieto disku un optisko diskdziņu savienošanai, izmantojot SATA kabeļus.
• IDE savienotāji: vecais PATA disku standarts, kas mūsdienu datoros praktiski vairs nepastāv.

Papildus slotiem mātesplatē ir integrētas dažādas autovadītāji vai kontrolleri, kas pārvalda datu plūsmu starp centrālo procesoru, operatīvo atmiņu, diskiem un perifērijas ierīcēm. Iepriekš bija daudz atsevišķu kontrolleru; mūsdienās lielākā daļa ir sagrupēti chipset.

El chipset Tā ir mikroshēmojumu kopa, kas nosaka, kā mikroprocesors, atmiņa, kešatmiņa, USB porti, PCIe kopnes utt. sazinās savā starpā. Tās kvalitāte un raksturlielumi ietekmē tādus faktorus kā:

• Faktiskā veiktspēja, ko iegūstat no centrālā procesora (CPU).
• Maksimālā operatīvās atmiņas ietilpība ko var uzstādīt.
• Saderība ar mūsdienu tehnoloģijām (RAM veidi, disku veidi, uzlabotas pieslēgvietas).
• Iespēja veikt uzlabojumus nākotnē un noteiktu procesoru atbalsts.

Atmiņa: ROM, BIOS, RAM, kešatmiņa un virtuālā atmiņa

Datoram nav tikai viena veida atmiņa, bet gan vairāki, katram ar savu funkciju. To izpratne ļoti palīdz saskatīt Kāpēc mans dators dažreiz darbojas ātri, bet citreiz lēni?.

Vecais ROM atmiņa (tikai lasāma atmiņa) Tā bija tikai lasāma atmiņa, kurā ražotājs glabāja pamata sistēmas sāknēšanas un konfigurācijas instrukcijas. Tās saturs netika dzēsts, izslēdzot datoru. Mūsdienās šo lomu gandrīz pilnībā uzņemas BIOS/UEFI.

La BIOS (pamata ievades/izvades sistēma) Tā ir programma, kas tiek glabāta mikroshēmā mātesplatē. Tā darbojas, tiklīdz dators tiek ieslēgts, nosaka atmiņu, diskus, centrālo procesoru un citas ierīces un veic sākotnējās pārbaudes pirms... ielādēt operētājsistēmuDaļu no tās konfigurācijas lietotājs var mainīt (sāknēšanas secība, aparatūras parametri utt.).

Lai nodrošinātu, ka BIOS saglabā savus iestatījumus pat tad, kad dators ir izslēgts, mātesplatē ir baterija vai mazs akumulatorsKad šī baterija izlādējas, datuma, laika vai sāknēšanas iestatījumi sāk zust, un tā parasti ir zīme, ka tā ir jānomaina.

La operatīvā atmiņa jeb RAM (brīvpiekļuves atmiņa) Tā ir vieta, kur dators īslaicīgi glabā pašlaik izmantotos datus un programmas. Tā ir ātra atmiņa, bet nepastāvīga: kad dators tiek izslēgts, viss tā saturs tiek dzēsts.

Izvēloties RAM, ir svarīgi pievērst uzmanību tās ietilpība (piemēram, 8 GB, 16 GB, 32 GB) un tā pārsūtīšanas ātrumā, kas parasti tiek izteikts MHz vai izmantojot DDR nomenklatūru (DDR2, DDR3, DDR4…). Jo ātrāka un plašāka ir komunikācija starp RAM un CPU, jo ātrāk reaģēs sistēma.

Ja instalējat vairākus RAM moduļus ar atšķirīgu ātrumu, Visi strādās ar lēnākā cilvēka ātrumu.Tāpēc vislabāk ir izmantot līdzīgus moduļus. Oriģinālā DRAM un agrīnā DDR atmiņa vairs netiek izmantota; mūsdienās norma ir DDR3, DDR4 vai jaunāka versija.

Papildus galvenajai operatīvajai atmiņai procesoriem ir kešatmiņas atmiņaĪpaša veida ļoti ātra atmiņa, kas atrodas centrālā procesora iekšpusē vai ļoti tuvu tam. Tajā tiek glabāti bieži izmantotie dati un instrukcijas, tādējādi izvairoties no nepieciešamības pastāvīgi piekļūt lēnākajai RAM.

