硬件工程師培訓手冊(存儲版)

　　

【正文】 )、存儲器和輸入 /輸出設備幾個部分。 三、存儲器 每臺計算機都有 3 個主要的數據存儲部件 :主存儲器、高速寄存器和外部文件存儲器。輸出設備類似人的手，執行大腦 (CPU)發出的指令，可完成一定的功能，輸出計算機的運算結果。 七、順序控制 在機器語言程序中下一條要被執行的指令通常是由程序地址寄存器 (也稱為指令計數器 )的內容確定的。計算機必須包含一個指定和存取操作數的機制。如果僅在硬件中采用簡單的存取管理機制，則在整個程序的執行過程中數據都被存放在內存中，每個時刻只有一個程序被運行。如果所需的數據恰在緩存中，則中央處理器就直接調用該緩存中的數據，被修改的數據在相對較慢的主存速率下被存至主存。 十一、計算機狀態 從靜態角度觀察一臺計算機，可以把它視為是由數據、操作和控制結構等組成的一個完整的系統。 第二章 CPU 的發展及相關產品技術 C P U (C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t)，即中央處理單元，也稱微處理器，是整個系統的核心，也是整個系統最 高的執行單位。換句話說，若換上不 同的主板和 CPU，電腦就可以從 486 變成 Pentium Ⅲ ，其他附件如顯示器、聲卡和鍵盤等基本上可以通用。 :芯片組由 North Bridge(北橋 )芯片和 South Bridge(南橋 )芯片組成。供 AMD Athlon 使用的 AMD 750 、 VIA KX133(已淘汰 )。 插槽 :這是最古老的主板插槽，它的工作頻率最慢 ，只有 8MHz，通體黑色。不同插槽的引腳數量、額定電壓和性能也不盡相同。 一、主頻、倍頻和外頻 我們經常說“這款 C PU 的頻率是多少多少 ”，其實這個泛指的頻率是指C PU 的 主 頻 ， 主 頻 也 就 是 CPU 的時鐘頻率，英文全稱叫做C P U C l o c k S p e ed，簡單地說也就是 CPU 運算時的工作頻率 。一般我們放在外存 (磁盤或者各種存儲介質 )上面的資料都要通 過內存，然后再進入 C PU 進行處理，所以與內存之間的通道，也就是內存總線的速度對整個系統的 性能就顯得尤為重要。 隨著 C PU 的制造工藝與主頻的提高，近年來各種 C PU 的工作電壓呈逐步下降的趨勢，以解決發熱過高的 問題。 4 86 以下的 C PU 屬于低標量結構，即在這 類 C PU 內執行一條指令至少需要一個或一個以上的時鐘周期。這 3 項技術是多路分支預測、數據流量分析和猜測執行。然后，處理器再決定如何優化執行順序以便高效 地處理和執行指令。 M MX 指令集中包括有 57 條多媒體指令，通過這些指令可以一次處理多個數據， 在處理結果超過實際處理能力的時候也能進行正常處理 ，這樣在軟件的配合下，就可以得到更高的 性能。 理論上這些指令對目前流行的圖像處理、浮點運算、 3D 運 算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒 體應用起到全面強化的作用。隨著 CPU 頻率的提高， 微米 及 曾 經 普 遍 使 用 的 微 米 工 藝 成 為 C PU 市 場 的 主 流 。 第五節 當前 CPU 的技術特點 一、制造工藝 —— 更細的線寬 近兩年來主流 CPU 最顯著的技術特征之一就是 CPU 制造工藝的進步。 而最終推出的 SSE 指令集也就是所謂勝出的 “互聯網 S SE ”指令集。 第四節 CPU 指令集 為了提高計算機在多媒體、 3D 圖形方面的處理和應用能力，與 C PU 處理器相對應的，各種處理 器指令集應運而生，其中最著名的 3 種便是 I n t el 公司的 MMX 、 SSE 和 AMD 的 3 D N o w!指令集。 拋開原程序的順序，分析并重排指令，優化執行順序。而采用寫通(Writethrough)結構的高速緩存，僅對讀操作有效。 八、超標量 超標量是指在一個時鐘周期內 CPU 可以執行一條以上的指令。 四、工作電壓 工作電壓的英文全稱是 Supply Voltage，即 CPU 正常工作所需的電壓。 二、內存總線速度 內存總線 速度的英文全稱是 M e m o r y B u s S p e ed 。 