Hardvér

Hardvér zahŕňa všetky fyzické súčasti počítačov, ako sú procesor, pamäť, displej alebo klávesnica. Hardvér predstavuje prvky počítača, ktorých sa môžeme dotknúť. Oproti tomu softvér je nehmotný, označuje inštrukcie, ktoré riadia hardvér a umožňujú používateľom vykonávať rôzne úlohy. Hardvér a softvér spolupracujú – aby sme mohli počítače používať, potrebujeme oboje.

Jednotlivé podtémy týkajúce sa hardvéru sú:

• Typy počítačov – Existuje viacero rôznych typov počítačov a každý je vhodný na iný účel.
• História počítačov – Povedomie o tom, ako sa počítače vyvíjali, nám môže pomôcť lepšie pochopiť súčasné počítače a predstaviť si, aké by mohli byť v budúcnosti.
• Hardvér: základy – Predstavuje hlavné súčasti počítačov a ich funkcie. Táto podtéma je vhodná na získanie základného prehľadu o hardvéri.
• Vstupné a výstupné zariadenia – Pomocou týchto zariadení s počítačmi komunikujeme, patria medzi ne klávesnice, myš, monitor, tlačiareň alebo reproduktory.
• Procesor a architektúra – Procesor je najdôležitejšia súčasť počítača riadiaca ostatné hardvérové súčasti.
• Pamäť – Rovnako ako ľudia, aj počítače ukladajú informácie do pamäti, počítačových pamätí však existuje viac druhov a každá je vhodná na niečo iné.

Ďalšie hardvérové súčiastky sa používajú v počítačových sieťach.

Počítače sa vo svete vyskytujú v mnohých formách.

V domácnostiach a kanceláriách sa často stretneme s PC (personal computer, osobný počítač). Neprenosnému PC sa hovorí stolný počítač, niekedy tiež desktop. Stolný počítač sa väčšinou skladá z počítačovej skrine, ku ktorej pripájame príslušenstvo ako monitor, klávesnicu, reproduktory apod. Počítačová skriňa, ktorá sa stavia na výšku a často pod stôl, sa nazýva tower. Existujú aj kompaktnejšie verzie stolných počítačov — napríklad all-in-one PC, kde je všetok hardvér vstavaný priamo v monitore.

all-in-one PC

tower

notebook

Prenosnému osobnému počítaču sa hovorí notebook. Ten má všetok hardvér aj príslušenstvo vstavané priamo do svojho tela. Prenosné počítače mávajú navyše akumulátor (batériu), aby sme ich mohli používať, aj keď nie sú pripojené do elektrickej siete. Smartfóny (chytré telefóny) a tablety sú tiež prenosné počítače. Mávajú dotykovú obrazovku a sú pomerne malé. Ešte menšie než smartfóny sú chytré hodinky (smartwatch), ktoré si môžeme pripnúť na zápästie a napríklad prepojiť s chytrým telefónom na pohodlnejšie ovládanie.

smartfón

tablet

inteligentné hodinky

Mainframe je veľký a veľmi výkonný počítač, ktorý často používajú firmy na výpočtovo náročné operácie. Superpočítače sú mnohonásobne výkonnejšie než osobné počítače a mainframy, môžu zaberať celé haly a väčšinou vykonávajú náročné vedecké výpočty. Server je počítač, ktorý je pripojený k počítačovej sieti (väčšinou k internetu) a poskytuje služby iným počítačom, ktoré si ich vyžiadajú. Napríklad môže zobrazovať webové stránky alebo poskytovať internetové úložisko.

mainframe

superpočítač

Veľa zariadení je dnes tiež ovládaných počítačmi. Týmto počítačom sa hovorí vstavané systémy a väčšinou sú skonštruované priamo na ovládanie daného zariadenia a vstavané vnútri. Nachádzajú sa napríklad v moderných autách, lietadlách, chytrých spotrebičoch apod. Na výrobných linkách sa používajú CNC stroje (computer numerical control), ktoré riadi počítač podľa nejakého počítačového programu. Pomáhajú zautomatizovať, a teda zefektívniť, výrobu.

