В наше время персональный компьютер можно встретить почти в каждом доме. Он является незаменимым инструментом для выполнения различного рода задач. При помощи него можно воплощать практически всё что угодно в электронном виде.
Знание принципов работы частей ПК позволит вам решать технические проблемы, связанные с ним, самостоятельно подобрать комплектующие для сборки нового компьютера или обновления старого.
История создания ПК
Персональный компьютер — это универсальная электронная вычислительная машина (ЭВМ), используемые для приема, хранения, обработки и передачи данных, предназначенная для общедоступного личного пользования.
Первый персональный компьютер был изобретен в 1943 году компанией IBM (International Business Machines). Элементы «компьютера» занимали несколько комнат, а сам он мог только вычитать и складывать, при этом его стоимость была запредельной. Поэтому пользоваться «персональным» компьютером могли позволить себе только крупные, в основном государственные организации.
В 1964 году специалисты все той же IBM разработали серию System-360. Компьютеры по-прежнему были громоздкими и неповоротливыми, зато могли выполнять одновременно уже несколько функций и обладали зачатками программного обеспечения.
Также 1964 год ознаменовался важнейшим событием, ставшим своего рода революцией в популяризации и «демократизации» вычислительных машин — профессоры Дартмутского колледжа Джон Кемени и Томас Курц изобрели язык программирования BASIC, ставший впоследствии — в 1970х - 1980х годах — главным языком для ПК.
В 1968 году инженер НАСА Остин Рош, одержимый идеей создания персонального компьютера, на обычной скатерти клуба в Сан-Антонио набросал чертеж своего устройства. Именно эти наброски впоследствии легли в основу работы компании Computer Terminal Corp (CTC) по созданию самого первого персонального компьютера. Остин Рош был одним из двух основателей Computer Terminal Corp. Процесс реализации идей затянулся на пару лет: свой первый компьютер, получивший название Datapoint 2200, представила компания СТС в конце 1970 года. Информация хранилась на кассетах, на которых умещалось до 130 КБ данных. Оперативная память занимала 8 КБ.
Параллельно с СТС собственные разработки вела и компания Intel, которой было суждено совершить настоящий переворот в компьютерной сфере. Причем этому самому перевороту, как это часто бывает, человечество обязано случайности. Японская компания Busicom, посвятившая время своих сотрудников производству калькуляторов, заказала Intel сделать 12 микросхем для своих продуктов. То есть нужно было выполнить дюжину разных микросхем для разных же калькуляторов. Заказ был муторный и по меркам даже малого бизнеса — микроскопический. Поэтому лень в очередной раз выступила двигателем прогресса — специалисты решили сделать универсальный микропроцессор, который подошел бы ко всем моделям калькуляторов.
Так появился микропроцессор С4004. Спустя год Intel создал более сложный 8-разрядный микропроцессор, который стал основой первых массовых персональных компьютеров — в первую очередь компании СТС, которая в конце 1972 года была переименована в Datapoint. Эпоха ПК, занимавших несколько комнат, подошла к концу.
Первый массовый персональный компьютер.
В 1975 году компания, базировавшаяся в Альбукерке, MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) на основе микропроцессора Intel 8080 выпустила микрокомпьютер Altair 8800, который «взорвал» рынок. Разработчик ПК Генри Эдвардс Робертс, американский предприниматель и инженер, планировал реализовать пару сотен устройств среди фанатов электроники. Однако за первый месяц продаж к покупателям ушло несколько тысяч компьютеров.
По другой версии, первый компьютер, который действительно стал массовым и «ушел в народ», был разработан компанией Apple. В 1976 году Стив Возняк засел за производство Apple Ⅱ с целью уместить его в портфеле. И молодому инженеру удалось это сделать — по компактности и функциональности аналогов Apple I на рынке не было. Так появилась компания Apple — Стив Джобс продал свой автофургон Volkswagen, Возняк пожертвовал калькулятором HP. Вырученных средств хватило на запуск производства первых компьютеров в гараже, где компаньоны буквально на коленках мастерили свои первые устройства. Реализовав 250 штук, Стив Возняк решил модернизировать первую версию.
