Hardware

Hardware zahrnuje všechny fyzické součásti počítačů, jako jsou procesor, paměť, monitor nebo klávesnice. Hardware tedy představuje prvky počítače, na které si můžeme „sáhnout“. Oproti tomu software je nehmotný, označuje instrukce, které řídí hardware a umožňují uživatelům provádět různé úkoly. Hardwarové a softwarové součásti spolu spolupracují. Abychom mohli počítače používat, potřebujeme oboje.

Dílčí podtémata týkající se hardwaru jsou:

• Typy počítačů: Existuje řada různých typů počítačů a každý se hodí k jinému účelu.
• Historie počítačů: Povědomí o tom, jak počítače vyvíjely, nám může pomoct lépe pochopit současné počítače a představit si, jaké by mohly být v budoucnosti.
• Vstupní a výstupní zařízení: Pomocí těchto zařízení s počítači komunikujeme, patří mezi ně klávesnice, myš, monitor, tiskárna nebo reproduktory.
• Procesor a architektura: Procesor je nejdůležitější součást počítače řídící ostatní hardwarové součásti.
• Paměť: Stejně jako lidé i počítače ukládají informace do paměti, počítačových pamětí však existuje více druhů a každá se hodí k něčemu jinému.

Další hardwarové součástky se používají v počítačových sítích.

Počítače se ve světě vyskytují v mnoha formách.

V domácnostech a počítačích se často setkáme s PC (personal computer, osobní počítač). Nepřenosnému PC se říká stolní počítač, někdy také desktop. Stolní počítač se obvykle skládá z počítačové skříně, ke které připojujeme příslušenství jako monitor, klávesnici, reproduktory apod. Počítačová skříň, která se staví na výšku a často pod stůl, se nazývá tower. Existují i kompaktnější verze stolních počítačů — například all-in-one PC, kde je všechen hardware vestavěný přímo v monitoru.

Přenosnému osobnímu počítači se říká notebook. Ten má všechen hardware i příslušenství vestavěné přímo do svého těla. Přenosné počítače mívají navíc akumulátor (baterii), abychom je mohli používat, i když nejsou připojené do elektrické sítě. Smartphony (chytré telefony) a tablety jsou také přenosné počítače. Mívají dotykovou obrazovku a jsou poměrně malé. Ještě menší než smartphony jsou chytré hodinky (smartwatch), které si můžeme připnout na zápěstí a například propojit s chytrým telefonem pro pohodlnější ovládání.

Mainframe je velký a velmi výkonný počítač, který často používají firmy pro výpočetně náročné operace. Superpočítače jsou mnohonásobně výkonnější než osobní počítače i mainframy, mohou zabírat celé haly a většinou provádějí náročné vědecké výpočty. Server je počítač, který je připojený k počítačové síti (obvykle k internetu) a poskytuje služby jiným počítačům, které si je vyžádají. Například může zobrazovat webové stránky nebo poskytovat internetové úložiště.

Mnoho zařízení je dnes také ovládáno počítači. Těmto počítačům se říká vestavěné systémy a obvykle jsou zkonstruované přímo pro ovládání daného zařízení a vestavěné uvnitř. Nachází se například v moderních autech, letadlech, chytrých spotřebičích apod. Na výrobních linkách se používají CNC stroje (computer numerical control), které řídí počítač podle nějakého počítačového programu. Pomáhají zautomatizovat, a tedy zefektivnit výrobu.

V dávné historii si lidé ulehčovali počítání například s kuličkovými počítadly (abakus) nebo logaritmickými pravítky. První programovatelný stroj navrhl Charles Babbage v 19. století.

Za druhé světové války byl počítač použit k rozluštění německé šifry Enigma. Na tom se podílel i Alan Turing, který později vymyslel teoretický model počítače. Prakticky využívanou architekturu počítače (po svém autorovi nazývanou von Neumannova), která je používaná dodnes, navrhl John von Neumann.

Vývoj počítačů se často rozděluje do tzv. generací — vývojových fází, které se odlišují součástkami, ze kterých byly počítače složené, jejich rychlostí i použitím.

V 1. generaci velkou část funkčnosti počítače zajišťovaly elektronky. V té době byly počítače pomalé a poruchové, zabíraly velký prostor (typicky celé místnosti) a pro svůj běh vyžadovaly značné množství energie. Nejznámějším zástupcem této generace je počítač ENIAC, který byl postaven ve 40. letech 20. stol. v USA. Na světě bylo tehdy jen velmi málo počítačů, proto se používaly převážně pro náročné matematické výpočty pro armádu nebo pro výzkum. Informace jim byly předávány na děrných štítcích a děrných páskách.

Ve 2. generaci se objevily tranzistory, polovodičové součástky, které v počítačích nahradily elektronky a umožnily tak zvýšení spolehlivosti a rychlosti, zatímco snížily poruchovost. V 60. letech 20. stol. se začaly objevovat sálové počítače, které používaly například firmy pro vedení účetnictví nebo pro matematické výpočty.

