大學計算機基礎(chǔ)及應(yīng)用（Python篇）課件：計算機硬件系統(tǒng)

計算機硬件系統(tǒng)

學習目標1、 計算機體系結(jié)構(gòu)2、 商用機的基本組成和配置指標 3、 新型設(shè)備的發(fā)展 4、 常見故障解決方法 1、計算機體系結(jié)構(gòu)2.1.1馮·諾依曼計算機的基本原理迄今為止，世界上各類計算機的基本結(jié)構(gòu)大多數(shù)建立在馮·諾依曼（VonNeumann）計算機模型基礎(chǔ)之上。美籍匈牙利數(shù)學家約翰·馮·諾依曼曾作為美國阿伯丁試驗基地的顧問參加了ENIAC機的研制工作，得到很多啟發(fā)。l947年他在自己領(lǐng)導的計算機研制小組進行新方案的設(shè)計中，汲取了科學家們長期艱苦研究成果的精華，明確提出了兩個極其重要的思想：存儲程序和二進制。存儲程序就是把程序本身當作數(shù)據(jù)來對待，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式儲存。計算機中的數(shù)據(jù)用二進制表示，計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。2.1.2進制與轉(zhuǎn)換計算機中為什么要用二進制？電腦使用二進制是由它的實現(xiàn)機理決定的。我們可以這么理解：電腦的基層部件是由集成電路組成的，這些集成電路可以看成是一個個門電路組成，當計算機工作的時候，電路通電工作，于是每個輸出端就有了電壓。電壓的高低通過模數(shù)轉(zhuǎn)換即轉(zhuǎn)換成了二進制：高電平是由1表示，低電平由0表示。也就是說將模擬電路轉(zhuǎn)換成為數(shù)字電路。這里的高電平與低電平可以人為確定，一般地，2.5伏以下即為低電平，3.2伏以上為高電平。采用二進制具有以下優(yōu)點：1.技術(shù)實現(xiàn)簡單，計算機是由邏輯電路組成，邏輯電路通常只有兩個狀態(tài)，開關(guān)的接通與斷開，這兩種狀態(tài)正好可以用“1”和“0”表示。2.簡化運算規(guī)則：兩個二進制數(shù)和、積運算組合各有三種，運算規(guī)則簡單，有利于簡化計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高運算速度。3.適合邏輯運算：邏輯代數(shù)是邏輯運算的理論依據(jù)，二進制只有兩個數(shù)碼，正好與邏輯代數(shù)中的“真”和“假”相吻合。4.易于進行轉(zhuǎn)換，二進制與十進制數(shù)易于互相轉(zhuǎn)換。5.用二進制表示數(shù)據(jù)具有抗干擾能力強，可靠性高等優(yōu)點。因為每位數(shù)據(jù)只有高低兩個狀態(tài)，當受到一定程度的干擾時，仍能可靠地分辨出它是高還是低。2.1.3硬件設(shè)備的工作原理完整的計算機系統(tǒng)是硬件和軟件的統(tǒng)一，硬件和軟件互相依存。硬件是軟件賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件的正常工作是硬件發(fā)揮作用的唯一途徑。計算機系統(tǒng)必須要配備完善的軟件系統(tǒng)才能正常工作，且充分發(fā)揮其硬件的各種功能。如果只有計算機硬件而無軟件的話，其是無法運行的一個裸機。同樣，沒有運行在硬件基礎(chǔ)之上的各種軟件，也是沒有用處的。計算機的工作原理跟電視、VCD機差不多，您給它發(fā)一些指令，它就會按您的意思執(zhí)行某項功能。不過，這些指令并不是直接發(fā)給您要控制的硬件，而是先通過前面提過的輸入設(shè)備，如鍵盤、鼠標，接收您的指令，然后再由中央處理器（CPU）來處理這些指令，最后才由輸出設(shè)備輸出您要的結(jié)果。2.1.4計算機的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備），是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵外部設(shè)備之一，是連接用戶和計算機的重要橋梁。輸入設(shè)備是向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，是計算機與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁，是用戶和計算機系統(tǒng)之間進行信息交換的主要裝置之一。輸入設(shè)備的任務(wù)是把數(shù)據(jù)、指令及某些標志信息等輸送到計算機中去。鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、游戲桿、語音輸入裝置等都屬于輸入設(shè)備（InputDevice），是人或外部與計算機進行交互的一種裝置，用于把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序輸入到計算機中。2.2商用機的基本組成和配置指標2.2.1商用機的基本組成根據(jù)計算機硬件的基本組成和工作原理，配置商用機主要從幾個方面進行配置：1.中央處理器（CPU)--核心部件2.內(nèi)存（主存儲器）3.外存儲器(輔助存儲器)4.輸入設(shè)備(IN)和輸出設(shè)備(OUT)5.顯卡(顯示器適配卡)2.2.2計算機配置的性能指標1.運算速度運算速度是衡量計算機性能的一項重要指標。通常所說的計算機運算速度（平均運算速度），是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)，一般用“百萬條指令／秒”（mips）來描述。2.字長計算機在同一時間內(nèi)處理的一組二進制數(shù)稱為一個計算機的“字”，而這組二進制數(shù)的位數(shù)就是“字長”。3.內(nèi)存儲器的容量內(nèi)存儲器，也簡稱主存，是CPU可以直接訪問的存儲器，需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)就是存放在主存中的。4.外存儲器的容量外存儲器容量通常是指硬盤容量（包括內(nèi)置硬盤和移動硬盤）。