Vodiči za PC hardver: potpuni vodič od nule

Ako ste ikada pomislili: "Volio bih razumjeti kako hardver računala zapravo radi ", ali svaka knjiga koju otvorite zvuči kao besmislica, ne brinite: niste sami. Svijet hardvera može se činiti kao zbrka akronima, brojeva i električnih koncepata, ali uz jasna objašnjenja i jednostavne primjere, postaje puno lakše shvatiti.

Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled fizičkih komponenti računala, njegovog internog jezika i kako se sve uklapa . Obuhvaća sve, od osnova (poput bitova ili bajtova) do specifičnih dijelova poput matične ploče, RAM-a, CPU-a, priključaka i tvrdih diskova, kao i ključnih aspekata poput brzine sustava, sabirnice podataka i predmemorije. Osmišljen je za čitanje u slobodno vrijeme, bez žurbe ili predznanja.

Kako računalo komunicira: bitovi, bajtovi i mjerni sustavi

Da biste razumjeli hardver računala, morate krenuti od početka: računalo "govori" samo o struji . Interno se sve svodi na to postoji li struja (1) ili ne (0) u milijunima sićušnih prekidača integriranih u čipove.

Svako od ovih mogućih stanja, uključeno ili isključeno, naziva se bit, najmanja jedinica informacije koju računalo obrađuje. Bit može biti samo 0 ili 1, ali kada spojimo nekoliko bitova, počinjemo moći predstavljati slova, brojeve i simbole.

Sljedeći korak je bajt, skupina od 8 bitova . S 8 prekidača (bitova) možemo formirati mnogo različitih kombinacija nula i jedinica, a svakoj kombinaciji je dodijeljen znak. Na primjer, u dobro poznatom ASCII kodu, slovo A može se predstaviti specifičnim 8-bitnim nizom, kao što je 10100001.

Kada pritisnete tipku na tipkovnici, računalo ne "vidi" samo slovo, već prima kombinaciju 0 i 1 koja odgovara toj tipki . Hardver pretvara vaš pritisak tipke u bitove, a zaslon na kraju prikazuje slovo zahvaljujući ovom sustavu kodiranja.

Budući da je bajt premalen za mjerenje velikih količina podataka, koriste se njegovi višekratnici. Najčešće jedinice za pohranu u računalstvu su:

• Bajt 1 = 8 bitova (znak, broj ili razmak).
• 1 kilobajt (KB) = 1024 bajtova.
• 1 megabajt (MB) = 1024 KB.
• 1 gigabajt (GB) = 1024 MB.
• 1 terabajt (TB) = 1024 GB.

Imajte na umu da se uvijek koriste višekratnici broja 1024, a ne 1000. Na primjer, dokument od 1 KB zapravo zauzima 1024 znaka, uključujući slova, brojeve, simbole i razmake.

Osim kapaciteta, brzina prijenosa podataka uobičajena je tema u hardveru . Vidjet ćete jedinice poput B/s, KB/s, MB/s ili GB/s (bajtovi u sekundi). Ponekad ćete pronaći i bitove u sekundi (b/s, Kbps, Mbps), koji su osam puta manji od bajtova u sekundi jer jedan bajt ima osam bitova.

Koncept frekvencije je također ključan i mjeri se u hercima (Hz, MHz, GHz). Komponenta koja radi na 1 MHz izvodi jednu operaciju na milijun puta u sekundi. U modernim procesorima govorimo o gigahercima (GHz), što znači milijarde ciklusa u sekundi.

Što određuje stvarnu brzinu računala

Kad netko kaže "ovo računalo je jako brzo", obično gleda samo procesor, ali u stvarnosti brzina računala ovisi o nekoliko čimbenika zajedno . Procesor je važan, da, ali nije jedini.

Prvo, tu je broj internih bitova s ​​kojima CPU radi . To pokazuje koliko informacija može obraditi odjednom (njegova interna propusnost). Prije su postojali 16-bitni ili 32-bitni procesori; danas su gotovo sva kućna računala 64-bitna, što im omogućuje istovremenu obradu više podataka i bolje korištenje memorije (vidi usporedbu performansi ).

Drugi ključni faktor je radna frekvencija stroja ili vrijeme ciklusa . Unutar računala nalazi se "sat" koji određuje tempo izvršavanja instrukcija. Procesor od 2 GHz, na primjer, sposoban je izvršiti oko 2.000 milijarde ciklusa u sekundi. Što je veća frekvencija, to je više instrukcija u sekundi... pod uvjetom da ostatak sustava može pratiti tempo.