V dávnej histórii si ľudia uľahčovali počítanie napríklad s guľôčkovými počítadlami (abakus) alebo logaritmickými pravítkami. Prvý programovateľný stroj navrhol Charles Babbage v 19. storočí.

abakus

logaritmické pravítko

Počas druhej svetovej vojny bol počítač použitý na rozlúštenie nemeckej šifry Enigma. Na tom sa podieľal aj Alan Turing, ktorý neskôr vymyslel teoretický model počítača. Prakticky využívanú architektúru počítača (po svojom autorovi nazývanú von Neumannova), ktorá je používaná dodnes, navrhol John von Neumann.

Vývoj počítačov sa často rozdeľuje do tzv. generácií – vývojových fáz, ktoré sa odlišujú súčiastkami, z ktorých boli počítače zložené, ich rýchlosťou aj použitím.

V 1. generácii veľkú časť funkčnosti počítača zaisťovali elektrónky. V tej dobe boli počítače pomalé a poruchové, zaberali veľký priestor (typicky celej miestnosti) a na svoj beh vyžadovali značné množstvo energie. Najznámejším zástupcom tejto generácie je počítač ENIAC, ktorý bol postavený v 40. rokoch 20. stor. v USA. Na svete bolo vtedy iba veľmi málo počítačov, preto sa používali prevažne na náročné matematické výpočty pre armádu alebo na výskum. Informácie im boli predávané na diernych štítkoch a diernych páskach.

ENIAC

dierny štítok

dierna páska

V 2. generácii sa objavili tranzistory, polovodičové súčiastky, ktoré v počítačoch nahradili elektrónky a umožnili tak zvýšenie spoľahlivosti a rýchlosti, zatiaľ čo znížili poruchovosť. V 60. rokoch 20. stor. sa začali objavovať sálové počítače, ktoré používali napríklad firmy na vedenie účtovníctva alebo na matematické výpočty.

V 3. generácii sa vďaka integrovaným obvodom začali počítače zmenšovať a zvyšovať svoj výkon. Integrovaný obvod združuje veľa tranzistorov. Počítače sa bežne nachádzali vo výpočtových strediskách, kde bolo možné si prenajať počítačový čas.

Vo 4. generácii vznikli mikroprocesory, procesory tvorené jediným integrovaným obvodom, ktoré umožnili počítače ešte viac zmenšiť. Objavili sa osobné počítače s grafickým rozhraním a počítače sa tak mohli rozšíriť aj do domácností. Počiatky internetu síce siahajú až do 50. rokov 20. storočia, koncom 80. rokov 20. storočia sa k nemu však pripájalo viac a viac počítačov a vznikali prvé webové stránky. (Nie len) vďaka internetu a pokračujúcemu zmenšovaniu cien a veľkostí počítačov sa počítače viac a viac objavovali v bežnom živote. Možnosti ich využitia sa rozšírili z čisto matematických výpočtov až do širokého spektra, ktoré poznáme dnes.

tranzistory

integrovaný obvod

osobný počítač

Hardvér sú hmotné (fyzické) súčasti počítača. Z hardvéru pozostávajú ako stolné počítače, tak notebooky, smartfóny a iné. Na fungovanie počítača je nutná spolupráca hardvéru a softvéru (napr. operačného systému, aplikácií).

Procesor

Procesor (CPU = central processing unit) je základnou súčasťou počítača, ktorá vykonáva výpočty a logické operácie. Súčasné procesory bývajú typicky viacjadrové, viac čipov (fyzických jadier) môže spracovávať viac procesov súčasne. Významnou vlastnosťou procesoru je taktovacia frekvencia. Súvisí s jeho výkonom (rýchlosťou), udáva sa v GHz (gigahertzoch, 1 GHz = 1000 MHz).