Сделанный в 1977 году Apple Ⅱ имел стильный белый корпус, встроенный монитор, был оснащен дисководом для 5-дюймовых дискет, операционной системой, отображал цветную графику. Также Возняк для своего детища создал Apple DOS, язык программирования Calvin и структурировал файловую систему. В итоге получился революционный продукт, который вывел компанию Apple в лидеры рынка.
В 1984 году компания закрепилась в лидерах, выпустив компьютер Macintosh. Macintosh стал предтечей современного ПК и определил его внешний вид на много лет вперед. Персональный компьютер Macintosh был оснащен клавиатурой, мышью, дисководом, колонками, интерфейсом с ярлыками на рабочем столе. Жесткий диск имел объем 20 Мб.
В 1990 году вышла третья версия операционной системы Windows от компании Microsoft. Причем за первые шесть месяцев после релиза Windows 3.0 было продано более 1 миллиона экземпляров.
Виды персональных компьютеров
Компьютеры можно поделить на несколько групп:
· Настольный ПК - стационарный ПК, предназначенный для работы в офисе и дома;
· Ноутбук - переносной ПК, в корпусе которого объединены типичные компоненты персонального компьютера. Ноутбуки отличаются небольшими размерами и весом, время автономной работы ноутбуков варьируется.
· Моноблок - персональный компьютер, все устройства которого, за исключением клавиатуры, мыши и иногда блока питания, заключены в один корпус вместе с монитором;
· Неттоп - небольшой по размеру настольный ПК, к которому можно подключить все необходимые девайсы. Однако неттоп нельзя назвать мощным устройством, он больше подходит для выполнения не ресурсоёмких задач.
Из чего состоит компьютер
Компьютер состоит из нескольких основных частей: монитора, системного блока, мышки и клавиатуры. Далее рассмотрим их от самого простого к самому сложному.
Мышка
Компьютерная мышь — это координатное устройство ввода для управления курсором и отдачи различных команд компьютеру. Управление курсором осуществляется путём перемещения мыши по поверхности.
Компьютерные мыши бывают разных видов, но самая распространённая и удобная из них – оптическая. Оптические мыши включают в себя два вида – лазерные и светодиодные. Принцип работы обоих — одинаков. Различие лишь в источнике подсветки, которым служит или светодиод, или лазер.
Установленный под небольшим углом светодиод мыши через пластиковую линзу-призму подсвечивает поверхность, по которой двигают манипулятор. Через другую линзу, которая усиливает отраженный свет, специальный сенсор фотографирует поверхность, подсвеченную светодиодом.
Затем процессор обработки изображений анализирует поступающие фотографии: происходит разбивка кадра на миниатюрные квадраты. Мозаика, состоящая из множества таких квадратов, является координатной сеткой и точкой отсчета для сенсора.
Процессор отслеживает все изменения поверхности и теней, покадрово сравнивая их, высчитывает результаты перемещения мыши вдоль осей Х и Y и передает их на ПК. Такая технология получила название оптической корреляции.
По типу подключения мыши делятся на:
· Проводное подключение.
· Беспроводное подключение:
- подключение по радиоканалу;
- подключение по Bluetooth.
Клавиатура
Клавиатура - устройство, позволяющее пользователю вводить информацию в компьютер (устройство ввода). Представляет собой набор клавиш (кнопок), расположенных в определённом порядке.
Клавиатуры делятся на два вида – мембранные и механические.
Принцип работы клавиатур заключается в том, что при нажатии на клавишу, она замыкает два контакта, в результате чего компьютеру передается сигнал о нажатии соответствующей кнопки.
Мембранная клавиатура устроена следующим образом. Имеется три слоя, три мембраны, на крайние нанесены токопроводящие дорожки и контакты для каждой клавиши, а средняя является диэлектриком. В этом слое выполнены отверстия под каждой клавишей, через которые происходит замыкание контактов первого и третьего слоя.
