大学计算机基础及应用（Python篇）课件：计算机硬件系统

计算机硬件系统

学习目标1、 计算机体系结构2、 商用机的基本组成和配置指标 3、 新型设备的发展 4、 常见故障解决方法 1、计算机体系结构2.1.1冯·诺依曼计算机的基本原理迄今为止，世界上各类计算机的基本结构大多数建立在冯·诺依曼（VonNeumann）计算机模型基础之上。美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼曾作为美国阿伯丁试验基地的顾问参加了ENIAC机的研制工作，得到很多启发。l947年他在自己领导的计算机研制小组进行新方案的设计中，汲取了科学家们长期艰苦研究成果的精华，明确提出了两个极其重要的思想：存储程序和二进制。存储程序就是把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存。计算机中的数据用二进制表示，计算机应该按照程序顺序执行。2.1.2进制与转换计算机中为什么要用二进制？电脑使用二进制是由它的实现机理决定的。我们可以这么理解：电脑的基层部件是由集成电路组成的，这些集成电路可以看成是一个个门电路组成，当计算机工作的时候，电路通电工作，于是每个输出端就有了电压。电压的高低通过模数转换即转换成了二进制：高电平是由1表示，低电平由0表示。也就是说将模拟电路转换成为数字电路。这里的高电平与低电平可以人为确定，一般地，2.5伏以下即为低电平，3.2伏以上为高电平。采用二进制具有以下优点：1.技术实现简单，计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两个状态，开关的接通与断开，这两种状态正好可以用“1”和“0”表示。2.简化运算规则：两个二进制数和、积运算组合各有三种，运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，提高运算速度。3.适合逻辑运算：逻辑代数是逻辑运算的理论依据，二进制只有两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合。4.易于进行转换，二进制与十进制数易于互相转换。5.用二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高等优点。因为每位数据只有高低两个状态，当受到一定程度的干扰时，仍能可靠地分辨出它是高还是低。2.1.3硬件设备的工作原理完整的计算机系统是硬件和软件的统一，硬件和软件互相依存。硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。如果只有计算机硬件而无软件的话，其是无法运行的一个裸机。同样，没有运行在硬件基础之上的各种软件，也是没有用处的。计算机的工作原理跟电视、VCD机差不多，您给它发一些指令，它就会按您的意思执行某项功能。不过，这些指令并不是直接发给您要控制的硬件，而是先通过前面提过的输入设备，如键盘、鼠标，接收您的指令，然后再由中央处理器（CPU）来处理这些指令，最后才由输出设备输出您要的结果。2.1.4计算机的输入设备和输出设备输入输出设备（I/O设备），是数据处理系统的关键外部设备之一，是连接用户和计算机的重要桥梁。输入设备是向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁，是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。输入设备的任务是把数据、指令及某些标志信息等输送到计算机中去。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备（InputDevice），是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。2.2商用机的基本组成和配置指标2.2.1商用机的基本组成根据计算机硬件的基本组成和工作原理，配置商用机主要从几个方面进行配置：1.中央处理器（CPU)--核心部件2.内存（主存储器）3.外存储器(辅助存储器)4.输入设备(IN)和输出设备(OUT)5.显卡(显示器适配卡)2.2.2计算机配置的性能指标1.运算速度运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”（mips）来描述。2.字长计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。3.内存储器的容量内存储器，也简称主存，是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。4.外存储器的容量外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。5.I/O的速度主机I／O的速度，取决于I/O总线的设计。这对于慢速设备（例如键盘、打印机）关系不大，但对于高速设备则效果十分明显。6.显存显存，它的作用是用来存储显卡芯片处理过或者即将提取的渲染数据。如同计算机的内存一样，显存是用来存储要处理的图形信息的部件。2.3新型设备的发展2.3.1硬件集成的多样性以及发展趋势计算机不仅可以进行数值计算，还可以进行逻辑计算，具有存储记忆功能。计算机能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类，较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。2.3.2虚拟现实硬件VR以及3D打印技术 1.虚拟现实硬件VR虚拟现实硬件指的是与虚拟现实技术领域相关的硬件产品，是虚拟现实解决方案中用到的硬件设备。现阶段虚拟现实中常用到的硬件设备，大致可以分为四类。它们分别是：1、建模设备（如3D扫描仪）；2、三维视觉显示设备（如3D展示系统、大型投影系统（如CAVE）、头显（头戴式立体显示器等））；3、声音设备（如三维的声音系统以及非传统意义的立体声）；4、交互设备（包括位置追踪仪、数据手套、3D输入设备（三维鼠标）、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备以及其他交互设备）。2.3D打印技术3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。2.3.3硬件的高度集成在嵌入式方面的应用嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成，如图2-29所示。嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有以下的特点：集成度高、非标准化、接口非常复杂。在嵌入式系统中，对于处理器没有集成、但是系统需要的部件，也可以通过外部扩展的方式实现。但是本着嵌入式系统设计中性价比最高的原则，应该首先选择最适用（即内部功能模块最满足应用需求）的处理器，而不是确定了一个控制器之后再进行扩展。嵌入式系统中处理器的集成度大都很高。2.4常见故障解决方法在我们日常使用计算机的过程中，常常会遇到各种故障问题，如何有效地排除故障呢？下面我们给出常见故障的解决方法。故障一：计算机自动关机。计算机自动挂机主要是指计算机在正常使用过程中，突然出现系统自动关闭或者系统重启的现象。造成计算机自动关机故障出现的原因有很多，最常见的原因是CPU温度过高、病毒软件入侵或者电源管理故障等。处理方法：针对造成计算机自动关机现象发生的常见原因，其处理方法主要是：先检查计算机CPU散热是否正常，即先打开机箱，检查风扇的运转情况。如果是是风扇问题，一般需要进行风扇的除尘维护或者更换风扇即可。如果不是风扇问题，则需要先进行计算机病毒查杀。如果不是病毒问题，则很可能是计算机的电源老化或者损坏造成计算机自动关机的，此时需要更换电源。故障二：计算机经常死机。主要是指计算机在使用过程中，突然出现系统当机、蓝屏或者黑屏等现象。通常情况下，造成计算机死机现象发生的原因主要是系统本身问题、软件问题或者病毒入侵等。处理方法：处理计算机经常死机故障的方法主要是：先检查计算机系统中是否有系统文件被损坏，然后进行修复。如果不是系统问题，再查看计算机的应用软件是否缺少补丁或者软件不兼容等，如果是软件问题，需要下载软件补丁或者删除不兼容的软件。最后，则需要对计算机进行病毒查杀。另外，计算机缓存设计不合理、硬件过热、硬件故障也会造成计算机经常死机故障的发生。故障三：计算机的CPU占有率100%。这一故障主要表现是计算机使用过程中，系统运行变慢，甚至是假当机。造成该故障发生的原因主要有病毒入侵、病毒查杀软件故障、网卡故障或者计算机启动设置不当等。处理方法：解决计算机CPU占有率过高或者100%的方法主要是：先进行病毒查杀，将入侵病毒清除。然后检查病毒查杀软件，尽量少使用这些软件的监控服务。其次，需要检查网络连接，排除网卡故障。最后则需要更改计算机的设置。故障四：U盘是好的，插到别的计算机上好用。USB插口也是好的，插其它的东西都好用。计算机也没中什么病毒，杀过好几遍毒了，也没有病毒。U盘插上和拔出来的时候有声音。就是在我的计算机里找不到。处理方法：U盘