外存儲器容量越大，可存儲的信息就越多，可安裝的應(yīng)用軟件就越豐富。5.I/O的速度主機I／O的速度，取決于I/O總線的設(shè)計。這對于慢速設(shè)備（例如鍵盤、打印機）關(guān)系不大，但對于高速設(shè)備則效果十分明顯。6.顯存顯存，它的作用是用來存儲顯卡芯片處理過或者即將提取的渲染數(shù)據(jù)。如同計算機的內(nèi)存一樣，顯存是用來存儲要處理的圖形信息的部件。2.3新型設(shè)備的發(fā)展2.3.1硬件集成的多樣性以及發(fā)展趨勢計算機不僅可以進行數(shù)值計算，還可以進行邏輯計算，具有存儲記憶功能。計算機能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計算機由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成，沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機?？煞譃槌売嬎銠C、工業(yè)控制計算機、網(wǎng)絡(luò)計算機、個人計算機、嵌入式計算機五類，較先進的計算機有生物計算機、光子計算機、量子計算機等。2.3.2虛擬現(xiàn)實硬件VR以及3D打印技術(shù) 1.虛擬現(xiàn)實硬件VR虛擬現(xiàn)實硬件指的是與虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的硬件產(chǎn)品，是虛擬現(xiàn)實解決方案中用到的硬件設(shè)備?，F(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實中常用到的硬件設(shè)備，大致可以分為四類。它們分別是：1、建模設(shè)備（如3D掃描儀）；2、三維視覺顯示設(shè)備（如3D展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)（如CAVE）、頭顯（頭戴式立體顯示器等））；3、聲音設(shè)備（如三維的聲音系統(tǒng)以及非傳統(tǒng)意義的立體聲）；4、交互設(shè)備（包括位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套、3D輸入設(shè)備（三維鼠標）、動作捕捉設(shè)備、眼動儀、力反饋設(shè)備以及其他交互設(shè)備）。2.3D打印技術(shù)3D打印（3DP)即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。2.3.3硬件的高度集成在嵌入式方面的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個部分組成，如圖2-29所示。嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上是計算機系統(tǒng)，但是具有以下的特點：集成度高、非標準化、接口非常復(fù)雜。在嵌入式系統(tǒng)中，對于處理器沒有集成、但是系統(tǒng)需要的部件，也可以通過外部擴展的方式實現(xiàn)。但是本著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中性價比最高的原則，應(yīng)該首先選擇最適用（即內(nèi)部功能模塊最滿足應(yīng)用需求）的處理器，而不是確定了一個控制器之后再進行擴展。嵌入式系統(tǒng)中處理器的集成度大都很高。2.4常見故障解決方法在我們?nèi)粘Ｊ褂糜嬎銠C的過程中，常常會遇到各種故障問題，如何有效地排除故障呢？下面我們給出常見故障的解決方法。故障一：計算機自動關(guān)機。計算機自動掛機主要是指計算機在正常使用過程中，突然出現(xiàn)系統(tǒng)自動關(guān)閉或者系統(tǒng)重啟的現(xiàn)象。造成計算機自動關(guān)機故障出現(xiàn)的原因有很多，最常見的原因是CPU溫度過高、病毒軟件入侵或者電源管理故障等。處理方法：針對造成計算機自動關(guān)機現(xiàn)象發(fā)生的常見原因，其處理方法主要是：先檢查計算機CPU散熱是否正常，即先打開機箱，檢查風扇的運轉(zhuǎn)情況。如果是是風扇問題，一般需要進行風扇的除塵維護或者更換風扇即可。如果不是風扇問題，則需要先進行計算機病毒查殺。如果不是病毒問題，則很可能是計算機的電源老化或者損壞造成計算機自動關(guān)機的，此時需要更換電源。故障二：計算機經(jīng)常死機。主要是指計算機在使用過程中，突然出現(xiàn)系統(tǒng)當機、藍屏或者黑屏等現(xiàn)象。通常情況下，造成計算機死機現(xiàn)象發(fā)生的原因主要是系統(tǒng)本身問題、軟件問題或者病毒入侵等。處理方法：處理計算機經(jīng)常死機故障的方法主要是：先檢查計算機系統(tǒng)中是否有系統(tǒng)文件被損壞，然后進行修復(fù)。如果不是系統(tǒng)問題，再查看計算機的應(yīng)用軟件是否缺少補丁或者軟件不兼容等，如果是軟件問題，需要下載軟件補丁或者刪除不兼容的軟件。最后，則需要對計算機進行病毒查殺。另外，計算機緩存設(shè)計不合理、硬件過熱、硬件故障也會造成計算機經(jīng)常死機故障的發(fā)生。故障三：計算機的CPU占有率100%。這一故障主要表現(xiàn)是計算機使用過程中，系統(tǒng)運行變慢，甚至是假當機。造成該故障發(fā)生的原因主要有病毒入侵、病毒查殺軟件故障、網(wǎng)卡故障或者計算機啟動設(shè)置不當?shù)?。處理方法：解決計算機CPU占有率過高或者100%的方法主要是：先進行病毒查殺，將入侵病毒清除。然后檢查病毒查殺軟件，盡量少使用這些軟件的監(jiān)控服務(wù)。其次，需要檢查網(wǎng)絡(luò)連接，排除網(wǎng)卡故障。最后則需要更改計算機的設(shè)置。故障四：U盤是好的，插到別的計算機上好用。USB插口也是好的，插其它的東西都好用。計算機也沒中什么病毒，殺過好幾遍毒了，也沒有病毒。U盤插上和拔出來的時候有聲音。就是在我的計算機里找不到。處理方法：U盤