Operačná pamäť

Operačná pamäť (RAM = random access memory) slúži na dočasné ukladanie dát, s ktorými počítač momentálne pracuje (dáta operačného systému a aplikácií). Po vypnutí počítača sa jej obsah vymaže. Kapacita pamäte sa bežne udáva v gigabajtoch (GB, 1 GB = 1000 MB). Bežná kapacita operačnej pamäti v súčasných zariadeniach sa pohybuje v jednotkách až desiastkach GB.

Úložisko

Úložisko slúži na dlhodobé ukladanie dát (napr. fotografií, videí, dokumentov, operačného systému, aplikácií…). Jeho kapacita sa udáva v GB. Kapacita úložiska je typicky väčšia než kapacita operačnej pamäti (v stovkách GB až jednotkách TB).

Na polovodičoch je založená tzv. flash paměť. Tú využívajú napr. SSD (solid state drive, polovodičový disk), eMMC v mobilných zariadeniach alebo pamäťové karty (napr. SD).

HDD (hard disk drive, pevný disk) využíva kovové platne, na ktoré sa ukládajú dáta na princípe magnetizmu. Obsahuje pohyblivé časti, je pomalejší než SSD. Niekedy sa využíva v stolných počítačoch, z hľadiska ceny za určitú kapacitu je výhodnejší než SSD.

Zdroj, základná doska

Elektrické napätie potrebné na prevádzku počítača poskytuje zdroj. V prípade mobilných zariadení je prítomný akumulátor, ktorý je možné opakovane nabíjať. Základná doska prepája všetky súčasti počítača.

Vstupné a výstupné zariadenia

Vstupné zariadenia zaisťujú vstup dát do počítača (typicky od používateľa, prípadne z prostredia). Patria medzi ne napr. myš (dáta o pohybe), klávesnica (dáta o stlačených klávesách), skener (obraz) alebo mikrofón (zvuk).

Výstupné zariadenia majú na starosť výstup dát z počítača k používateľovi. Medzi výstupné zariadenia patrí napr. displej, tlačiareň (výstupom je obraz), reproduktory (výstupom je zvuk) alebo vibračná jednotka telefónu.

Vstupné a výstupné zariadenia môžu byť kombinované: napr. tlačiareň (výstupné) so skenerom (vstupné) alebo dotykový displej (výstupom je obraz, vstupom sú dotyky). Zariadenia pripájané k počítaču „zvonku“ sa označujú ako periférie.

Komunikačné rozhrania a porty

Široko využívaným komunikačným rozhraním je USB (universal serial bus). Môže prenášať rôzne typy dát, dajú sa s ním napr. aj nabíjať mobilné zariadenia. USB využíva hlavne koncovky USB-A a USB-C (to je možné zapájať ľubovoľnou stranou).

Na prenos obrazu a zvuku (teda typicky pripojenie displejov, projektorov) slúžia porty HDMI alebo DisplayPort.

Vstupné zariadenia

Vstupné zariadenie je hardvér, pomocou ktorého počítač prijíma dáta (typicky od používateľa alebo z prostredia). Medzi vstupné zariadenia patrí napr. klávesnica (sníma stlačenia kláves), myš (sníma pohyb), skener (sníma obraz) alebo mikrofón (zaznamenáva zvuk). Vstup dát do počítača zaisťuje napr. aj snímanie dotykov v rámci dotykového displeja.

Výstupné zariadenia

Výstupné zariadenie je hardvér, do ktorého počítač zapisuje alebo zobrazuje dáta (typicky ich sprístupňuje používateľovi). Medzi výstupné zariadenia patrí napr. displej (zobrazuje obraz), tlačiareň (zaisťuje výstup grafických dát) alebo reproduktory (zaisťujú výstup zvuku).

