سخت‌افزار رایانه

تعدادی از سخت‌افزارهای اصلی یک 250px
سخت‌افزار رایانه به اجزاء فیزیکی قابل لمس رایانه که از دو جزء الکترونیکی و الکترومکانیکی تشکیل شده باشد. سخت‌افزار رایانه در واقع همان قسمت‌ها یا اجزای فیزیکی رایانه مانند نمایشگر، موشواره، صفحه‌کلید، دیسک سخت، واحد سیستم (کارت‌های گرافیک، کارت‌های صدا، حافظه اصلی، مادربورد و تراشه‌های دیگر) و … هستند که قابل لمس‌اند.
در مقابل، نرم‌افزار مجموعه‌ای از مجموعه دستورالعمل‌های قابل خواندن برای ماشین است که به پردازنده مرکزی امر می‌کند تا اعمال خاصی را انجام دهد. ترکیبی از نرم‌افزار و سخت‌افزار یک سیستم رایانه قابل استفاده را به‌وجود می‌آورند.
معماری فون نویمان
شمای کلی 250px
الگوی ساخت تمام رایانه‌های امروزی معماری فون نویمان است. این معماری برای اولین بار در گزارشی به قلم ریاضی‌دان مجارستانی، جان فون نویمان در سال ۱۹۴۵ توضیح داده شد. معماری فون نویمان روش طراحی یک رایانه دیجیتال را با تقسیم آن به واحد پردازنده مرکزی، حافظه اصلی، حافظه‌های ذخیره‌سازی انبوه و ساز و کارهای ورودی/خروجی شرح می‌دهد.
در این تقسیم‌بندی واحد پردازنده مرکزی شامل واحد محاسبه و منطق، ثبات‌ها و یک واحد کنترل (شامل ثبات شمارنده برنامه، ثبات دستورالعمل و …) است. حافظه اصلی نیز برای ذخیره‌سازی دادهها و دستورالعامل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مفهوم عبارت معماری فون نویمان به‌تدریج گسترش پیدا کرد و به‌معنای رایانه‌های تک‌حافظه‌ای درآمد که در آن‌ها امکان واکشی یک دستورالعمل و یک داده به‌صورت هم‌زمان وجود ندارد زیرا هر دو از یک گذرگاه مشترک استفاده می‌کنند. این مسئله که به گلوگاه معماری فون نویمان نیز معروف است، باعث کاهش کارایی اینگونه سیستم‌ها می‌شود.
انواع سیستم‌های رایانه‌ای
امروزه سیستم‌های رایانه‌ای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
رایانه‌های شخصی
سخت‌افزار یک 2">
نمایشگر
مادربورد
پردازنده مرکزی
رم
کارت‌های توسعه
منبع تغذیه
درایو نوری
دیسک سخت
صفحه‌کلید
موشواره
درون یک
رایانه‌های شخصی، که با عنوان PC نیز شناخته می‌شوند، یکی از رایج‌ترین انواع رایانه‌ها هستند که به‌دلیل تنوع، همه‌کاره بودن و قیمت پایین‌تر بیش از انواع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. لپ‌تاپها نیز در کل همان رایانه‌های شخصی هستند که معمولا با سخت‌افزارهای کم‌مصرف‌تر و کوچک‌تر ساخته می‌شوند.
جعبه(کیس)
جعبه رایانه یک محفظه پلاستیکی یا فلزی است که بیشتر قطعات سخت‌افزاری یک رایانه در درون آن قرار می‌گیرند. نسخه‌های مربوط به رایانه‌های رومیزی معمولا در اندازه‌هایی ساخته می‌شوند که بتوان آن‌ها را در زیر یک میز جا داد؛ با این حال در سال‌های اخیر طراحی‌های کوچک‌تری نیز به‌وجود آمده و محصولاتی مانند آی‌مک شرکت اپل تمامی سخت‌افزارها را در درون یک جعبه قرار می‌دهند. لپ‌تاپها نیز رایانه‌هایی هستند که در فرم یک جعبه تاشو ساخته می‌شوند. در سال‌های اخیر طراحی این‌گونه رایانه‌ها نیز دچار تحول شده‌است. برای مثال نسخه‌هایی از لپ‌تاپ‌ها به‌وجود آمده‌اند نمایشگر آن‌ها جدا شده و تبدیل به تبلت می‌شوند.
