硬件的基礎(chǔ)知識(shí)有哪些
硬件是看得見(jiàn)，摸得著的物理部件或設(shè)備，在研制硬件產(chǎn)品時(shí)，人的創(chuàng)造性活動(dòng)表現(xiàn)在把原材料轉(zhuǎn)變成有形的物理產(chǎn)品;硬件的基礎(chǔ)知識(shí)有哪些?一起來(lái)看看硬件的基礎(chǔ)知識(shí)有哪些，歡迎查閱!
什么是硬件
"硬件(英文名Hardware)，是計(jì)算機(jī)硬件的簡(jiǎn)稱(chēng)(中國(guó)大陸及香港用語(yǔ)，臺(tái)灣作硬體)，是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子，機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱(chēng)。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。"
也就是說(shuō)硬件是物理層面的，至少是你能看得到摸得著的東西，它是一種物質(zhì)載體，物質(zhì)基礎(chǔ)。廣義來(lái)說(shuō)人類(lèi)都是生活在物質(zhì)基礎(chǔ)之上，你可以把所有你能看到的東西都統(tǒng)稱(chēng)為硬件。當(dāng)然狹義來(lái)說(shuō)，一般我們所說(shuō)的軟件和硬件指的是電子領(lǐng)域的。
軟件代碼也是人編寫(xiě)的，我們所熟知的語(yǔ)言比如C、C++等都是通過(guò)編譯器翻譯成匯編語(yǔ)言，然后匯編語(yǔ)言通過(guò)匯編器翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言，機(jī)器語(yǔ)言操控門(mén)電路完成相應(yīng)的動(dòng)作。
個(gè)人覺(jué)得，沒(méi)有硬件，軟件就沒(méi)有存在的意義，硬件是一切的基礎(chǔ)，這里可以看出硬件設(shè)計(jì)是多重要。
但軟件和硬件又有明顯的區(qū)分，至少工作內(nèi)容區(qū)別很大。按照行業(yè)內(nèi)描述硬件屬于底層(一般稱(chēng)為底層硬件)，軟件稱(chēng)為上層(軟件又分為：底層驅(qū)動(dòng)、上層業(yè)務(wù)以及應(yīng)用層等)。
如果非要舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明軟件和硬件，那最好的例子就是人，硬件指人的軀體，而軟件指人的思維。
當(dāng)然，對(duì)于非電子領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，很難想明白計(jì)算機(jī)是怎么工作的，硬件是怎樣工作的，軟件是怎樣工作的，即使你知道都是0和1，但你沒(méi)做過(guò)相關(guān)工作，你發(fā)現(xiàn)不了其中的神奇之處。
其實(shí)你只要知道，軟件驅(qū)動(dòng)硬件工作，驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)是什么?是電訊號(hào)!硬件接收到的這個(gè)電訊號(hào)分為0和1，硬件的響應(yīng)速度非?？欤嗫炷?