Mēs varam iztēloties kešatmiņu kā ziņojumu dēlis, kurā ievietojat piezīmes, kuras vienmēr konsultējatJa meklētais ir pieejams, jūs to izlasāt uzreiz; ja nē, jums jāiet uz kešatmiņu (RAM), kas aizņem ilgāku laiku. Pateicoties kešatmiņai, centrālais procesors var darboties ar ātrumu, kas ir ļoti tuvu tā maksimālajai frekvencei.

Ir vairāki kešatmiņas līmeņi:

• L1 kešatmiņaĀtrākā un mazākā atmiņas mikroshēma, kas atrodas blakus katram centrālā procesora kodolam. Tās tipiskais izmērs ir no 256 KB līdz 512 KB vai 1 MB uz kodolu.
• L2 kešatmiņanedaudz lēnāks un lielāks, no dažiem simtiem KB līdz vairākiem MB.
• L3 kešatmiņalielāks (no dažiem līdz desmitiem MB) un nedaudz lēnāks nekā L1 un L2, bet joprojām daudz ātrāks nekā RAM.

Kad RAM sāk beigties, Operētājsistēma rezervē daļu cietā diska, lai simulētu papildu atmiņu. Ja fiziskā RAM neietilpst, Windows (vai cita sistēma) pārvieto nesen neizmantotos datus uz cieto disku.

Tas ļauj turpināt atvērt programmas pat tad, ja nav pietiekami daudz RAM, taču tas ir dārgi: Cietais disks ir daudz lēnāks nekā RAMJa virtuālā atmiņa tiek pārslogota, dators kļūst lēns, jo tas pastāvīgi apmaina datus starp RAM un disku (lappušu failu).

Virtuālās atmiņas lieluma konfigurēšana ir iespējama no papildu sistēmas opcijām, taču reāls risinājums intensīvai lietošanai ir instalēt vairāk fiziskās RAM, nevis paļaujoties uz disku kā ielāpu.

Mikroprocesors (CPU) un tā dzesēšanas sistēma

El mikroprocesors vai centrālais procesors Tas ir datora "smadzenes". Tas ir atbildīgs par aprēķinu veikšanu un citu komponentu darbības koordinēšanu, datu lasīšanu no RAM vai kešatmiņas un instrukciju izpildi vienu pēc otras pilnā ātrumā.

Iekšēji centrālais procesors galvenokārt sastāv no diviem funkcionāliem blokiem:

• Aritmētiskā loģiskā vienība (ALU): veic matemātiskas darbības (saskaitīšanu, atņemšanu, reizināšanu, dalīšanu) un loģiskas darbības (salīdzinājumus, nosacījumus, piemēram, "JA tas, tad tas").
• Kontroles vienībaTā ir atbildīga par instrukciju izpildes secības noteikšanu, to, kādi dati tiek lasīti vai rakstīti, un to, kā informācija plūst procesorā.

Izvēloties procesoru, jāņem vērā vairāki svarīgi aspekti: CPU tips un saime (Intel, AMD, noteikts diapazons), (fiziskā ligzda, mikroshēmojums), darbības frekvence, kodolu skaits, 64 bitu atbalsts un iekšējās kešatmiņas lielums.

CPU rada daudz siltuma, īpaši strādājot augstās frekvencēs, tāpēc labs dzesētājs ir būtisks. izkliedes un ventilācijas sistēmaParasti metāla radiatoru uzstāda tiešā saskarē ar procesoru un ventilatoru augšpusē, kas izvada siltumu.

Ja procesora frekvence tiek palielināta virs specifikācijas (pārslogošana), temperatūra vēl vairāk paaugstināsUn, ja dzesēšana nav pietiekama, var rasties avārijas, kļūdas un samazināts komponentu kalpošanas laiks. Tāpēc termopasta un pareiza ventilatora uzstādīšana nav tikai greznība, bet gan būtiska.

Porti, savienojumi un datu pārraide

Lai dators varētu sazināties ar ārpasauli, tam ir nepieciešams ieplūdes un izplūdes portiTie ir fiziskie savienotāji, kur mēs pievienojam peles, tastatūras, monitorus, printerus, ārējos diskus, tīklus utt.

