Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение вычислительных систем — обобщённое название оборудования, на котором работают компьютеры и сети компьютеров.

К аппаратному обеспечению обычно относят:

• центральный процессор (процессоры)
• оперативную память
• системную логику
• периферийные устройства
• сетевое оборудование

Некоторая часть задач, выполняемая аппаратным обеспечением может быть выполнена частично или полностью с помощью программной эмуляции, например, в персональных компьютерах часто используется программная реализация протоколов связи модемов, программная эмуляция функций отрисовки 3D изображений. Обычно перенос выполняемой задачи из аппаратной части в программную уменьшает стоимость оборудования, но увеличивает нагрузку на центральный процессор.

В случае существенной нагрузки на процессор определённого рода задачами, для повышения производительности производят обратную операцию: аппаратно реализуют часть алгоритма, уменьшая участие процессора в выполнении алгоритма.

Примеры аппаратной реализации алгоритмов, которые могли бы быть реализованы программно:

• 3D графика
• DMA-режим работы IDE устройств
• FIFO-буффер у COM-портов
• Физический процессор для обсчёта поведения объектов в компьютерных играх
• Математический сопроцессор, ускоряющий операции с плавающей запятой (в современных процессорах интегрирован)
• Функции файрвола

Персональный компьютер

Внутри системного блока персонального компьютера

Обычный персональный компьютер состоит из системного блока, состоящего из шасси и периферийных устройств.

В состав системного блока входят:

• материнская плата с припаянными или установленными на ней:
  • Чипсет — взаимосвязанный набор микросхем, логика которого в наибольшей степени определяет то, каковы прочие элементы компьютера.
  • центральный процессор
  • BIOS — программное обеспечение в ПЗУ материнской платы.
  • кулер охлаждения процессора как основного тепловыделяющего элемента современного компьютера.
  • оперативная память и кэш
  • слоты расширения шин — PCI, PCI-E, USB, FireWire, AGP (устарела), ISA (устарела), EISA (устарела)
  • контроллеры устройств — хранения: IDE, SCSI, SATA, SAS или других типов, находящиеся непосредственно на материнской плате (встроенные) либо на платах расширения.
  • видеоконтроллер (встроенный или в виде отдельной платы), передающий сигнал на монитор
  • звуковой контроллер
  • сетевой интерфейс (сетевая плата)
• блок питания
• система охлаждения — дополнительные элементы охлаждения (вентиляторы, механические элементы, части водяной системы охлаждения), необходимые при установке блоков, имеющих повышенное тепловыделение (видеокарт, вычислительных сопроцессоров).

Через контроллеры к материнской плате при помощи шлейфов кабелей, сигнальных и питания, подключаются находящиеся внутри системного блока возможные элементы:

• жёсткий диск (их может быть несколько, они могут быть объединены в RAID-массив)
• SSD
• накопитель на гибких дисках
• оптический накопитель типа CD-ROM и другие устройства.

Кроме того, в аппаратное обеспечение компьютера также входят внешние (по отношению к системному блоку) компоненты — периферийные устройства в различных сочетаниях:

• Устройства ввода
  • 

    компьютерная клавиатура
    клавиатура
  • мышь, трекбол или тачпад
  • графический планшет
  • джойстик
  • сканер
  • микрофон
• устройства вывода
  • монитор
  • колонки/наушники
  • печатающие устройства типа принтера или плоттера
• для связи используются различные модемы и сетевое оборудование: маршрутизатор, сетевой коммутатор, беспроводная точка доступа.
• устройства ввода-вывода для технологий виртуальной реальности.

Под архитектурой аппаратного обеспечения компьютера понимаются внутренние компоненты компьютера и подключенные к нему устройства ввода (как компьютерная мышь и клавиатура) и устройства вывода (монитор). Внутренние компоненты компьютера вместе представляют собой вычислительное и управляющее устройство, объединённое шиной. Более распространены обозначения процессор, оперативная память и жесткий диск. Шина соединяет отдельные компоненты в сложную систему, так как без шины разрозненные детали не смогли бы функционировать. Процессор или ЦПУ определяет основную скорость работы компьютера. Требования к тактированию ЦПУ и собственной мощности процессора постоянно увеличиваются, так как и предъявляемые к технике требования тоже растут. Программное обеспечение, которое позже устанавливается на компьютер, требует все большей мощности процессора.

Термин архитектура распространяется на устройство комплектной системы, так как отдельные компоненты должны быть друг с другом согласованы, чтобы гарантировать бесперебойное протекание процесса. В противном случае в будущем это приведёт к проблемам с компьютером. Если элемент не подходит к другим компонентам, то они так же не могут потреблять полную мощность. Отдельные составные блоки, такие, как процессор, оперативная память или шина, при сборке корпуса должны составлять одно целое. Иначе подключенное к процессору программное обеспечение не сможет выполнять свои задачи в полной мере и обращение с компьютером будет усложнено.

Разработка аппаратного обеспечения - это комплексная работа, включающая создание и оптимизацию электроники и элементов механических систем, выполняющих различные вычислительные процессы. Связь между этими элементами и объектами обычно реализуется через аппаратный интерфейс.[6]

Разработка аппаратных средств обычно осуществляется на следующих этапах[6]:

1. разработка схем аппаратных элементов;
2. реализация аппаратных элементов (в виде печатной платы или их комбинации);
3. тестирование аппаратных элементов в лабораторных условиях;
4. интеграция системы;
5. тестирование аппаратных средств в полевых условиях.

Первый этап процесса разработки аппаратного обеспечения[7] является самым важным, ведь правильное проектирование оборудования не только сокращает бюджет проекта, но и предотвращает ряд потенциальных поломок и простоев.

Сходства с разработкой программного обеспечения[8] очевидны:

• Модель

Пользователи взаимодействуют с продуктами различными способами, продукты взаимодействуют с другими продуктами, и продукты производят выходные данные, учитывая входные данные.

• Требования

У него есть функциональные (обращенные к пользователю) и нефункциональные (не обращенные к пользователю) требования.

• Сложность

Любое представление спецификаций продукта неизменно приводит к древовидной структуре, поскольку основные характеристики декомпозируются на более мелкие.[9]

• Аппаратное обеспечение // elektro-expo.ru