Hardware pentru computer - Computer hardware

Placă CPU PDP-11

Hardware-ul computerului include părțile fizice ale unui computer , cum ar fi carcasa , unitatea centrală de procesare (CPU), monitorul , mouse-ul , tastatura , stocarea datelor computerului , placa grafică , placa de sunet , difuzoarele și placa de bază .

În schimb, software-ul este setul de instrucțiuni care pot fi stocate și rulate de hardware. Hardware-ul este așa numit deoarece este „ greu ” sau rigid în ceea ce privește modificările, în timp ce software-ul este „moale”, deoarece este ușor de schimbat.

Hardware-ul este de obicei direcționat de software pentru a executa orice comandă sau instrucțiune . O combinație de hardware și software formează un sistem de calcul utilizabil , deși alte sisteme există doar cu hardware.

Arhitectura Von Neumann

Schema de arhitectură Von Neumann

Șablonul pentru toate computerele moderne este arhitectura Von Neumann , detaliată într-o lucrare din 1945 a matematicianului maghiar John von Neumann . Aceasta descrie o arhitectură de proiectare pentru un computer digital electronic cu subdiviziuni ale unei unități de procesare constând dintr-o unitate logică aritmetică și registre de procesor , o unitate de control care conține un registru de instrucțiuni și un contor de programe , o memorie pentru stocarea atât a datelor, cât și a instrucțiunilor , stocare în masă externă , și mecanisme de intrare și ieșire . Înțelesul termenului a evoluat pentru a însemna un computer cu program stocat, în care o preluare de instrucțiuni și o operație de date nu pot avea loc în același timp, deoarece acestea împărtășesc un autobuz comun . Aceasta este denumită blocaj Von Neumann și limitează adesea performanța sistemului.

Tipuri de sisteme informatice

Calculator personal

Componente hardware de bază ale unui computer personal, inclusiv un monitor , o placă de bază , un procesor , o memorie RAM , două carduri de expansiune , o sursă de alimentare , o unitate de disc optic , o unitate de disc , o tastatură și un mouse
În interiorul unui computer personalizat: sursa de alimentare din partea de jos are propriul ventilator de răcire

Calculatorul personal este una dintre cele mai comune tipuri de calculator datorita versatilitatii sale și prețul relativ scăzut. Computerele personale de birou au un monitor , o tastatură , un mouse și o carcasă pentru computer . Carcasa computerului conține placa de bază , unitățile de disc fixe sau amovibile pentru stocarea datelor, sursa de alimentare și poate conține alte dispozitive periferice, cum ar fi modemuri sau interfețe de rețea. Unele modele de computere desktop au integrat monitorul și tastatura în aceeași carcasă cu procesorul și sursa de alimentare. Separarea elementelor permite utilizatorului să aranjeze componentele într-o matrice plăcută și confortabilă, în detrimentul gestionării cablurilor de alimentare și de date între ele.

Laptopurile sunt proiectate pentru portabilitate, dar funcționează similar cu computerele desktop. Aceștia pot utiliza componente de putere redusă sau de dimensiuni reduse, cu performanțe mai mici decât un computer desktop cu un preț similar. Laptopurile conțin tastatura, afișajul și procesorul într-un singur caz. Monitorul din capacul superior rabatabil al carcasei poate fi închis pentru transport, pentru a proteja ecranul și tastatura. În loc de mouse, laptopurile pot avea un touchpad sau un stick de indicare .

Tabletele sunt computer portabil care utilizează un ecran tactil ca dispozitiv principal de intrare. Tabletele cântăresc în general mai puțin și sunt mai mici decât laptopurile.

Unele tablete includ tastaturi rabatabile sau oferă conexiuni la tastaturi externe separate. Unele modele de computere laptop au o tastatură detașabilă, care permite configurarea sistemului ca tabletă cu ecran tactil. Uneori sunt denumiți „laptopuri detașabile 2-în-1” sau „hibrizi tablet-laptop”.