CPU 的工作原理簡單地說就像是一個工廠對產品的加工過程 :進入工廠的原料 (指令 )，經過物資分 配部門 (控制單元 )的調度分配，被送往生產線 (邏輯運算單元 )，生產出成品 (處理后的數據 )后，再 存儲在倉庫 (存儲器 )中，最后等著拿到市場上去賣 (交由應用程序使用 )。 插槽 :全稱是 (Audio/Modem Riser，音效 /調制解調器插槽 )，用以插入聲卡或 Modem 卡。 AGP 接口從最初的AGP 1x 發展到 AGP 2x 、 AGP Pro 和 AGP 4x，速度越來越快，功耗也越來越高。Memory Controller Hub)芯片、ICH(I/O Controller Hub)芯片和 FWH(Firm Ware Hub)芯片組成。AMD Duron 和 Thunderbird 用的 Socket A 。它是 PC 機的 “總司令部 ”，主板所用的芯片組、 IOS 、電源器件和布線水平等決定了它的 “級別 ”。當程序執行結束后，最終狀態定義就是這些存儲器的內容。值得指出的是，計算機硬件的組織通常都具有不同的形式。 另外，為了平衡主存和中央處理器間的速度差異，可使用緩存。實現該原則的主要困難是 CPU 每次操作的時間一般是以毫微秒計，而內存存取時間是微秒級。 八、數據存取 除了操作碼，每條機器指令還需要指定操作碼所需的操作數。 六、操作集 每臺計算機都有一內部基本操作集與機器語言指令相對應。 四、輸入 /輸出 (I/O )設備 輸入設備類似人的眼睛、耳朵和鼻子，負責信息的采集，并提交給 CPU 處理。 3 個部分相互協調便可以進行分析、判斷和計算，并控制計算機各部分協調工作。 Von Neumann 體系結構的特點如下 : 硬件工程師培訓教程（二） 第二節 計算機的體系結構 一臺計算機由硬件和軟件兩大部分組成。 Crusoe 芯片的開發者 Transmeta 公司在芯片研發過程中采用了一種革命性的微處理器設計方案。 2 .V I A C3 2 0 01 年 5 月 25 日， V IA 在 CeBIT 2020 上發布新的 C3 36 處理器，采用標準的 Socket 370 接口，起始頻率為 7 3 3 M Hz 。但 Joshua 沒有上市，后來 VIA 將 IDT 的 WinChip4 重 新命名為 C y r i x Ⅲ ，這就是 S a m u el 。 A MD 如果能成功開發出 K8，勢必會如愿以償地 成為 x 86 體系的領導者。 5 .K8 代碼為“ SledgeHammer ”(大錘 )的 K8 處理器是 AMD 與 Intel Pentium 4 競爭的下一代技術產品。目前， A MD 還沒有透露有關 T h o r o u g h b r ed 的更多信息。 M o r g an 的關鍵技 術特征有 :64KB 或 128KB 全速二級緩存 。 第 三 ， Thunderbird 處理器和P Ⅲ Coppermine 處理器 的二級緩存還有一個不同之處在于， T h u n d e r b i rd 處理器內置了 16 通道的二級緩存訪問，而 P Ⅲ Coppermine 處理器僅設置有 8 通道二級緩存訪問。 Duron 內置的 128KB 一級緩存從數量上已經是 Celeron Ⅱ 的 4 倍，這樣在平時工作中就允許有足夠多的數據存放在一級緩 存中，一級緩存的命中率提高了，二級緩存的瓶頸就可以得到有效遏制。正式上市的D u r on 起始主頻為 600MHz 。 2020 年 8 月 27 日， Intel 發布主頻高達 2GHz 的 P4 處理器。 2020 年 7 月 :Intel 發布研發代號為 Willamette 的 Pentium 4 處理器，管腳為 423 或 478 根，其芯 片內部集成了 256KB 二級緩存，外頻為 400MHz，采用 μm 工藝制造 ，使用 SSE2 指令集，并整合了散熱器，其主頻從 起步。 1999 年 2 月 22 日： AMD 公司發布 K63 400MHz 處理器。 1997 年 :Heft Auto 、 Quake 2 和 Blade Runner 等著名游戲軟件發布，并帶動 3D 圖形加速卡迅速崛起。