منبع تغذیه
یک واحد منبع تغذیه مسئول تبدیل برق متناوب با ولتاژ بالا به برق مستقیم با ولتاژ پایین و قابل استفاده برای قطعات سخت‌افزاری رایانه است. لپ‌تاپ‌ها می‌توانند به کمک باتری نیز تا چند ساعت انرژی مورد نیاز رایانه را تامین کنند.
مادربورد
مادربورد یا بورد اصلی قسمت اصلی سخت‌افزار یک رایانه است. بورد اصلی یک قطعه مستطیل شکل بزرگ است که مدارهای مجتمع فراوانی دارد. این قطعه تمامی سخت‌افزارهای دیگر رایانه مانند پردازنده مرکزی، رم، دیسک‌خوان‌ها (دیسک سخت، دیسک نوری و …) و دیگر قطعات متصل‌شدنی را به هم متصل می‌کند.
قطعاتی که به‌طور مستقیم به مادربورد متصل می‌شوند یا بخشی از این بورد هستند:
پردازنده مرکزی مسئول کارایی رایانه است و بیشترین محاسبات را انجام می‌دهد. این پردازنده که با نام مغز رایانه نیز شناخته می‌شود، توسط یک پنکه خنک و حفره گرما می‌شود. بیشتر پردازنده‌های مرکزی جدید بر روی خود مدار پردازنده گرافیکی نیز دارند.
چیپست که مدار نورث‌بریج بر روی آن قرار دارد، مسئول رابطه پردازنده مرکزی با قطعات دیگر سیستم مانند رم یا حافظه اصلی است.
حافظه دسترسی تصادفی یا رم دادهها و کدی توسط پردازنده مرکزی مورد استفاده قرار می‌گیرد را در خود ذخیره می‌کند.
حافظه فقط خواندنی یا رام بایوس را بر روی خود ذخیره می‌کند. بایوس برنامه‌ایست که در هنگام شروع به‌کار رایانه اجرا می‌شود و فرایند «بوت شدن» یا «راه‌اندازی» نیز نامیده می‌شود. بایوس شامل ثابت‌افزار راه‌انداز و ثابت‌افزار مدیریت تغذیه است. مادربوردهای جدید به‌جای بایوس دارای UEFI هستند.
گذرگاه‌ها پردازنده مرکزی را به قطعات مختلف داخلی و کارت‌های توسعه مانند کارت صدا و کارت گرافیک متصل می‌کنند.
باتری سیماس نیز به مادربورد متصل می‌شود. این باتری برق مورد نیاز برای نگه‌داری زمان و تاریخ در بایوس را تامین می‌کند.
کارت‌های توسعه
کارت توسعه در رایانه یک مدار کامل از پیش ساخته‌شده است که در شیار توسعه بر روی مادربورد قرار می‌گیرد و از طریق درگاه توسعه، قابلیت جدیدی را به سیستم اضافه می‌کند.
قطعات ذخیره‌سازی
ذخیره‌ساز داده رایانه که به آن مخزن یا حافظه می‌گویند به قسمت‌هایی از رایانه اشاره دارد که دادههای دیجیتال را ضبط و نگهداری می‌کنند. ذخیره‌سازی داده یکی از قابلیت اصلی رایانه است و وجود قطعه‌ای برای این کار ضروری است.
رسانه‌های ثابت
داده‌های رایانه بر روی رسانه‌های بسیاری ذخیره‌سازی می‌گردند. دیسک‌های سخت به‌دلیل قیمت پایین و حجم ذخیره‌سازی بالا تقریبا بر روی تمامی سیستم‌های قدیمی‌تر وجود دارند. درایوهای حالت جامد (SSD) امروزه به‌دلیل سرعت بیشتر کم‌کم جایگزین این دیسک‌ها می‌شوند. اما هنوز قیمت بسیار بالاتری نسبت به دیسک‌های سخت دارند. بعضی از سیستم‌ها نیز برای کارایی و قابلیت اطمینان بیشتر از کنترل‌گر صف دیسک‌ها استفاده می‌کنند.
رسانه‌های جداشدنی
برای انتقال داده بین رایانه‌های مختلف می‌توان از یک فلش‌درایو یا دیسک نوری استفاده کرد. میزان مفید بودن این رسانه‌ها به قابلیت پشتیبانی آن‌ها در سیستم‌های مختلف وابسته است. بیشتر سیستم‌ها دارای دیسک‌گردان نوری هستی و تقریبا تمامی آن‌ها از درگاه یواس‌بی بهره می‌برند.
دستگاه‌های جانبی
دستگاه‌های ورودی و خروجی معمولا به‌صورت دستگاه‌های خارجی به شاسی رایانه متصل می‌شوند.