一般來(lái)說(shuō)硬件設(shè)計(jì)指的是電路設(shè)計(jì)，這樣說(shuō)是沒(méi)問(wèn)題的，因?yàn)槟闼械墓ぷ鞫际菄@電路設(shè)計(jì)，最終的目標(biāo)也是產(chǎn)出一個(gè)優(yōu)秀的電路，能夠滿(mǎn)足各種要求，經(jīng)歷各種考驗(yàn)。但實(shí)際上我們要求的是產(chǎn)品，而不是單板。
硬件必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)
一、初級(jí)理論篇
1、高等數(shù)學(xué)和線(xiàn)性代數(shù)。這里重點(diǎn)掌握微積分和矩陣，因?yàn)樵诤竺娴恼n程里面將會(huì)大量用到這兩個(gè)東西，是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。
2、大學(xué)物理。這里很多東西其實(shí)在高中有學(xué)到，重點(diǎn)掌握電阻、電容、電感的特性和電生磁、磁生電的原理，其中麥克斯韋方程組將會(huì)在射頻、微波中有用到。
3、電路分析基礎(chǔ)。其實(shí)電路基礎(chǔ)的理論并不難，但是有些抽象的東西，是暫時(shí)不能很好地理解，比如說(shuō)受控源(其實(shí)就是三極管)，所以學(xué)完模電還要再回過(guò)頭來(lái)再看一遍。這里重點(diǎn)掌握戴維南定理，不然后面沒(méi)法學(xué)。
4、模擬電子技術(shù)。這是電子專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課，至少學(xué)三遍，此外，學(xué)啃書(shū)是不行的，還得配合Multisim仿真軟件才能學(xué)好(實(shí)踐部分后面再介紹)。如果說(shuō)電路基礎(chǔ)、高數(shù)當(dāng)中的答案都是明確、唯一的，那么模電的答案將是不明確、多樣化的，需要在實(shí)踐中權(quán)衡取舍，一定要把以前的思維轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)，不然后面沒(méi)法學(xué)。這門(mén)課全部都是重點(diǎn)，但是學(xué)完它，除了抄書(shū)上的電路，你仍然什么都做不了，因?yàn)檫€需要其它方面的知識(shí)一起用才可以。這里不得不提一下器件特性這個(gè)概念，沒(méi)有它將不能打開(kāi)電路設(shè)計(jì)的大門(mén)，但是由于篇幅有限，以后再寫(xiě)文章介紹。
5、數(shù)字電子技術(shù)。這門(mén)課相對(duì)于模電來(lái)說(shuō)，要簡(jiǎn)單很多很多。它把三級(jí)管搭成各種門(mén)電路、觸發(fā)器，以便于直接把數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用起來(lái)，同時(shí)它也是FPGA的先修課，是硬件工程師向算法工程師(跟計(jì)算機(jī)的算法有很大區(qū)別)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。這門(mén)課全部都是重點(diǎn)，但是要真正掌握它，還是得學(xué)FPGA才可以。
6、電力電子技術(shù)。這里講到晶閘管、IGBT和電力MOS管，都是用在強(qiáng)電領(lǐng)域的器件，是開(kāi)關(guān)電源的先修課?？梢哉f(shuō)電源是硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中最關(guān)鍵的部分，一個(gè)電源設(shè)計(jì)得好不好，直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。其中整流、逆變、升壓、降壓電路，都是要重點(diǎn)掌握的。
二、中級(jí)理論篇
1、復(fù)變函數(shù)。這門(mén)課跟高數(shù)的微積分一樣，是一種數(shù)學(xué)工具。復(fù)數(shù)信號(hào)是物理不可實(shí)現(xiàn)的，但是為什么需要復(fù)數(shù)?誠(chéng)然，正弦波(包括余弦，下同)有振幅、頻率和相位三要素，如何在一個(gè)圖上面表示振幅與頻率的關(guān)系或者相位與頻率的關(guān)系(方便觀察分析才需要這樣弄)?這就需要用到復(fù)數(shù)了，其中i或者j(因?yàn)殡娏鞯姆?hào)是i，所以才換成j，以防混淆)表示的就是方向，對(duì)應(yīng)著極坐標(biāo)的向量。我們可以把復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)成模和輻角的形式，想象一下，模就是時(shí)鐘的秒針，而輻角就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，秒針轉(zhuǎn)一圈就是個(gè)圓，而把這個(gè)圓的各點(diǎn)按照出現(xiàn)的時(shí)間先后，重新描繪在直角坐標(biāo)系中，就是一個(gè)正弦波。這就意味著，用復(fù)數(shù)可以表示一個(gè)正弦波的三要素，振幅就是模(秒針的長(zhǎng)短)，相位就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，頻率就是秒針轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。想一下，如果用實(shí)數(shù)來(lái)表示正弦波的三要素，是不是很麻煩?這里重點(diǎn)掌握留數(shù)、保形映射。