Sabirnice podataka također igraju značajnu ulogu ; to su "autoceste" kojima informacije putuju od jedne komponente do druge (CPU, RAM, disk, grafička kartica itd.). Što je sabirnica šira (što više bitova može nositi odjednom) i što je veća njezina frekvencija, to će promet podataka unutar računala biti glatkiji.

Da upotrijebimo poljoprivrednu analogiju, to je kao kombajn: ako može pokositi nekoliko redova kukuruza u svakom prolazu i istovariti ih u velike, brze kamione, posao se obavlja brže. Ako bi autobusi bili uski ili spori, nastala bi uska grla čak i ako bi procesor bio vrlo snažan.

Ukratko, ukupna brzina tima određena je kombinacijom:

• Broj internih bitova mikroprocesora (unutarnja propusnost).
• Frekvencija rada procesora (MHz ili GHz).
• Brzina i širina podatkovne sabirnice koji povezuje komponente.
• Performanse tvrdog diska ili SSD pogon i čipset matične ploče.
• Količina i brzina RAM-a.

Kućište, napajanje i matična ploča

Svako stolno računalo započinje s kućištem ili tornjem koje ima dovoljno prostora i ventilacije . Veličina kućišta određuje koliko ćete mjesta i utora imati za ugradnju pogona za pohranu, ventilatora i ostalih komponenti.

Unutar kućišta nalazi se napajanje koje pretvara izmjeničnu struju iz električne mreže (na primjer, 220 V) u niže, stabilnije napone koje računalo može koristiti, obično +5 V i +12 V. Dobro napajanje ključno je za stabilnost opreme i izbjegavanje neočekivanih problema uzrokovanih nedovoljnom snagom ili naponskim skokovima.

Središnja komponenta na koju se gotovo sve spaja je matična ploča . Na nju se umeću procesor, RAM, kartice za proširenje, SATA konektori za tvrde diskove, USB priključci, BIOS, čipset i mnoge druge komponente. Matična ploča mora biti kompatibilna s procesorom (vrsta utora, kompatibilnost matične ploče , podrška za memoriju itd.).

Na matičnoj ploči naći ćete različite utore za proširenje , koji su plastični konektori s metalnim kontaktima u koje se umeću kartice:

• PCI i PCIe utoriModerni standard. Većina trenutnih kartica, uključujući 3D grafičke kartice, spaja se na PCI Express (PCIe). Brže su i dolaze u različitim veličinama (x1, x4, x8, x16) ovisno o broju pinova i podatkovnih traka.
• DIMM utori: za RAM memorijske module. Stariji SIMM-ovi su sada zastarjeli.
• SATA konektori: za spajanje modernih tvrdih diskova i optičkih pogona pomoću SATA kabela.
• IDE konektori: stari standard za PATA diskove, praktički izumro u današnjim računalima.

Osim utora, matična ploča integrira razne kontrolere koji upravljaju prometom podataka između CPU-a, RAM-a, diskova i perifernih uređaja. Prije je postojalo mnogo zasebnih kontrolera; danas je većina grupirana unutar čipseta.

Čipset je skup čipova koji određuje kako mikroprocesor, memorija, predmemorija, USB priključci, PCIe sabirnice itd. međusobno komuniciraju. Njegova kvaliteta i karakteristike utječu na stvari poput :

• Stvarne performanse koje dobivate od CPU-a.
• Maksimalni kapacitet RAM-a koji se može instalirati.
• Kompatibilnost s modernim tehnologijama (Vrste RAM-a, vrste diskova, napredni portovi).
• Mogućnost budućih nadogradnji i podršku određenih procesora.

Memorija: ROM, BIOS, RAM, predmemorija i virtualna memorija

Računalo nema samo jednu vrstu memorije, već nekoliko, svaka sa svojom funkcijom. Njihovo razumijevanje uvelike pomaže u shvaćanju zašto računalo ponekad radi brzo, a ponekad je sporo.

Stari ROM (Read Only Memory - memorija samo za čitanje) bio je vrsta memorije u koju je proizvođač pohranjivao osnovne upute za pokretanje i konfiguraciju sustava. Njegov sadržaj nije se brisao kada se računalo isključilo. Danas tu ulogu gotovo u potpunosti preuzima BIOS/UEFI.