Daži no visizplatītākajiem, ko var atrast mūsdienu datorā, ir:

• Audio porti (RCA vai minijack)Mikrofonu, skaļruņu un citu skaņas ierīču ieejas un izejas. Katra krāsa parasti norāda funkciju (izeja, līnijas ieeja, mikrofons utt.).
• PS/2 portiVeci apaļi savienotāji tastatūrai un pelei. Praktiski novecojuši, aizstāti ar USB.
• USB ports (universālā seriālā kopne)USB ir faktiskais standarts gandrīz visu veidu perifērijas ierīcēm. Tas atbalsta karstās nomaiņas (plug and play) funkciju, tāpēc ierīces var pievienot un atvienot, kamēr dators ir ieslēgts. Tādas versijas kā USB 1.1, 2.0, 3.0 un jaunākas atšķiras pēc ātruma: jo lielāks skaitlis, jo ātrāka pārsūtīšana.
• Ethernet ports (RJ45): vadu tīkla savienotājs piekļuvei internetam vai lokālajiem tīkliem.
• Ārējie SATA porti: izmanto, lai pievienotu ārējos cietos diskus, kas ir saderīgi ar šo standartu.
• FireWire ports (IEEE 1394): paredzēts ātrai datu pārraidei, savā laikā plaši izmantots digitālajām videokamerām.
• VGA, DVI un HDMI savienotājiVideo izejas monitoriem un projektoriem. VGA ir analoga un vecāka; DVI piedāvā digitālu kvalitāti; HDMI ir kļuvis par visplašāk izmantoto, jo tas pārraida augstas izšķirtspējas digitālo audio un video pa vienu un to pašu kabeli ar lielu joslas platumu.

Papildus fiziskajām pieslēgvietām mūsdienu klēpjdatori un datori ir pilni ar... bezvadu tehnoloģijas piemēram, infrasarkano savienojumu (vecāks), Bluetooth vai Wi-Fi. Tie ļauj datus pārraidīt bezvadu režīmā, izmantojot elektromagnētiskos viļņus vai gaismu, ar uztvērējiem un antenām, kas integrētas pašā platē vai kā pievienojamās kartes.

Perifērijas ierīces un atmiņas ierīces

L perifērijas ierīces Tās ir visas ārējās ierīces, kas tiek savienotas ar datoru, lai sazinātos ar to vai paplašinātu tā iespējas: tastatūras, peles, printeri, skeneri, skaļruņi, kameras utt. Tās var būt ievades ierīces (pele, tastatūra), izvades ierīces (monitors, printeris) vai ievades un izvades ierīces (skārienekrāni, ārējie cietie diski, daudzfunkcionālie printeri).

Runājot par iekšējo atmiņu, zvaigžņu komponents ir cietais disksTradicionāli tika izmantoti magnētiskie disku diskdziņi (HDD), kas sastāv no vairākām alumīnija plāksnēm, kas pārklātas ar magnetizējamu materiālu un kuras rotē lielā ātrumā noslēgtā korpusā.

Šie ēdieni ir sadalīti koncentriskas sliedeskas savukārt tiek sadalīti sektori (parasti 512 baiti). Vairāki sektori kopā veido kopa jeb piešķiršanas vienība, kas ir mazākā diska vietas daļa, kas rezervēta failam.

Ja klastera lielums ir 4 KB un saglabājat failu tikai 1 KB lielumā, Tas faktiski aizņems 4 KB diskāJa tas aizņem 5 KB, tas izmantos divus klasterus (8 KB). Tāpēc ir svarīgi, lai klastera izmērs nebūtu pārāk liels, lai netērētu vietu ar maziem failiem.

Izvēloties klasisko cieto disku, ir svarīgas divas lietas: tā ietilpība GB vai TB un griešanās ātrumsVecākie modeļi griezās ar ātrumu 3.600 apgr./min, pēc tam populāri kļuva modeļi ar 7.200 apgr./min, un ir vēl ātrāki modeļi ar 10 000 apgr./min vai vairāk, kas paredzēti prasīgām vajadzībām.

Gadiem ilgi cietie diski un saskarnes pastāvēja līdzās. IDE/EIDE/ATA un diski SCSI vai FireWireIDE ir izzudusi par labu SATA standartiem, savukārt SCSI un FireWire ir palikuši specializētākām vidēm vai ir aizstāti ar citām tehnoloģijām.