Механическая же клавиатура устроена совсем иначе. В ней только один слой с контактами и электрическими дорожками, и уже к каждому контакту прикреплён свой свитч(переключатель). Свитч – механизм, который отвечает за срабатывание клавиши, это главное отличие механической клавиатуры от мембранной. Свитч состоит из нескольких деталей: стем (пластиковая головка), металлические контакты, пружина и корпус.
У обоих видов клавиатур есть свои плюсы и минусы. Например, механические клавиатуры часто надёжнее чем мембранные благодаря своей конструкции. Мембранные в свою же очередь издают меньше звука. Но самое главное их отличие это ощущения от печати. Механические имеют в корне отличающуюся конструкцию клавиш, из-за чего их можно прожимать только на половину хода, а мембранные нужно прижимать до конца, чтобы контакты соприкоснулись. Также механические клавиатуры имеют чётко выраженный звук при нажатии.
Монитор
Монитор (дисплей, экран) является составной частью каждого компьютера и предназначен для обмена информацией между пользователем и компьютером. Монитор компьютера — это универсальное устройство, предназначенное для визуального отображения текстовой и графической информации. Основные части монитора - матрица, блок питания, панель управления, главная плата. Главная плата содержит в себе процессор и скаллер.
Мониторы делятся по типу матрицы на TN, VA, IPS, OLED.
Матрица TN (twisted nematic – скрученные кристаллы) - каждый пиксель состоит из 3 субпикселей и имеют, благодаря цветному фильтру, красный, синий или зелёный цвет. За цветным фильтром расположена структура, состоящая из: двух поляризационных фильтров, двух электродов, слоя жидких кристаллов и светодиодной подсветки. Поляризационные фильтры, расположены перпендикулярно и не пропускают свет. Чтобы его пропустить, то есть преломить, жидкие кристаллы скручены. Когда подаётся напряжение на электроды - кристаллы раскручиваются и не пропускают свет.
VA (vertical alignment – вертикальное выравнивание кристаллов) - каждый субпиксель, также разделён на несколько отдельно управляемых ячеек. Когда подаётся напряжение на электроды, кристаллы располагаются под углом и свет проходит. При отключении питания, кристаллы выравниваются и свет не проходит. Большинство изогнутых мониторов, обладают VA матрицей.
IPS (in-plane switching – переключение в плоскости) - электроды располагаются только за жидкими кристаллами. Это позволяет точнее управлять их движениями. При подаче напряжения, кристаллы поворачиваются и свет проходит.
OLED (organic light-emitting diode – органические светодиоды) - Матрица на органических светодиодах. Под цветовым фильтром, структура из электродов - катода и анода, между которыми излучающий и проводящий слои. Когда подаётся напряжение излучающий слой становится отрицательно заряженным, а проводящий - положительно. На проводящем слое образуются положительные дырки, которые переходят в излучающий слой и контактируют с электронами, от этого возникают вспышки. Из-за высокой частоты вспышек мы видим постоянный свет от диода.
Мониторы различаются по:
- cоотношению сторон:
· 16:9
· 21:9
· 32:9
- диагонали (в дюймах):
· 23.8’-24.5’
· 27’
· 31.5’-32’
- изогнутости (измеряется в R – размер радиуса в миллиметрах)
· плоские
· изогнутые
- разрешению - кол-во пикселей по горизонтали на кол-во пикселей по вертикали:1920x1080 –
· Full HD
· 2560x1440 - QHD (2K)
· 3840x2160 - UHD (4K)
- PPI - плотности пикселей
- яркости
- контрастности
- глубине цвета:
· 6-bit
· 8-bit
· 10-bit
- частоте обновления экрана:
· 60 гц
· 75 гц
· 144 гц
· 165 гц
· 240 гц
- времени отклика
Системный блок
Системный блок - это прямоугольная металлическая коробка, в которой собраны все основные составляющие компьютера.
Системный блок состоит из частей, каждая из которых выполняет определённую функцию или дополняет другие.
Обычно он состоит из:
- составляющих корпуса: корпус, вентиляторы, блок питания, диски памяти, материнская плата;
- составляющих материнской платы: процессор, видеокарта, система охлаждения, оперативная память.
В корпус ставятся все комплектующие, выводятся входы и кнопки.