Ve 3. generaci se díky integrovaným obvodům začaly počítače zmenšovat a zvyšovat svůj výkon. Integrovaný obvod sdružuje dohromady mnoho tranzistorů. Počítače se běžně nacházely ve výpočetních střediscích, kde bylo možné pronajmout si počítačový čas.

Ve 4. generaci vznikly mikroprocesory, procesory tvořené jediným integrovaným obvodem, které umožnily počítače ještě více zmenšit. Objevily se osobní počítače s grafickým rozhraním a počítače se tak mohly rozšířit i do domácností. Počátky internetu sice sahají až do 50. let 20. století, koncem 80. let 20. století se k němu však připojovalo více a více počítačů a vznikaly první webové stránky. (Nejen) díky internetu a pokračujícímu zmenšování cen i velikostí počítačů se počítače více a více objevovaly v běžném životě. Možnosti jejich využití se rozšířily z čistě matematických výpočtů až do širokého spektra, které známe dnes.

Vstupní zařízení je hardware, pomocí kterého počítač přijímá data. Výstupní zařízení je hardware, do kterého počítač zapisuje či zobrazuje data.

Typy tiskáren

Jehličková tiskárna k tisku používá tiskovou hlavu s malými jehličkami, které přes barvicí pásku otiskuje na papír. Je levná na pořízení i na provoz, ale tiskne pomalu a nekvalitně. Využívá se například pro označování jízdenek v hromadné dopravě.

Inkoustová tiskárna tiskne pomocí vystřelování miniaturních inkoustových kapek na papír. Její pořizovací cena je nízká a tiskne kvalitně, i když ne příliš rychle. Inkoustové náplně, nazývané cartridge, jsou však poměrně drahé, takže provoz tiskárny může být nákladnější. Často se používá v domácnostech nebo v menších kancelářích.

Laserová tiskárna kreslí obraz laserem na světlocitlivý válec. Na něj se poté nanese barva, která zůstane pouze na laserem ozářených místech, a válec se následně otiskne na papír. Je drahá na koupi, ale provoz na rozdíl od inkoustové tiskárny nákladný není. Tiskne velmi rychle a kvalitně, proto je dobře využitelná na místech, kde se tisknou velké objemy stránek – například v kancelářích. Barva používaná v laserových tiskárnách se nazývá toner.

Komunikační rozhraní (porty)

Vstupní a výstupní zařízení lze k počítači připojit přes komunikační rozhraní, kterým se také říká porty. Často se setkáme s následujícími typy:

• USB je nyní pravděpodobně nejčastěji používané komunikační rozhraní. Je velmi univerzální, je možné přes něj připojit například klávesnici, myš, tiskárnu, fotoaparát nebo paměťové zařízení.
• PS/2 se v minulosti používal k připojení klávesnice a myši, ale nyní je již téměř nahrazen USB.
• HDMI umí přenášet digitální obrazový a zvukový signál. Připojuje se přes něj monitor, televize, nebo jiné obrazové zařízení.
• VGA také přenáší obraz, ale na rozdíl od HDMI analogově. V současnosti se už příliš nepoužívá.

Důležité součásti počítačové architektury jsou:

CPU (central processing unit) –⁠ centrální procesorová jednotka. Nazývá se také procesor. Umí zpracovávat základní strojové instrukce, ze kterých lze složit veškerou funkčnost, kterou potřebují počítačové programy k fungování. V podstatě se tak stará o celkový chod počítače. Součásti procesoru jsou aritmeticko-logická jednotka, řadič a registry. Rychlost procesoru určuje mimo jiné taktovací frekvence, která udává, kolik operací procesor udělá za sekundu. Frekvence se udává v jednotkách GHz (gigahertz). V současnosti je zrychlování CPU složité, takže se většího výkonu dosahuje použitím více procesorových jader v jednom pouzdře. Tyto procesory se nazývají vícejádrové a jsou efektivní, protože dokáží zpracovávat více procesů najednou - paralelně.

GPU (graphics processing unit) –⁠ grafický procesor. Grafický procesor je součást grafické karty. Ta přijímá data o tom, co je potřeba zobrazit na monitoru, a převádí je na obrazový výstup pro monitor. Grafický procesor provádí rychlé výpočty, které jsou pro převod dat na obraz potřeba. Grafická karta může být integrovaná nebo dedikovaná. Integrovaná karta je typicky vestavěná součást CPU, je to méně výkonná, ale levnější možnost. Dedikovaná karta se často dodává odděleně, je dražší, ale výkonnější – je potřeba například pro moderní počítačové hry se složitou grafikou.

ALU (arithmetic logic unit) –⁠ aritmeticko-logická jednotka. Je to součást procesoru, která provádí aritmetické a logické operace.

Registry jsou velmi malá a velmi rychlá paměťová úložiště v procesoru. Procesor si v nich udržuje data, která právě zpracovává.