BIOS (Basic Input/Output System) je program pohranjen na čipu na matičnoj ploči. Pokreće se čim se računalo uključi, detektira memoriju, diskove, CPU i ostale uređaje te provodi početne provjere prije učitavanja operativnog sustava . Neke od njegovih konfiguracija korisnik može mijenjati (redoslijed pokretanja, hardverski parametri itd.).

Kako bi se osiguralo da BIOS zadrži svoje postavke čak i kada je računalo isključeno, matična ploča koristi bateriju ili mali akumulator . Kada se ova baterija isprazni, datum, vrijeme i konfiguracija pokretanja se gube, što obično ukazuje na to da je potrebno zamijeniti bateriju.

Glavna memorija ili RAM (memorija s nasumičnim pristupom) je prostor u kojem računalo privremeno pohranjuje podatke i programe koji se trenutno koriste. Brza je, ali nestabilna: kada se računalo isključi, sav njezin sadržaj se briše.

Prilikom odabira RAM-a važno je uzeti u obzir njegov kapacitet (na primjer, 8 GB, 16 GB, 32 GB) i brzinu prijenosa, obično izraženu u MHz ili korištenjem DDR nomenklature (DDR2, DDR3, DDR4 itd.). Što je brža i šira komunikacija između RAM-a i CPU-a, to će sustav biti responzivniji.

Ako instalirate više RAM modula različitih brzina, svi će raditi brzinom najsporijeg . Stoga je najbolje koristiti slične module. Izvorni DRAM i rani DDR moduli više se ne koriste; danas su norma DDR3, DDR4 ili veće brzine.

Uz glavnu RAM memoriju, procesori imaju i predmemoriju , posebnu vrstu vrlo brze memorije koja se nalazi unutar ili vrlo blizu CPU-a. Pohranjuje često korištene podatke i instrukcije, izbjegavajući potrebu za stalnim pristupom sporijoj RAM memoriji.

Predmemoriju možemo zamisliti kao oglasnu ploču na koju stavljate bilješke koje stalno konzultirate . Ako je ono što tražite tamo, odmah to pročitate; ako ne, morate ići u ormarić za dokumente (RAM), što traje dulje. Zahvaljujući predmemoriji, CPU može raditi brzinama vrlo bliskim svojoj maksimalnoj frekvenciji.

Postoji nekoliko razina predmemorije:

• L1 predmemorijaNajbrži i najmanji memorijski čip, smješten pored svake jezgre CPU-a. Njegova tipična veličina kreće se od 256 KB do 512 KB ili 1 MB po jezgri.
• L2 predmemorija: nešto sporiji i veći, između nekoliko stotina KB i nekoliko MB.
• L3 predmemorija: veći (od nekoliko do desetaka MB) i nešto sporiji od L1 i L2, ali i dalje puno brži od RAM-a.

Kada RAM memorije počne ponestajati, operativni sustav stupa na scenu. Rezervira dio tvrdog diska za simulaciju dodatne memorije. Kada fizički RAM više ne stane, Windows (ili neki drugi sustav) premješta podatke koji nisu nedavno korišteni na tvrdi disk.

To omogućuje programima da nastave s radom čak i kada nema dovoljno RAM-a, ali to ima svoju cijenu: tvrdi disk je puno sporiji od RAM-a . Ako se virtualna memorija previše koristi, računalo postaje tromo jer stalno izmjenjuje podatke između RAM-a i tvrdog diska (datoteke stranice).

Konfiguriranje veličine virtualne memorije moguće je iz naprednih sistemskih opcija, ali pravo rješenje za intenzivnu upotrebu je instaliranje više fizičke RAM memorije , umjesto oslanjanja na disk kao zakrpu.

Mikroprocesor (CPU) i njegov sustav hlađenja

Mikroprocesor ili CPU je "mozak" računala. On obavlja izračune i koordinira radnje ostalih komponenti, čita podatke iz RAM-a ili predmemorije i izvršava instrukcije jednu za drugom velikom brzinom.

Interno, CPU se uglavnom sastoji od dva funkcionalna bloka:

• Aritmetičko-logička jedinica (ALU)Izvodi matematičke operacije (zbrajanje, oduzimanje, množenje, dijeljenje) i logičke operacije (usporedbe, uvjete poput "AKO je ovo, onda je ono").
• Kontrolna jedinicaOdgovoran je za odlučivanje o redoslijedu izvršavanja instrukcija, koji se podaci čitaju ili pišu i kako informacije teku unutar procesora.