Caz

Carcasa computerului cuprinde majoritatea componentelor sistemului. Oferă suport și protecție mecanică pentru elementele interne, cum ar fi placa de bază, unitățile de disc și sursele de alimentare, și controlează și direcționează fluxul de aer de răcire peste componentele interne. Carcasa face parte, de asemenea, din sistemul de control al interferențelor electromagnetice radiate de computer și protejează părțile interne de descărcările electrostatice. Carcasele turn mari oferă spațiu pentru mai multe unități de disc sau alte periferice și, de obicei, stau pe podea, în timp ce carcasele desktop oferă mai puțină cameră de expansiune. Designurile de stil all-in-one includ un afișaj video încorporat în aceeași carcasă. Computerele portabile și laptopurile necesită carcase care oferă protecție la impact pentru unitate. Pasionații pot decora carcasele cu lumini colorate, vopsea sau alte caracteristici, într-o activitate numită carcasă modding .

Alimentare electrică

O unitate de alimentare (PSU) convertește puterea electrică de curent alternativ (AC) în curent continuu de joasă tensiune (DC) pentru computer. Laptopurile pot rula cu baterie reîncărcabilă încorporată. Alimentatorul utilizează de obicei o sursă de alimentare în modul comutat (SMPS), cu MOSFET-uri de putere ( tranzistoare cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor ) utilizate în convertoarele și circuitele de reglare ale SMPS.

Placă de bază

Placă de bază pentru computer

Placa de bază este componenta principală a unui computer. Este o placă cu circuite integrate care conectează celelalte părți ale computerului, inclusiv CPU , RAM , unitățile de disc ( CD , DVD , hard disk sau orice altele), precum și orice periferice conectate prin porturi sau sloturile de expansiune. . De circuit integrat (IC) , chips - uri într - un calculator conțin de obicei de miliarde de mici tranzistori de metal-oxid-semiconductor cu efect de câmp (MOSFETs).

Componentele atașate direct la sau la o parte a plăcii de bază includ:

  • CPU (unitate centrală de procesare), care efectuează cele mai multe calcule care permit unui computer să funcționeze, și este menționată ca creierul computerului. Acesta preia instrucțiunile programului din memoria cu acces aleator (RAM), le interpretează și le procesează și apoi trimite înapoi rezultatele, astfel încât componentele relevante să poată îndeplini instrucțiunile. CPU este un microprocesor , care este fabricat pe un cip de circuit integrat (IC) metal – oxid – semiconductor (MOS) . De obicei, este răcit de un radiator și ventilator sau de un sistem de răcire cu apă. Cele mai noi CPU includ o unitate de procesare grafică (GPU). Viteza de ceas a procesorului guvernează cât de repede execută instrucțiunile și se măsoară în GHz; valorile tipice se situează între 1 GHz și 5 GHz. Multe computere moderne au opțiunea de overclockare a procesorului, ceea ce îmbunătățește performanța în detrimentul unei ieșiri termice mai mari și, astfel, a unei necesități de răcire îmbunătățită.
  • Chipset , care include puntea nord , mediază comunicarea între CPU și celelalte componente ale sistemului, inclusiv memoria principală; precum și podul sudic , care este conectat la podul nordic și suportă interfețe și autobuze auxiliare; și, în cele din urmă, un cip Super I / O , conectat prin podul sudic, care acceptă cele mai lente și mai vechi componente precum porturile seriale , monitorizarea hardware și controlul ventilatorului .
  • Memorie cu acces aleatoriu (RAM), care stochează codul și datele care sunt accesate în mod activ de CPU. De exemplu, atunci când un browser web este deschis pe computer, acesta preia memorie; aceasta este stocată în memoria RAM până când browserul web este închis. Este de obicei un tip de RAM dinamică (DRAM), cum ar fi DRAM sincron (SDRAM), în care cipurile de memorie MOS stochează date pe celule de memorie formate din MOSFET-uri și condensatori MOS . Memoria RAM vine de obicei pe module de memorie dual-line (DIMM) în dimensiunile de 2 GB, 4 GB și 8 GB, dar poate fi mult mai mare.
  • Memorie read-only (ROM), care stochează BIOS - ul care rulează când computerul este pornit sau începe în alt mod executarea, un proces cunoscut sub numele de Bootstrapping sau „ booting ” sau „booting up”. ROM-ul este de obicei un cip de memorie BIOS nevolatil , care stochează date pe celule de memorie MOSFET cu poartă mobilă .
  • Autobuze care conectează CPU la diverse componente interne și pentru a extinde cardurile pentru grafică și sunet.
  • CMOS (complementare MOS) baterie , care alimentează memoria CMOS pentru data și ora în chip BIOS. Această baterie este în general o baterie de ceas .
  • Placa video (cunoscută și sub numele de placă grafică), care procesează grafica computerizată. Plăcile grafice mai puternice sunt mai potrivite pentru a face față sarcinilor extenuante, cum ar fi jocurile video intensive sau rularea unui software grafic pe computer . O placă video conține o unitate de procesare grafică (GPU) și memorie video (de obicei un tip de SDRAM ), ambele fabricate pe circuite integrate MOS (MOS IC).
  • MOSFET - urile de putere alcătuiesc modulul regulator de tensiune (VRM), care controlează câtă tensiune primesc alte componente hardware.