2、信號(hào)與系統(tǒng)。介紹如何利用數(shù)學(xué)建模去描述電路，就是這門(mén)課要研究的內(nèi)容。什么是信號(hào)?LED燈的亮滅、喇叭發(fā)出的聲音、天線(xiàn)感應(yīng)的電磁波等，有實(shí)際用途的信息載體(包括聲、光、電、熱等)都是信號(hào)。什么是系統(tǒng)?就是處理信息載體的東西(包括放大器、傳動(dòng)裝置等)。系統(tǒng)是一種更為抽象的概念，可大可小，小到一個(gè)三極管，大到一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，這些都要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定，不能一概而論。這門(mén)課都是重點(diǎn)。
3、自動(dòng)控制原理。自控原理是信號(hào)與系統(tǒng)的姐妹學(xué)科。介紹如何用數(shù)學(xué)建模的方法去分析電路，主要分析電路的穩(wěn)定性。其中，波特圖、PID都是要重點(diǎn)掌握的。學(xué)懂這門(mén)課就可以用里面的知識(shí)去分析一些較為復(fù)雜的帶運(yùn)放的電路，這種電路用KCL和KVL是仍然很難解決。
4、高頻電子線(xiàn)路。高頻是模電的非線(xiàn)性部分。你會(huì)發(fā)現(xiàn)高頻里面很多內(nèi)容跟模電都差不多，也有放大器、振蕩器、功放，但是這些電路用在更高的頻段，所以分析方法有所不同。模電的功底較為扎實(shí)的情況下，再學(xué)這門(mén)課，就不覺(jué)得難，因?yàn)樗旧砭褪悄ｋ姷臄U(kuò)展，而不是全新的領(lǐng)域。這門(mén)課都是重點(diǎn)，至少學(xué)三遍。
5、單片機(jī)。現(xiàn)在已經(jīng)很少不用CPU的硬件電路了，而單片機(jī)正是最簡(jiǎn)單的CPU，所以掌握單片機(jī)也是很有必要的。其中單片機(jī)的接口電路也是相當(dāng)考驗(yàn)?zāi)愕挠布Φ椎摹?/p>
6、電子測(cè)量技術(shù)。做硬件的經(jīng)常要跟儀器打交道，學(xué)習(xí)測(cè)量技術(shù)，一方面讓你更能熟練地使用儀器，另一方面還能讓你做一些測(cè)量電路(配合單片機(jī)就可以運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域)。這里會(huì)接觸很多新器件，大多都是傳感器，當(dāng)然重點(diǎn)研究的還是電氣特性。這門(mén)課并不難，關(guān)鍵要多做實(shí)驗(yàn)。
三、高級(jí)理論篇
1、信號(hào)完整性分析?？梢哉f(shuō)硬件工程師最大的敵人就是干擾，要解決這些干擾就得做好電磁兼容性設(shè)計(jì)，學(xué)好這門(mén)課，才可以畫(huà)出性能更優(yōu)的PCB。
2、開(kāi)關(guān)電源。學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)電源電路，給自己的電路系統(tǒng)配上合適的電源，以及解決電源完整性問(wèn)題，也是相當(dāng)考驗(yàn)硬件工程師的模電功底。
3、射頻電路設(shè)計(jì)。隨著科技的發(fā)展，電路的工作頻率將會(huì)越來(lái)越高，頻率升高會(huì)帶來(lái)各種各樣的難題，所以學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)射頻電路也是很有必要的。
4、通信原理。掌握現(xiàn)代的通信技術(shù)，其中包括信息論基礎(chǔ)和各種調(diào)制方式都會(huì)在各種通信電路當(dāng)中有用到。
5、集成電路原理與應(yīng)用?？梢哉f(shuō)幾乎每塊電路板都會(huì)用到芯片，所以學(xué)習(xí)一下芯片的制造技術(shù)，將會(huì)讓你的硬件水平大大提高。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的案例，數(shù)字電位器里面的電阻就是用MOS管構(gòu)成的有源電阻，一定要上電，它才體現(xiàn)出電阻的特性，如果只使用模電的知識(shí)將無(wú)法理解這一現(xiàn)象。
四、總結(jié)
如果你認(rèn)為這么多書(shū)，怎么看都看不完。那是以一種靜止、偏面的觀點(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題了。其實(shí)上介紹那么多課，很多內(nèi)容都是相通的。比如，數(shù)電里面的移位寄存器，就是單片機(jī)里面的串口收發(fā)器。模電里面的放大器、振蕩器，到了高頻、射頻，照樣講到，只是分析方法有點(diǎn)不同而已。