Mūsdienās tie ir arī ļoti izplatīti SSD diskdziņiŠīs funkcijas, kas oriģinālajā tekstā netika detalizēti aprakstītas, bet ir pieminēšanas vērtas, glabā datus zibatmiņas mikroshēmās, nevis rotējošās plāksnēs, piedāvājot daudz īsāku piekļuves laiku un lasīšanas/rakstīšanas ātrumu, kas ir daudz pārāks par tradicionālajiem mehāniskajiem diskiem.

Attiecībā uz optiskajiem datu nesējiem daudzi torņi joprojām ietver CD/DVD lasītāji un rakstītājiTie atšķiras ar lasīšanas, rakstīšanas un pārrakstīšanas ātrumu, kas tiek izteikts kā skaitlis, kam seko "x" (piemēram, 52x/24x/52x). DVD piedāvā arī dažādus ātrumus kompaktdiskiem un DVD diskiem, kā arī iespēju ierakstīt [trūkst konfigurācijas]. dubultslānis, kas praktiski divkāršo diska ietilpību.

Vēl viens interesants ierakstītāju parametrs ir iekšējā bufera lielumsNeliela atmiņa, kurā dati tiek glabāti ierakstīšanas laikā. Ja dators uz brīdi pārtrauc datu sūtīšanu, disks izmanto šo buferi, lai nepārtrauktu ierakstīšanu un novērstu kļūdas.

Monitori un ekrāni

Datora vizuālais attēls tiek parādīts ekrānā. monitorsUn arī šeit ir vairāki svarīgi aparatūras jēdzieni. Pirmie populāri kļuva CRT (kineskopiskie) monitori; to kvalitāte bija atkarīga no izmēra collās, izšķirtspējas un atsvaidzes intensitātes (cik reižu sekundē attēls tiek "pārzīmēts").

Ļoti zema atsvaidzes intensitāte (piemēram, 60 Hz) var izraisīt acu nogurumu un manāmu mirgošanu, savukārt ar augstāku frekvenci attēls izskatās stabilāks. Laika gaitā kineskopu displeji pakāpeniski ir devuši vietu plakanā ekrāna displejiem.

the TFT/LCD ekrāni Tie darbojas, izmantojot šķidro kristālu tehnoloģiju, un piedāvā daudz plānāku un vieglāku dizainu. Šāda veida monitoros svarīgs kļūst sekojošais: reakcijas laiks, kas ir laiks, kas nepieciešams pikselim, lai mainītos no viena stāvokļa uz citu. Vērtības, kas mazākas par 20 ms, tiek uzskatītas par pieņemamām, lai izvairītos no svītrām ātrās kustībās.

Šiem ekrāniem ir arī dzimtā izšķirtspēja (piemēram, 1920 × 1080). Ja tiek izmantotas dažādas izšķirtspējas, attēls tiek mainīts un var zaudēt skaidrību. Izvēloties monitoru, ieteicams ņemt vērā paneļa tipu, maksimāli atbalstīto izšķirtspēju, reakcijas laiku, atsvaidzes intensitāti (spēļu modeļos) un pikseļu soli jeb pikseļu blīvumu.

Nozare turpina virzīties uz tādām tehnoloģijām kā LED, OLED, 3D ekrāni un augstas izšķirtspējas televizorikas uzlabo kontrastu, krāsu atveidi un energoefektivitāti, lai gan šīs detaļas vairāk pieder plaša patēriņa elektronikas, nevis pamata datoru aparatūras jomai.

Galu galā, aplūkojot atvērtu galddatoru, jūs redzat tikai dažādas daļas, kas kopā veido sistēmu: Tornis, kas nodrošina telpu un ventilāciju, barošanas bloks, kas nodrošina stabilu enerģiju, mātesplate, kas savieno visu, centrālais procesors, kas pasūta un aprēķina, operatīvā atmiņa un kešatmiņa, kas piegādā datus procesoram, diski, kuros glabājas jūsu informācija, grafikas karte un monitors, kas to jums parāda, un porti un perifērijas ierīces, kas ļauj jums mijiedarboties.Izpratne par katru no šīm daļām un to savstarpējo saistību ir vistiešākais veids, kā apgūt aparatūru no nulles, bez nepieciešamības būt inženierim vai iziet neiespējamus kursus.