Блок питания
Самая важная часть, без которой компьютер не будет работать – блок питания. Его главная задача преобразовать переменный ток из сети в стабильный постоянный ток, для питания других компонентов ПК.
Вентиляторы
Вентиляторы нужны чтобы выводить горячий воздух и забирать холодный, то есть они нужны для того, чтобы поддерживать циркуляцию воздуха в корпусе.
Диски памяти
Есть два вида дисков памяти: жесткий диск - HDD(hard disk drive) и твердотельный диск - SSD(solid state drive). Несмотря на то, что они выполняют одну и ту же функцию, у них довольно разные принципы работы.
Жесткий диск - механическое запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи, данные которого хранятся в виде двоичного кода. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Внутри него есть несколько круглых магнитных металлических пластин, установленных друг над другом, у каждой из которых имеются записывающие головки. Данные пластины снабжены небольшим электромоторчиком, который приводит их в движение. Эти диски разделены на сектора и круги дорожек, при чтении или записи записывающие головки по данному им адресу находят нужную им дорожку и сектор, и путём намагничивания и изменения направления вектора намагниченности вверх или вниз, которое обозначает двоичный ноль или единицу.
Твердотельный диск - немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Внутри него есть микрочип, на который и записывается вся информация. Он состоит из миллионов мельчайших частиц памяти, хранящих в себе информацию в виде электрического заряда из электронов.
По сравнению с традиционными жёсткими дисками твердотельные накопители имеют меньший размер и вес, являются бесшумными, а также многократно более устойчивы к повреждениям (например, при падении) и имеют гораздо большую скорость производимых операций. В то же время, они имеют в несколько раз большую стоимость в пересчёте на гигабайт и меньшую износостойкость (ресурс записи).
Материнская плата
Главный компонент компьютера, где происходят вычисления, управление данными и системой – это материнская плата. На ней устанавливается и используется процессор и его охлаждение, видеокарта и оперативная память. Также в нее подключаются и внешние устройства такие как мышь, клавиатура, камера и другие.
Процессор
Процессор CPU (central processing unit) – это чип, покрытый миллиардами крошечных транзисторов, который встраивается в материнскую плату устройства. Материнская плата связывает его со всеми остальными системами компьютера. Именно процессор производит все вычисления и логические операции, которые нужны для работы компьютерных программ. Процессор работает в команде с другими компонентами компьютера: памятью, видеокартой и периферийными устройствами. Выполняет вычисления и общается с другими компонентами процессор на языке бинарного кода: нулей и единиц.
Процессор получает инструкции от приложений, установленных на компьютере, и выполняет вычисления по этим инструкциям. Этот цикл состоит из трёх стадий:
1. Fetch (выборка команды). Процессор получает команду из оперативной памяти компьютера.
2. Decode (декодирование). Декодер расшифровывает полученную команду.
3. Execute (исполнение). Процессор выполняет нужную операцию.
Внутреннее устройство процессора и за что отвечают его компоненты:
· Устройство управления (УУ) предназначено для организации выполнения программ. Именно УУ отвечает за получение команд из ОЗУ и их декодирование.
· Арифметическое логическое устройство (АЛУ) выполняет команды — арифметические действия и логические операции.
· Регистры — это очень маленькие ячейки памяти, в которых временно хранятся промежуточные результаты вычислений. Регистры оптимизируют время обработки вычислений: благодаря им процессору не приходится постоянно обмениваться данными с ОЗУ.
· Кэш — ещё один вид памяти, но более объёмный, чем регистры. Он хранит наиболее часто используемые данные и инструкции, чтобы ускорить доступ к ним.
Системы охлаждения
Во время работы процессор выделяет много тепла и может перегреться, из-за чего он существенно замедлится и может начать портиться. Чтобы предотвратить это на него устанавливают системы охлаждения, рассматриваемые далее.
Вентилятор, прикреплённый на радиатор, называется куллером. Они бывают горизонтальные и башенные. В зависимости от конструкции они по-разному распределяют воздушный поток внутри корпуса, что влияет на эффективность охлаждения.