Carduri de expansiune

O placă de expansiune în calcul este o placă cu circuite imprimate care poate fi introdusă într-un slot de expansiune al unei plăci de bază sau a unui plan de bază pentru a adăuga funcționalitate unui sistem de computer prin magistrala de expansiune. Cardurile de expansiune pot fi utilizate pentru a obține sau extinde caracteristici care nu sunt oferite de placa de bază.

Dispozitive de stocare

Un dispozitiv de stocare este orice hardware de calcul și suport digital care este utilizat pentru stocarea, portarea și extragerea fișierelor de date și a obiectelor. Poate păstra și stoca informații atât temporar, cât și permanent și poate fi intern sau extern unui computer, server sau orice alt dispozitiv de calcul similar. Stocarea datelor este o funcție de bază și o componentă fundamentală a computerelor.

Medii fixe

Datele sunt stocate de un computer folosind o varietate de suporturi. Unitățile de hard disk (HDD) se găsesc în aproape toate computerele mai vechi, datorită capacității lor ridicate și a costului redus, dar unitățile SSD (SSD) sunt mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic, deși în prezent sunt mai scumpe decât hard disk-urile în termeni de dolar pe gigabyte, deci se găsesc adesea în computerele personale construite după 2007. SSD-urile folosesc memoria flash , care stochează date pe cipurile de memorie MOS constând din celule de memorie MOSFET cu poartă mobilă . Unele sisteme pot utiliza un controler de matrice de discuri pentru o mai mare performanță sau fiabilitate.

Suporturi amovibile

Pentru a transfera date între computere, poate fi utilizat un dispozitiv de memorie flash extern (cum ar fi o cartelă de memorie sau o unitate flash USB ) sau un disc optic (cum ar fi un CD-ROM , DVD-ROM sau BD-ROM ). Utilitatea lor depinde de citirea de către alte sisteme; majoritatea mașinilor au o unitate de disc optic (ODD) și practic toate au cel puțin un port Universal Serial Bus (USB). În plus, stickurile USB sunt de obicei pre-formatate cu sistemul de fișiere FAT32 , care este acceptat pe scară largă în toate sistemele de operare .

Periferice de intrare și ieșire

Dispozitivele de intrare și ieșire sunt de obicei adăpostite extern la șasiul principal al computerului. Următoarele sunt fie standard, fie foarte comune pentru multe sisteme de calculatoare.

Dispozitiv de intrare

Dispozitivele de intrare permit utilizatorului să introducă informații în sistem sau să controleze funcționarea acestuia. Majoritatea computerelor personale au mouse și tastatură , dar sistemele laptop folosesc de obicei un touchpad în loc de mouse. Alte dispozitive de intrare includ camere web , microfoane , joystick-uri și scanere de imagini .

Dispozitiv de ieșire

Dispozitivele de ieșire sunt proiectate în jurul simțurilor ființelor umane. De exemplu, monitoarele afișează text care poate fi citit, difuzoarele produc sunet care poate fi auzit. Astfel de dispozitive pot include, de asemenea, imprimante sau un ștampilator Braille .

Calculator mainframe

Un computer mainframe este un computer mult mai mare care umple de obicei o cameră și poate costa de sute sau mii de ori mai mult decât un computer personal. Acestea sunt concepute pentru a efectua un număr mare de calcule pentru guverne și întreprinderi mari.

Un mainframe IBM System z9

Calcul departamental

În anii 1960 și 1970, tot mai multe departamente au început să utilizeze sisteme mai ieftine și dedicate în scopuri specifice, cum ar fi controlul proceselor și automatizarea laboratorului . Un minicomputer , sau colocvial mini , este o clasă de computere mai mici, dezvoltată la mijlocul anilor 1960 și vândută cu mult mai puțin decât computerele mainframe și mijlocii de la IBM și de la concurenții săi direcți.