Prilikom odabira procesora preporučljivo je uzeti u obzir nekoliko detalja: vrstu i obitelj CPU-a (Intel, AMD, specifična serija) , (fizički utor, čipset), radnu frekvenciju, broj jezgri, podršku za 64-bitne procesore i veličinu interne predmemorije.

CPU generira znatnu količinu topline, posebno pri radu na visokim frekvencijama, stoga je dobar sustav hlađenja i ventilacije neophodan . Obično se metalni hladnjak montira u izravnom kontaktu s procesorom, a ventilator se postavlja na vrh kako bi se toplina odvodila.

Ako se frekvencija CPU-a poveća iznad specifikacije (overclocking), temperatura raste još više , a ako je hlađenje nedovoljno, mogu se pojaviti rušenja sustava, pogreške i smanjeni vijek trajanja komponenti. Stoga termalna pasta i pravilna ugradnja ventilatora nisu luksuz, već neophodni.

Portovi, veze i prijenos podataka

Da bi računalo komuniciralo s vanjskim svijetom, potrebni su mu ulazni i izlazni priključci . To su fizički konektori na koje spajamo miševe, tipkovnice, monitore, pisače, vanjske tvrde diskove, mrežne adaptere itd.

Neki od najčešćih koje možete pronaći na modernom računalu su:

• Audio priključci (RCA ili minijack)Ulazi i izlazi za mikrofone, zvučnike i ostale zvučne uređaje. Svaka boja obično označava funkciju (izlaz, linijski ulaz, mikrofon itd.).
• PS/2 portoviStari okrugli konektori za tipkovnicu i miš. Gotovo zastarjeli, zamijenjeni USB-om.
• USB priključak (Univerzalna serijska sabirnica)USB je de facto standard za gotovo sve vrste perifernih uređaja. Podržava vruću zamjenu (plug and play), tako da možete spajati i odspajati uređaje dok je računalo uključeno. Verzije poput USB 1.1, 2.0, 3.0 i novije razlikuju se u brzini: što je veći broj, to je brži prijenos.
• Ethernet priključak (RJ45): žični mrežni konektor za pristup internetu ili lokalnim mrežama.
• Vanjski SATA portovi: koristi se za spajanje vanjskih tvrdih diskova kompatibilnih s ovim standardom.
• FireWire priključak (IEEE 1394): dizajniran za brzi prijenos podataka, široko korišten u svoje vrijeme za digitalne video kamere.
• VGA, DVI i HDMI konektoriVideo izlazi za monitore i projektore. VGA je analogni i stariji; DVI nudi digitalnu kvalitetu; HDMI je postao najčešće korišten jer prenosi digitalni zvuk i sliku visoke razlučivosti preko istog kabela, s velikom propusnošću.

Osim fizičkih priključaka, moderna prijenosna i računala puna su bežičnih tehnologija poput infracrvenog (najstarijeg), Bluetootha i Wi-Fi-ja. One omogućuju bežični prijenos podataka pomoću elektromagnetskih valova ili svjetlosti, s prijemnicima i antenama integriranim u matičnu ploču ili kao dodatne kartice.

Periferni uređaji i uređaji za pohranu

Periferni uređaji su svi oni vanjski uređaji koji se spajaju na računalo kako bi s njim komunicirali ili proširili njegove mogućnosti: tipkovnice, miševi, pisači, skeneri, zvučnici, kamere itd. To mogu biti ulazni uređaji (miš, tipkovnica), izlazni uređaji (monitor, pisač) ili ulazno/izlazni uređaji (zasloni osjetljivi na dodir, vanjski tvrdi diskovi, višenamjenski pisači).

Što se tiče interne pohrane, glavna komponenta je tvrdi disk . Tradicionalno su se koristili magnetski diskovi (HDD-ovi), koji se sastoje od nekoliko aluminijskih ploča obloženih magnetizirajućim materijalom koje se okreću velikom brzinom unutar zatvorenog kućišta.

Ove ploče su podijeljene na koncentrične staze , koje su dalje podijeljene na sektore (obično 512 bajtova). Nekoliko sektora zajedno tvori klaster ili alokacijsku jedinicu, što je najmanji dio prostora na disku rezerviran za datoteku.

Ako je veličina klastera 4 KB, a spremite datoteku od samo 1 KB, ona će zapravo zauzeti 4 KB na disku . Ako zauzima 5 KB, koristit će dva klastera (8 KB). Stoga je važno da veličina klastera ne bude prevelika kako bi se izbjeglo gubljenje prostora s malim datotekama.