高頻里面的AM、FM、PM，到了通信原理，照樣講到，此外，還提出了ASK、FSK、PSK這幾種雷同而且更為簡(jiǎn)單的調(diào)制方式。電力電子技術(shù)里面的直流斬波電路，就是開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)容，只是擴(kuò)展了一些內(nèi)容而已。
計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)維的重要性和策略
1、計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)原則
1.1、打造計(jì)算機(jī)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)氛圍
計(jì)算機(jī)工作環(huán)境的溫度正常應(yīng)為 18~30℃之間，太高或太低均會(huì)令機(jī)器加速老化，降低其使用時(shí)間。 所以，必須為計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供適宜的環(huán)境。①要確保溫度適宜。計(jì)算機(jī)在應(yīng)用當(dāng)中，需擺在通風(fēng)良好之處，如此可以令空氣流通，并且因?yàn)橛?jì)算機(jī)顯示屏中的熒光物質(zhì)對(duì)陽(yáng)光照射十分敏感， 會(huì)令溫度快速上升，所以需避免在陽(yáng)光直射處擺放計(jì)算機(jī)。 ②需確保相對(duì)濕度。計(jì)算機(jī)工作的環(huán)境對(duì)濕度具有一定標(biāo)準(zhǔn)。太過(guò)潮濕的環(huán)境會(huì)令硬件發(fā)霉、電路板出點(diǎn)，以此在使用當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)斷路或短路的現(xiàn)象，所以，在應(yīng)用當(dāng)中需避免與水分乃至其他液體接觸。 干燥的環(huán)境會(huì)令計(jì)算機(jī)產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致部分硬件損壞，所以需避免陽(yáng)光直射[1]。
1.2、預(yù)防到位可降低損耗
計(jì)算機(jī)硬件問(wèn)題通常存在兩個(gè)原因： ①硬件自身品質(zhì)問(wèn)題;②計(jì)算機(jī)操作者操作問(wèn)題。 所以，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需依照有效預(yù)防的原則，以便將損耗降到最低。
計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定工作性能需做到以下兩點(diǎn)： ①操作者需具有良好的使用習(xí)慣。 在應(yīng)用當(dāng)中需細(xì)心維護(hù)，不要出現(xiàn)任意敲打鍵盤(pán)、用力拍打計(jì)算機(jī)等動(dòng)作。 并且需加強(qiáng)細(xì)節(jié)的維護(hù)，不可忽略計(jì)算機(jī)正確的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)動(dòng)作，這些都可以成為延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)使用時(shí)間的重要方法。②做足檢測(cè)工作。計(jì)算機(jī)在運(yùn)用當(dāng)中，外部硬件設(shè)施問(wèn)題較易觀察，所以，必須在運(yùn)用過(guò)程中對(duì)外部設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行檢測(cè)，之后在對(duì)其他設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)[2]。
1.3、硬件維護(hù)常識(shí)的掌握
在日常生活、學(xué)習(xí)、工作當(dāng)中，計(jì)算機(jī)的作用已經(jīng)愈發(fā)明顯，在大多數(shù)家庭中都可見(jiàn)到計(jì)算機(jī)。 在購(gòu)買(mǎi)之前，則需以宏觀的`角度了解計(jì)算機(jī)，學(xué)習(xí)相應(yīng)的硬件維護(hù)知識(shí)，令計(jì)算機(jī)產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)可以隨時(shí)進(jìn)行維護(hù)，以免發(fā)生不必要的損失，確保計(jì)算機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)的策略
2.1、顯示器的維護(hù)
顯示器作為電腦關(guān)鍵的輸出設(shè)施之一， 對(duì)其維護(hù)可以從以下幾點(diǎn)著手：