Supercomputer

Un supercomputer este similar superficial cu un mainframe, dar este destinat în schimb sarcinilor de calcul extrem de solicitante. Începând din iunie 2020, cel mai rapid supercomputer din lista de supercomputer TOP500 este Fugaku , în Japonia, cu un scor de referință LINPACK de 415 PFLOPS, înlocuind cel de-al doilea cel mai rapid, Summit , din Statele Unite, cu aproximativ 294 PFLOPS.

Termenul de supercomputer nu se referă la o tehnologie specifică. Mai degrabă indică cele mai rapide calcule disponibile la un moment dat. La mijlocul anului 2011, cele mai rapide supercalculatoare se lăudau cu viteze care depășeau un petaflop sau 1 patrilion (10 ^ 15 sau 1.000 trilioane) de operații în virgulă mobilă pe secundă. Supercomputerele sunt rapide, dar extrem de costisitoare, deci sunt utilizate în general de organizațiile mari pentru a executa sarcini solicitante din punct de vedere al calculului, care implică seturi mari de date. Supercalculatoarele rulează de obicei aplicații militare și științifice. Deși costisitoare, acestea sunt utilizate și pentru aplicații comerciale în care trebuie analizate cantități uriașe de date. De exemplu, băncile mari folosesc supercalculatoare pentru a calcula riscurile și randamentele diferitelor strategii de investiții, iar organizațiile de asistență medicală le folosesc pentru a analiza baze de date gigantice de date despre pacienți pentru a determina tratamente optime pentru diferite boli și probleme care apar în țară.

Actualizare hardware

Când utilizați hardware pentru computer, o actualizare înseamnă adăugarea de hardware nou sau suplimentar la un computer care îi îmbunătățește performanța, îi mărește capacitatea sau adaugă noi caracteristici. De exemplu, un utilizator ar putea efectua o actualizare hardware pentru a înlocui unitatea hard disk cu una mai rapidă sau un SSD ( Solid State Drive ) pentru a obține o creștere a performanței. Utilizatorul poate instala, de asemenea, mai multă memorie cu acces aleatoriu (RAM), astfel încât computerul să poată stoca date temporare suplimentare sau să preia aceste date într-un ritm mai rapid. Utilizatorul poate adăuga o placă de expansiune USB 3.0 pentru a utiliza pe deplin dispozitivele USB 3.0 sau poate actualiza unitatea de procesare grafică (GPU) pentru o grafică mai curată, mai avansată sau mai multe monitoare . Efectuarea unor astfel de actualizări hardware poate fi necesară pentru ca computerele vechi să îndeplinească cerințele de sistem ale unui program nou sau actualizat.

Vânzări

Veniturile globale din hardware-ul computerului în 2016 au ajuns la 408 miliarde de euro.

Reciclarea

Deoarece componentele computerului conțin materiale periculoase , există o mișcare în creștere pentru reciclarea pieselor vechi și învechite. Hardware-ul computerului conține substanțe chimice periculoase, cum ar fi: plumb, mercur, nichel și cadmiu. Conform EPA, aceste deșeuri electronice au un efect dăunător asupra mediului, cu excepția cazului în care sunt eliminate în mod corespunzător. Fabricarea hardware necesită energie, iar reciclarea pieselor va reduce poluarea aerului , poluarea apei, precum și emisiile de gaze cu efect de seră. Eliminarea echipamentelor computerizate neautorizate este de fapt ilegală. Legislația face obligatorie reciclarea computerelor prin facilitățile aprobate de guvern . Reciclarea unui computer poate fi mai ușoară prin scoaterea anumitor piese refolosibile. De exemplu, memoria RAM , unitatea DVD, placa grafică , hard diskul sau SSD-ul și alte părți similare amovibile pot fi refolosite.

Multe materiale utilizate în hardware-ul computerului pot fi recuperate prin reciclare pentru a fi utilizate în producția viitoare. Reutilizarea staniu , siliciu , fier , aluminiu și o varietate de materiale plastice care sunt prezente în vrac în computere sau alte electronice pot reduce costurile construirii de noi sisteme. Componentele conțin frecvent cupru , aur , tantal , argint , platină , paladiu și plumb , precum și alte materiale valoroase adecvate pentru recuperare.