Sběrnice zajišťuje přenos dat. Sběrnic je mnoho typů. Můžou přenášet data jak uvnitř počítače (např. do grafické karty), tak mezi zařízeními (např. USB je také typ sběrnice).

Cache je velmi rychlá, ale poměrně malá paměť, která pomáhá zrychlovat běh počítače. Protože procesor je velmi rychlý v porovnání s pamětí, pokaždé, když si potřebuje načíst nějaká data z paměti, musí dlouho čekat. Aby se chod počítače tolik nezpomaloval, procesor si do cache ukládá často používaná data, která odtud může načíst rychleji. Cache je rychlejší než operační paměť, ale přesto nestačí na procesor a registry, takže k nějakému zpomalení stále dochází.

Síťová karta zprostředkovává komunikaci počítače s počítačovou sítí – např. s internetem.

Zvuková karta zajišťuje vstup a výstup zvukových dat z a do počítače.

Procesor při své práci komunikuje s různými typy paměti.

Stejně jako lidská paměť i ta počítačová slouží k uchování informací. Pro různé účely se používají různé typy pamětí, které můžeme označovat podle účelu nebo technologie.

Dlouhodobá paměť slouží k dlouhodobému uložení dat – například fotografií, filmů, nebo zdrojových kódů počítačových programů. Je to to úložiště, ke kterému máme přístup v Průzkumníku souborů. Data se v ní udrží nezávisle na tom, jestli je připojená k elektřině.

V operační paměti si počítač ukládá data a stavy procesů, se kterými právě pracuje. Je mnohem rychlejší jež dlouhodobá paměť, takže pro urychlení běhu počítače se data z dlouhodobé paměti dočasně nahrávají do operační paměti, když je s nimi potřeba pracovat. Jako uživatelé k ní nemáme přímý přístup, pracuje s ní pouze procesor. Často se realizuje jako paměť typu RAM, takže po odpojení elektrického proudu se z ní všechna data vymažou.

Cache paměť je velmi rychlá, ale poměrně malá paměť, která pomáhá zrychlovat běh počítače. Protože procesor je velmi rychlý v porovnání s operační pamětí, pokaždé, když si potřebuje načíst nějaká data z paměti, musí dlouho čekat. Aby se chod počítače tolik nezpomaloval, procesor si do cache ukládá často používaná data, která odtud může načíst rychleji. Cache je rychlejší než operační paměť, ale na procesor a registry nestačí. Říká se jí také vyrovnávací paměť nebo mezipaměť.

RAM (random access memory) umožňuje rychlý zápis i čtení, a proto se používá jako krátkodobá (například operační) paměť. Její název znamená, že v ní lze přistoupit okamžitě na libovolnou adresu. Ke svému fungování potřebuje elektrický proud, po jeho odpojení všechna data z paměti zmizí.

ROM (read only memory) česky znamená paměť pouze pro čtení, tedy do ní není možné data zapisovat, ale pouze je číst. Používá se jako dlouhodobé úložiště, data v ní zůstanou i po odpojení elektrického proudu.

Flash paměť je podtyp ROM, který ale lze přepisovat – jde do ní tedy na rozdíl od klasické ROM ukládat nová data. Zápis i čtení probíhá pomocí elektrického proudu. V současnosti je to velmi rozšířený typ dlouhodobého úložiště, používá se například v SSD, flash discích nebo paměťových kartách.

HDD (hard disk drive) slouží jako dlouhodobá paměť v počítači, často se nazývá také pevný disk. Data se ukládají na magnetický otočný disk. Oproti SSD, jeho současné konkurenci mezi dlouhodobými úložišti, je levnější a mívá větší kapacitu.

SSD (solid state drive) je další typ dlouhodobého úložiště. Na rozdíl od HDD je tvořený flash pamětí. Díky tomu je odolnější, protože nemá žádné pohyblivé části, a také rychlejší. Přestože jeho poměr ceny a kapacity je horší než u HDD, v současnosti pevný disk díky výše zmíněným výhodám pomalu nahrazuje.

CD a DVD jsou přenosná dlouhodobá úložiště ve tvaru disku. Data se u nich zaznamenávají a čtou opticky, pomocí laseru.

Paměťová karta je malé přenosné dlouhodobé úložiště tvořené flash pamětí. Má několik různých typů, používá se například ve fotoaparátech nebo mobilních telefonech.

Velikost paměti se udává v bajtech (B).

Paměť může být volatilní nebo nevolatilní. Z volatilní paměti všechna data zmizí, když se odpojí od elektrického proudu. Volatilní je cache, RAM a operační paměť (ta se totiž realizuje jako RAM). V nevolatilní paměti všechna data zůstávají nezávisle na připojení k elektrickému zdroji, ale většinou bývá pomalejší než volatilní. Používá se většinou jako dlouhodobé úložiště, její zástupci jsou tedy ROM, flash paměť, HDD a SSD.