Komunikačné rozhrania (porty)

Vstupné a výstupné zariadenia je možné k počítaču pripojiť cez komunikačné rozhrania, ktorým sa tiež hovorí porty. Často sa stretáme s nasledujúcimi typmi:

• USB je teraz pravdepodobne najčastejšie používané komunikačné rozhranie. Je veľmi univerzálny, je cez neho možné pripojiť napríklad klávesnicu, myš, tlačiareň, fotoaparát alebo pamäťové zariadenie. Tiež sa používa na nabíjanie mobilných zariadení.
• HDMI vie prenášať digitálny obrazový a zvukový signál. Pripája sa cez neho monitor, televízia alebo iné obrazové zariadenia.

Dôležité súčasti počítačovej architektúry sú:

CPU (central processing unit) –⁠ centrálna procesorová jednotka. Nazýva sa tiež procesor. Dokáže spracovávať základné strojové inštrukcie, z ktorých je možné zložiť všetku funkčnosť, ktorú počítačové programy potrebujú, aby fungovali. V podstate se tak stará o celkový chod počítača. Súčasti procesoru sú aritmeticko-logická jednotka, radič a registre. Rýchlosť procesoru určuje mimo iné taktovacia frekvencia, ktorá udáva, koľko operácií procesor urobí za sekundu. Frekvencia sa udáva v jednotkách GHz (gigahertz). V súčasnosti je zrýchlovanie CPU zložité, takže sa väčší výkon dosahuje použitím viac procesorových jadier v jednom púzdre. Tieto procesory sa nazývajú viacjadrové a sú efektívne, pretože dokážu spracovávať viac procesov naraz –⁠ paralelne.

GPU (graphics processing unit) –⁠ grafický procesor. Grafický procesor je súčasť grafickej karty. Tá prijíma dáta o tom, čo je treba zobraziť na monitore, a prevádza ich na obrazový výstup pre monitor. Grafický procesor vykonáva rýchle výpočty, ktoré sú potrebné na prevod dát na obraz. Grafická karta môže byť integrovaná alebo dedikovaná. Integrovaná karta je typicky vstavaná súčasť CPU, je to menej výkonná, ale lacnejšia možnosť. Dedikovaná karta sa často dodáva oddelene, je dražšia, ale výkonnejšia – je potrebná napríklad pre moderné počítačové hry so zložitou grafikou.

ALU (arithmetic logic unit) –⁠ aritmeticko-logická jednotka. Je to súčasť procesora, ktorá vykonáva aritmetické a logické operácie.

Registre sú veľmi malé a veľmi rýchle pamäťové úložiská v procesore. Procesor si v nich udržuje dáta, ktoré práve spracováva.

Zbernica zaisťuje prenos dát. Zberníc je veľa typov. Môžu prenášať dáta vnútri počítača (napr. do grafickej karty), ako aj medzi zariadeniami (napr. USB je tiež typ zbernice).

Cache (rýchla vyrovnávacia pamäť) je veľmi rýchla, ale pomerne malá pamäť, ktorá pomáha zrýchlovať beh počítača. Pretože procesor je veľmi rýchly v porovnaní s pamäťou, každýkrát, keď si potrebuje načítať nejaké dáta z pamäti, musí dlho čakať. Aby sa chod počítača toľko nespomaľoval, procesor si do cache ukladá často používané dáta, ktoré odtiaľ môže načítať rýchlejšie. Cache je rýchlejšia než operačná pamäť, ale nestíha s procesorom a registrami, takže k nejakému spomaleniu stále dochádza.

Sieťová karta sprostredkováva komunikáciu počítača s počítačovou sieťou – napr. s internetom.

Zvuková karta zaisťuje vstup a výstup zvukových dát z a do počítača.

Procesor pri svojej práci komunikuje s rôznymi typmi pamäti.

Rovnako ako ľudská pamäť, aj tá počítačová slúži na uchovanie informácií. Na rôzne účely sa používajú rôzne typy pamätí, ktoré môžeme označovať podľa účelu alebo technológie.

Dlhodobá pamäť slúži na dlhodobé uloženie dát – napríklad fotografií, filmov alebo zdrojových kódov počítačových programov. Je to to úložisko, ku ktorému máme prístup v Prieskumníku súborov. Dáta sa v nej udržia nezávisle od toho, či je pripojená k elektrine.