ورودی
دستگاه‌های ورودی به کاربر اجازه می‌دهند تا اطلاعاتی را به سیستم وارد یا عملکرد آن را کنترل کند. بیشتر رایانه‌های شخصی دارای موشواره و صفحه کلید هستند اما بیشتر لپ‌تاپها به‌جای موشواره از تاچ‌پد استفاده می‌کنند. از دستگاه‌های ورودی دیگر می‌توان به وب‌بین، میکروفون، اهرمک و پویشگر تصاویر اشاره کرد.
خروجی
دستگاه‌های خروجی اطلاعات رایانه را به‌صورت قابل خواندن برای انسان نمایش می‌دهند. از میان دستگاه‌های خروجی می‌توان به چاپگر، بلندگو و صفحه نمایش اشاره کرد.
رایانه‌های بزرگ
یک سیستم بزرگ‌رایانه زد۹ شرکت آی‌بی‌ام
یک بزرگ‌رایانه یک رایانه بسیار بزرگ است که معمولا برای نگه‌داری نیاز به یک اتاق کامل دارد. این نوع رایانه‌ها صدها یا هزاران برابر رایانه‌های شخصی هزینه دارند. این رایانه‌های طراحی شده‌اند تا محاسبات بسیار زیادی را برای دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ انجام دهند.
رایانه‌های کوچک
در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ روز به روز قسمت‌های بیشتری از شرکت‌ها رو به استفاده از رایانه‌هایی با کاربری مخصوص مانند کنترل فرایند و اتوماسیون‌های آزمایشگاه‌ها کردند. این رایانه‌های مینی‌رایانه یا رایانه‌های کوچک نام گرفتند.
ابررایانه‌ها
یک ابررایانه در نگاه اول بسیار شبیه به بزرگ‌رایانه است، اما این نوع رایانه‌ها برای پاسخ به درخواست‌های زیاد محاسباتی ساخته شده‌اند. از ماه نوامبر سال ۲۰۱۳ میلادی سریع‌ترین ابررایانه دنیا تیانهه-۲ (به معنای راه شیری-۲) است که در شهر گوانگ‌ژو کشور چین واقع شده‌است.
عبارت ابررایانه به هیچ تکنولوژی خاصی اشاره نمی‌کند بلکه در هر دوره زمانی به سریع‌ترین رایانه‌های در دسترس اطلاق می‌شود. در اواسط سال ۲۰۱۱ میلادی ابررایانه‌ها از سرعت ۱ پتافلاپ یا (هزار میلیون میلیون) عملیات اعداد اعشاری در ثانیه پیشی گرفتند. با اینکه ابررایانه‌ها بسیار سریع هستند اما به‌دلیل هزینه بسیار بالایی که دارند، تنها توسط سازمان‌های بسیار بزرگ برای انجام وظایف محاسباتی بسیار سنگین شامل مجموعه داده‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. ابررایانه‌ها معمولا کاربردهای نظامی و علمی دارند. با اینکه استفاده از این نوع رایانه‌ها میلیون‌ها دلار هزینه دارد، اما برای کاربردهای تجاری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثلا بانکها برای محاسبه میزان خطر و بدست آوردن استراتژی سرمایه‌گذاری از ابررایانه‌ها استفاده می‌کنند یا موسسات بهداشت و درمان با تحلیل داده‌های بسیار بزرگ بیماران سعی می‌کنند روش‌های بهینه درمان را پیدا کنند.
فهرست سخت‌افزارها
برد مادر یا برد اصلی (مادربورد)
نمایشگر (مانیتور)
جعبه رایانه (کیس)
صفحه‌کلید (کیبورد)
موشواره (ماوس)
چاپگر (پرینتر)
پویشگر (اسکنر)
واحد پردازش مرکزی (سی‌پی‌یو یا پردازنده)
فلاپی‌دیسک
دیسک سخت
مودم
دیسک‌گردان نوری (درایو نوری) (CD و DVD)
بلندگو
یو اس بی
کارت صدا
کارت گرافیک
قلم نوری
هدفون (دوگوشی)
کارت تلویزیون و رادیو
دوربین (وب‌کم)
میکروفون
هدست
معماری کامپیوتر
رایانه توکار
پیشینه سخت‌افزار رایانه
رایانه بزرگ
رایانه کوچک
رایانه شخصی
معماری فون نویمان
واحد پردازش مرکزی
حافظه (رایانه)
ورودی/خروجی
دستگاه جانبی