該操作系統大大不同于以前的版本 ，完全脫離 MSDOS，但為照顧用戶 習慣還保留了 DOS 模式。 1993 年 5 月 :MPC 標準 2 發布，要求 CDROM 傳輸率達到 300KB/s，在 320 240 的窗口中每秒播放 15 幀圖像。為了促進 OS/2 的發展， Bill Gates 說 DOS 是 DOS 終結者，今后將不再花精力于此。 1989 年 4 月 10 日 :80486 DX 發布。 1985 年 12 月 :MSDOS 和 PCDOS 發布。 1983 年 3 月 :MSDOS 和 PCDOS 增加了類似 UNIX 分層目錄的管理形式。由 IBM 銷售的版本叫 PCDOS，由 Microsoft 銷售的叫 MSDOS 。 1979 年 :低密軟磁盤誕生。 1975 年 :Bill Gates 和 Paul Allen 創辦 Microsoft 公司 (現已成為全球最大、最成功的軟件公司 )。 五、當代計算機技術漸入輝煌 在此之前，應該說計算機技術還是主要集中于大型機和小型機領域的發展。其主要設計者是 UNIX 系統的開發者之一 Dennis Ritche。 1970 年 :Inter 的雛形 ARPANet 基本完成，開始向非軍用部門開放。 1967 年 :Niklaus Wirth 開始開發 PASCAL 語言， 1971 年完成。 1964 年 :發布 IBM 360 首套系列兼容機。但因為在發明微處理器時借鑒了日本公司的技術，所以日本對其專利不承認，因為日本 沒有得到應有的利益。 1954 年 :IBM 的 John Backus 和他的研究小組開始開發 FORTRAN(FORmula TRANslation) ， 1957 年完成。這是一個突破，可以多次在磁帶上存儲程序。它運行更可靠，每個數用 7 個繼電器表示，可進行浮點運算。 1941 年夏季 :Atanasoff 和學生 Berry 完成了能解線性代數方程的計算機，取名叫 “ABC ”(Atanasoff Berry Computer)，用電容作存儲器 ，用穿孔卡片作輔助存儲器 ，那些孔實際上是 “ 燒 ” 上去的，時鐘頻率是 60Hz，完成一次加法運算用時一秒。 1935 年 :IBM 推出 IBM 601 機。 1890 年 :美國人口普查部門希望能得到一臺機器幫助提高普查效率。該裝置通過轉動齒輪來進行操作。 第一節 計算機的發展歷史 現代電子計算機技術的飛速發展，離不開人類科技知識的積累，離不開許許多多熱衷于此并嘔心瀝血的科學家的探索，正是這一代代的積累才構筑了今天的“信息大廈”。而在這些思想創意的火花中 ，制造一臺能幫助人進行計算的機器則是最耀眼、最奪目的一朵。 1671 年 :德國數學家 Gottfried Leibniz 設計了一架可以進行乘法運算，最終答案長度可達 16 位的計算工具。 1896 年 :Herman Hollerith 創辦了 IBM 公司的前身。 1937 年 :英國劍橋大學的 Alan (1912 ～ 1954 年 )出版了他的論文 ，并提出了被后人稱之為 “ 圖靈機 ” 的數學模型。該機使用了 3304 個繼電器 ，60 個開關作為機械只讀存儲器 。 三、晶體 管計算機的發展 真空管時代的計算機盡管已經步入了現代計算機的范疇，但因其體積大、能耗高、故障多、價格貴，從而制約了它的普及和應用。由此開創了存儲時代的新紀元。 四、集成電路為現代計算機鋪平道路 盡管晶體管的 采用大大縮小了計算機的體積、降低了價格 、減少了故障 ，但離用戶的實際要求仍相距甚遠，而且各行業對計算機也產生了較大的需求，生產性能更強、重量更輕、價格更低的機器成了當務之急。 1959 年 :Grace Murray Hopper 開始開發 COBOL(COmmon BusinessOriented Language)語言 ，完成于 1961 年。 1965 年 :Lofti Zadeh 創立模糊邏輯，用來處理近似值問題。 1969 年 :ARPANet(Advanced Research Projects Agency Network)計劃開始啟動，這是現代 Inter 的雛形。基于大規模集成電路及后來的超大規模集成電路。 1972 年 4 月 1 日 :Intel 推出 8008 微處理器。 喬布斯