Pri odabiru klasičnog tvrdog diska važna su dva faktora: njegov kapacitet u GB ili TB i brzina rotacije . Stariji modeli vrtjeli su se pri 3.600 okretaja u minuti, zatim su popularni postali diskovi od 7.200 okretaja u minuti, a postoje i brže jedinice od 10 000 okretaja u minuti ili više, dizajnirane za zahtjevne primjene.

Godinama su tvrdi diskovi s IDE/EIDE/ATA sučeljima koegzistirali sa SCSI ili FireWire pogonima . IDE pogoni su postupno nestali u korist SATA standarda, dok su SCSI i FireWire postali specijaliziraniji ili su ih zamijenile druge tehnologije.

Danas su SSD diskovi također vrlo česti . Nisu detaljno opisani u izvornom tekstu, ali vrijedi ih spomenuti: oni pohranjuju podatke na flash memorijske čipove umjesto na rotirajuće ploče, nudeći puno kraća vremena pristupa i brzinu čitanja/pisanja daleko superiorniju od tradicionalnih mehaničkih diskova.

Što se tiče optičkih medija, mnoga stolna računala još uvijek uključuju CD/DVD čitače i pisače . Oni se razlikuju po brzinama čitanja, pisanja i ponovnog pisanja, izraženim kao broj nakon kojeg slijedi "x" (na primjer, 52x/24x/52x). DVD-ovi također nude različite brzine za CD-ove i DVD-ove te mogućnost snimanja u dva sloja , što praktički udvostručuje kapacitet diska.

Drugi važan parametar za CD/DVD snimače je veličina internog međuspremnika , male memorije koja pohranjuje podatke tijekom snimanja. Ako računalo trenutno prestane slati podatke, pogon koristi ovaj međuspremnik kako bi izbjegao prekid snimanja i spriječio pogreške.

Monitori i ekrani

Vizualni izlaz računala prikazuje se na monitoru , a i ovdje postoji nekoliko važnih hardverskih koncepata. CRT (cijevni) monitori prvi su postali popularni; njihova kvaliteta ovisila je o veličini u inčima, rezoluciji i brzini osvježavanja (broj puta u sekundi koliko se slika "ponovno iscrtava").

Vrlo niska frekvencija osvježavanja (na primjer, 60 Hz) može uzrokovati naprezanje očiju i primjetno treperenje, dok pri višim frekvencijama slika izgleda stabilnije. S vremenom su CRT zasloni postupno ustupili mjesto ravnim zaslonima.

TFT/LCD zasloni koriste tehnologiju tekućih kristala i nude puno tanji i lakši dizajn. Vrijeme odziva ključno je kod ove vrste monitora ; to je vrijeme potrebno da se piksel promijeni iz jednog stanja u drugo. Vrijednosti ispod 20 ms smatraju se prihvatljivima kako bi se izbjeglo pojavljivanje duhova u scenama s brzim pokretima.

Ovi zasloni također imaju izvornu rezoluciju (na primjer, 1920x1080). Ako se koriste različite rezolucije, slika se mijenja u mjerilu i može izgubiti definiciju. Prilikom odabira monitora preporučljivo je uzeti u obzir vrstu panela, maksimalnu podržanu rezoluciju, vrijeme odziva, brzinu osvježavanja (u modelima za igre) i razmak piksela ili gustoću piksela.

Industrija je nastavila napredovati prema tehnologijama poput LED, OLED, 3D zaslona i televizora visoke razlučivosti , koje poboljšavaju kontrast, reprodukciju boja i energetsku učinkovitost, iako su ti detalji sada više u području potrošačke elektronike nego u osnovnom hardveru računala.

U konačnici, kada pogledate otvoreno stolno računalo, sve što vidite su različiti dijelovi koji zajedno tvore sustav: toranj koji osigurava prostor i ventilaciju, napajanje koje isporučuje stabilnu energiju, matična ploča koja sve povezuje, CPU koji naručuje i izračunava, RAM i predmemorija koji šalju podatke procesoru, tvrdi diskovi koji pohranjuju vaše podatke, grafička kartica i monitor koji ih prikazuju te priključci i periferni uređaji koji vam omogućuju interakciju . Razumijevanje svakog od ovih dijelova i njihovog međusobnog odnosa najizravniji je put do savladavanja hardvera od nule, bez potrebe da budete inženjer ili prolazite kroz nemoguće tečajeve.