Componente toxice ale computerului

Unitatea centrală de procesare conține multe materiale toxice. Conține plumb și crom în plăcile metalice. Rezistoarele, semiconductoarele, detectoarele cu infraroșu, stabilizatoarele, cablurile și firele conțin cadmiu. Plăcile de circuite dintr-un computer conțin mercur și crom. Atunci când aceste tipuri de materiale și substanțe chimice sunt eliminate în mod necorespunzător vor deveni periculoase pentru mediu.

Efecte asupra mediului

Potrivit Agenției Statelor Unite pentru Protecția Mediului, doar aproximativ 15% din deșeurile electronice sunt de fapt reciclate. Atunci când produsele secundare ale deșeurilor electronice se scurge în apele subterane, sunt arse sau sunt manipulate greșit în timpul reciclării, acestea provoacă daune. Problemele de sănătate asociate cu astfel de toxine includ afectarea dezvoltării mentale, cancerul și afectarea plămânilor, a ficatului și a rinichilor. De aceea, chiar și firele trebuie reciclate. Diferite companii au tehnici diferite pentru a recicla un fir. Cel mai popular este polizorul care separă firele de cupru de carcasa din plastic / cauciuc. Când procesele sunt terminate, rămân două grămezi diferite; una conținând pulberea de cupru, iar cealaltă conținând bucăți de plastic / cauciuc. Monitoarele de computer, șoarecii și tastaturile au un mod similar de a fi reciclate. De exemplu, mai întâi, fiecare dintre părți este despărțită, apoi toate părțile interioare sunt separate și plasate în propriul coș.

Componentele computerului conțin multe substanțe toxice, precum dioxine , bifenili policlorurați (PCB), cadmiu , crom , izotopi radioactivi și mercur . Un monitor tipic de computer poate conține mai mult de 6% plumb în greutate, din care o mare parte se află în sticla de plumb a tubului cu raze catodice (CRT). Un monitor tipic de computer de 15 inci (38 cm) poate conține 1,5 kg (1 kg) de plumb, dar se estimează că alte monitoare au până la 8 kg (4 kg) de plumb. Plăcile de circuite conțin cantități considerabile de lipitori de plumb-staniu, care sunt mai susceptibile de a se scurge în apele subterane sau de a crea poluarea aerului datorită incinerării. În depozitele de deșeuri din SUA, aproximativ 40% din nivelurile de conținut de plumb provin din deșeuri electronice. Prelucrarea (de exemplu, incinerare și tratamente acide) necesară pentru recuperarea acestor substanțe prețioase poate elibera, genera sau sintetiza subproduse toxice.

Reciclarea hardware-ului computerului este considerată ecologică, deoarece împiedică deșeurile periculoase, inclusiv metalele grele și agenții cancerigeni, să pătrundă în atmosferă, în depozitele de deșeuri sau pe căile navigabile. În timp ce electronica conține o mică parte din deșeurile totale generate, acestea sunt mult mai periculoase. Există legislație strictă menită să impună și să încurajeze eliminarea durabilă a aparatelor, cea mai notabilă fiind Directiva privind deșeurile de echipamente electrice și electronice a Uniunii Europene și Legea națională de reciclare a computerelor din Statele Unite .

Eforturi pentru minimizarea risipei de hardware a computerului

Deoarece hardware-ul computerului conține un număr mare de metale în interior, Agenția Statelor Unite pentru Protecția Mediului (EPA) încurajează colectarea și reciclarea hardware-ului computerului. „ E-cycling ”, reciclarea hardware-ului computerului, se referă la donarea, refolosirea, mărunțirea și colectarea generală a electronice uzate. În mod generic, termenul se referă la procesul de colectare, intermediere, demontare, reparare și reciclare a componentelor sau metalelor conținute în echipamentele electronice folosite sau aruncate, cunoscute altfel ca deșeuri electronice (e-deșeuri). Articolele „E-ciclabile” includ, dar nu se limitează la: televizoare, computere, cuptoare cu microunde, aspiratoare, telefoane și telefoane celulare, aparate de radio și VCR-uri și DVD-uri aproape orice are cablu, lumină sau are un fel de baterie .

Reciclarea unui computer este ușurată de câteva dintre serviciile naționale, cum ar fi Dell și Apple . Ambele companii vor prelua computerul mărcii lor sau orice altă marcă. În caz contrar, un computer poate fi donat către Computer Aid International, care este o organizație care reciclează și recondiționează calculatoare vechi pentru spitale, școli, universități etc.

Vezi si

Referințe

linkuri externe