Горизонтальные кулеры часто идут в BOX-версиях процессора, но их можно купить и отдельно. Они не задают нагретым потокам воздуха определенного направления для эффективного теплоотвода наружу. Такие кулеры компактные и недорогие, но маломощные.
Башенные кулеры не рассеивают тепло от процессора по системному блоку, а направляют его в сторону выдувающего вентилятора с тыльной стороны корпуса. Они занимают больше места, но их эффективность выше.
Также бывают и системы жидкостного охлаждения (СЖО).
В конструкцию СЖО входят 5 элементов:
· Водоблок. Устанавливается на крышку процессора и отводит тепло.
· Помпа. Крепится к водоблоку и отвечает за циркуляцию жидкости.
· Шланги. По одному отводится горячая вода, а по второму подается холодная.
· Радиатор. Рассеивает тепло в воздух и охлаждает горячую жидкость.
· Вентиляторы. Обдувают радиатор, чем дополнительно охлаждают водяной контур.
Принцип работы водяного охлаждения следующий: сначала тепло от процессора передается на водоблок — узел, состоящий из теплосъемной панели. Он нагревается, что заставляет жидкость также повышать свою температуру. Помпа направляет горячую жидкость по одному из шлангов к радиатору. Он забирает на себя высокую температуру и отводит ее в воздух. Также в этом ему помогают вентиляторы, которые непрерывно дуют на металлическую конструкцию. Вода в радиаторе остывает, протекает по его каналам и отправляется по второму шлангу обратно к помпе. Вся эта процедура повторяется снова и снова.
Оперативная память
Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), — это тип памяти, в котором во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код и данные, которые в этот момент обрабатывает процессор. Оперативная память — это своего рода посредник между процессором и устройствами постоянной памяти.
Видеокарта
Видеокарта GPU (graphics processing unit) - это устройство, которое управляет выводом графики в компьютере. Процессор вычисляет данные, передает их на видеокарту, которая преобразует и передаёт данные монитору, чтобы каждый пиксель изменил свой цвет.
Видеокарта состоит из следующих основных компонентов:
· Графический процессор — «сердце» видеокарты, занимающееся вычислениями.
· Плата видеокарты — выполняет ту же роль, что и материнская плата для центрального процессора.
· Видеопамять — собственная оперативная память видеочипа.
· Подсистема питания — преобразователь напряжения (VRM), на который подается линия +12 В от блока питания.
· Разъемы дополнительного питания — разъёмы для подачи питания на видеокарту.
· Разъем шины PCI-E — разъём для подключения видеокарты к слоту PCI-E x16 на материнской плате.
· Разъемы для вывода изображения — разъёмы для подключения устройств отображения информации.
· Система охлаждения — радиатор, на котором установлены вентиляторы для обдува и декоративный кожух.
Также выполнять функции видеокарты могут выполнять процессоры с интегрированным графическим ядром, то есть её задачи выполняет выделенная для этого часть процессора. Но пока что встроенные графические процессоры не могут превзойти по производительности дискретные видеокарты.
В данной статье я рассмотрел только часть огромного мира компьютерных технологий, но надеюсь что данная статья помогла вам лучше понять устройство компьютера, и вы будете более грамотными в области пк.
Список использованных источников:
1. Кирилл Сидоров Первый персональный компьютер - история создания ПК: [Электронный ресурс]. URL: https://digitalocean.ru/n/pk-nachalo.
2. «snow7» Какие бывают персональные компьютеры: разбираемся в форматах: [Электронный ресурс]. URL: https://club.dns-shop.ru/blog/t-90-kompyuteryi/37708-kakie-byivaut-personalnyie-komputeryi-razbiraemsya-v-formatah/.
3. Свободная энциклопедия Википедия: [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/.
4. «Haggon» Мониторы и всё, что нужно о них знать: [Электронный ресурс]. URL: https://www.youtube.com/watch?v=IO_k1DgGFLs&t=1s.
5. «Basics Explained, H3Vtux» How Computers Work, Compilation Video of Basics Explained: [Электронный ресурс]. URL: https://www.youtube.com/watch?v=Rv73ki6fTuo.