V operačnej pamäti si počítač ukladá dáta a stavy procesov, s ktorými práve pracuje. Je oveľa rýchlejšia než dlhodobá pamäť, takže na urýchlenie behu počítača sa dáta z dlhodobej pamäti dočasne nahrávajú do operačnej pamäti, keď je s nimi treba pracovať. Ako používatelia k nej nemáme priamy prístup, pracuje s ňou iba procesor. Často sa realizuje ako pamäť typu RAM, takže po odpojení elektrického prúdu sa z nej všetky dáta vymažú.

Cache pamäť (rýchla vyrovnávacia pamäť) je veľmi rýchla, ale pomerne malá pamäť, ktorá pomáha zrýchľovať beh počítača. Pretože procesor je veľmi rýchly v porovnaní s operačnou pamäťou, každý raz, keď si potrebuje načítať nejaké dáta z pamäti, musí dlho čakať. Aby sa chod počítača toľko nespomaľoval, procesor si do cache ukladá často používané dáta, ktorá odtiaľ môže načítať rýchlejšie. Cache je rýchlejšia než operačná pamäť, ale na procesor a registre nestačí. Hovorí sa jej tiež medzipamäť.

RAM (random access memory) umožňuje rýchly zápis aj čítanie, a preto sa používa ako krátkodobá (napríklad operačná) pamäť. Jej názov znamená, že je v nej možné pristúpiť okamžite na ľubovoľnú adresu. Na svoje fungovanie potrebuje elektrický prúd, po jeho odpojení všetky dáta z pamäti zmiznú.

ROM (read only memory) po slovensky znamená pamäť iba na čítanie, teda do nej nie je možné dáta zapisovať. Používa sa ako dlhodobé úložisko, dáta v nej zostanú aj po odpojení elektrického prúdu.

Flash pamäť je podtyp ROM, ktorý je ale možné prepisovať – ide do nej teda oproti klasickej ROM ukladať nové dáta. Zápis aj čítanie prebieha pomocou elektrického prúdu. V súčasnosti je to veľmi rozšírený typ dlhodobého úložiska, používa sa napríklad v SSD, flash diskoch alebo pamäťových kartách.

HDD (hard disk drive) slúži ako dlhodobá pamäť v počítači, často sa tiež nazýva pevný disk. Dáta sa ukladajú na magnetický otočný disk. Oproti SSD, jeho súčasnej konkurencii medzi dlhodobými úložiskami, je lacnejšia a máva väčšiu kapacitu.

SSD (solid state drive) je ďalší typ dlhodobého úložiska. Oproti HDD je tvorené flash pamäťou. Vďaka tomu je odolnejšie, pretože nemá žiadne pohyblivé časti, a tiež rýchlejšie. Aj keď je jeho pomer ceny a kapacity horší než pri HDD, v súčasnosti pevný disk vďaka vyššie spomínaným výhodám pomaly nahradzuje.

CD a DVD sú prenosné dlhodobé úložiská v tvare disku. Dáta sa v ich prípade zaznamenávajú a čítajú opticky, pomocou laseru.

Pamäťová karta je malé prenosné dlhodobé úložisko tvorené flash pamäťou. Má niekoľko rôznych typov, používa sa napríklad vo fotoaparátoch alebo mobilných telefónoch.

Veľkosť pamäti sa udáva v bajtoch (B).

Pamäť môže byť volatilná alebo nevolatilná. Z volatilnej pamäti všetky dáta zmiznú, keď sa odpojí od elektrického prúdu. Volatilná je cache, RAM a operačná pamäť (tá sa totiž realizuje ako RAM). V nevolatilnej pamäti všetky dáta zostávajú nezávisle od pripojenia k elektrickému zdroju, ale väčšinou býva pomalšia než volatilná. Používa sa väčšinou ako dlhodobé úložisko, patria k nej teda ROM, flash pamäť, HDD a SSD.