(1)對(duì)于具有磁性的物品 ，例如電視機(jī) 、手機(jī) 、IPAI 等 ，需遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)，因?yàn)榇判晕锲窌?huì)對(duì)顯示器顯像管進(jìn)行磁化，以此令其無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且對(duì)于銀行卡、信用卡等磁性也需加強(qiáng)注意，盡量遠(yuǎn)離顯示器。
(2)為顯示器提供防塵罩 ，在不使用時(shí) ，用防塵罩罩好顯示器，以防進(jìn)入灰塵，由于灰塵會(huì)阻礙計(jì)算機(jī)散發(fā)熱量，所以會(huì)將內(nèi)部電子器件燒壞。
(3)將顯示器亮度或?qū)Ρ榷日{(diào)試適宜狀態(tài)，不可令對(duì)比度過(guò)強(qiáng)，也不可令亮度過(guò)高，降低亮度可以降低顯像管中熒光粉及燈絲的老化速度，可以提高使用時(shí)間。
(4) 不可隨意更改顯示器分辨率 ， 這會(huì)對(duì)顯示器造成損壞，降低其使用時(shí)間。 對(duì)于顯示屏上的內(nèi)容，也不可長(zhǎng)期保持固定不變，不然會(huì)令熒光粉產(chǎn)生老化現(xiàn)象，影響其使用時(shí)間。
2.2、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的維護(hù)
鍵盤(pán)作為輸入信息的主要部件，將其維護(hù)好，可以令計(jì)算機(jī)信息輸入更為順利。
(1)在輸入時(shí) ，不可長(zhǎng)時(shí)間按住一個(gè)鍵不放 ，或者在輸入時(shí)，用力敲打鍵盤(pán)，這些現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致鍵盤(pán)彈性減弱，以此影響計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)，令其無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)在輸入當(dāng)中 ，不可吃東西或喝飲料 ，這樣會(huì)令異物掉入鍵盤(pán)縫隙當(dāng)中，尤其在水進(jìn)入計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)后，會(huì)令電子器件出現(xiàn)短路狀況，甚至?xí)⑵骷龎?，以此影響其使用時(shí)間。
(3)為計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)設(shè)置一層保護(hù)膜，以免灰塵滲入。
(4)時(shí)隔一段時(shí)間 ，則需將鍵盤(pán)取下 ，用專(zhuān)業(yè)工具進(jìn)行灰塵清理，以防灰塵對(duì)其產(chǎn)生損壞。
鼠標(biāo)在應(yīng)用當(dāng)中， 主要出現(xiàn)按鍵彈性喪失或控制失靈現(xiàn)象，因此，在使用當(dāng)中，不可過(guò)分用力按壓鼠標(biāo)鍵，也不可長(zhǎng)時(shí)間按鍵不放，需將鼠標(biāo)置于平整、光滑、整潔的桌面中，最好配備鼠標(biāo)墊。
2.3、主機(jī)的維護(hù)
主機(jī)作為計(jì)算機(jī)最重要的構(gòu)成設(shè)備，是計(jì)算機(jī)的心臟，也是維護(hù)計(jì)算機(jī)的重要所在。開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)間不可低于 30 秒 s，關(guān)閉計(jì)算機(jī)時(shí)，需先將應(yīng)用軟件關(guān)閉，之后點(diǎn)擊開(kāi)始菜單內(nèi)的關(guān)機(jī)，以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)保存不完整或損壞軟件的現(xiàn)象。 不可隨意打開(kāi)主機(jī)箱，特別在開(kāi)機(jī)情況下，也不可隨意觸碰電路板，不可隨意挪動(dòng)主機(jī)箱。 液體容器不可擺在主機(jī)箱附近，以防液體進(jìn)入機(jī)箱中，對(duì)電子元件產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象[3]。
3、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述， 計(jì)算機(jī)硬件的維護(hù)原則及策略遠(yuǎn)不止此，所以，計(jì)算機(jī)使用人員必須掌握計(jì)算機(jī)硬件的相應(yīng)知識(shí)，了解硬件的眾多功能，掌握操作系統(tǒng)的清理與維護(hù)方法，在實(shí)際工作當(dāng)中靈活運(yùn)用，逐步排除問(wèn)題，令計(jì)算機(jī)在生活中為我們提供更多的幫助。
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