硬件工程師培訓手冊-資料下載頁

【導讀】要想成為一名計算機硬件工程師，不了解計算機的歷史顯然不行。從下面這個按時間順序展現的計算機發(fā)展簡史中，我們可以感受到科。技發(fā)展的艱辛及科學技術的巨大推動力。技術的發(fā)展，人們長期被神權壓抑的創(chuàng)造力得到了空前的釋放。創(chuàng)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。從那時起，一個又一個科學家為了實現這一偉大的夢想而不懈努力著。而后人在享用這些甜美成果。其中提到他發(fā)明了一種可以進行四則運算和方根運算的精巧裝置。算，最終答案長度可達16位的計算工具。輸入程序和數據的設計被后人所采用。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。正式開始了由量到質的轉變，由此導致電子計算機正式問世。1943年1月:MarkI自動順序控制計算機在美國研制成功。MarkI被用來為美國海軍計算彈道火力表。它運行更可靠，每個數用7個繼電器表示，可進行浮點運算。銷售權由IBM公司獲得。

　　

【正文】 片組成。 目前常見的芯片組有供 Intel Pentium Ⅱ /Ⅲ 、 Celeron 使用的 VIA 693A 、 VIA 694X 、 Intel 440BX 、 Intel i810 、 Intel i815/i815E。供 AMD Athlon 使用的 AMD 750 、 VIA KX133(已淘汰 )。供 AMD Thunderbird 和 Duron 使用的 KT133 、 KT133A。供 Socket 7 CPU 使用的 VIA MVP3 和 VIA MVP4 等。 :在電源接口和 CPU 插槽的周圍有一些整齊排列的大電容和大功率的穩(wěn)壓管，再加上濾波線圈和穩(wěn)壓控制集成電路，共同組成了主板的電源部分。設計合理的電源電路可以讓主板工作更穩(wěn)定，減少死機現象。 插槽 :AGP(Accelerated Graphics Port)即加速圖形端口，是主板上靠近CPU 插座的褐色插槽，它通過專用的 AGP 總線直接與北橋芯片相連，所以 AGP 顯卡的傳輸速率大大超過與其他設備共享總線的 PCI 顯卡。 AGP 接口從最初的AGP 1x 發(fā)展到 AGP 2x 、 AGP Pro 和 AGP 4x，速度越來越快，功耗也越來越高。AGP 1x 能提供 266MB/s 的帶寬，而 AGP 2x 可達到 533MB/s 的帶寬，最新的 AGP 4x 高達 1066MB/s 。 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。不過也不要小看它，這可是 486 時代紅極一時的產品，為計算機的發(fā)揚光大立下了汗馬功勞。現在只有少數聲卡和網卡會用到此插槽， Intel 公司已經在 PC39。99 規(guī)范中將此插槽徹底取消。 插槽 :這是常見也是最常用的主板插槽，很多聲卡、網卡和 SCSI 卡都采用此接口。 PCI 插槽的工作頻率為 33MHz(也有個別工作在 66MHz)下。 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。 :按所接內存條劃分，內存插槽包括 EDO 、 SDRAM 、 RDRAM 和DDR 等。不同插槽的引腳數量、額定電壓和性能也不盡相同。目前常用的是 SDRAM 插槽，有 168 個引腳。而 DDR 和 RDRAM 插槽則是今后的發(fā)展方向。 和軟驅接口 :IDE 接口用來連接硬盤和光驅，軟驅接口則用來連接軟盤驅動器。 :BIOS(Basic Input/Output System —— 基本輸入、輸出系統(tǒng) )是一塊裝入了啟動和自檢程序的 EPROM 或 EEPROM 集成電路。 硬件工程師培訓教 程（六） 第三節(jié) CPU 的相關指標 在深入了解了 C PU 的架構和生產過程后，接下來我們看看 C PU 的工作原理和相關指標。 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 )。了解了這樣一種工作原理， 性能指標對 C PU 的影響自然也就顯而易見了。 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 般說來，主頻越高，一個時鐘周期里完成的指令數也越多，當然 C PU 的速度也就越快了。由于各 種 C PU 的內部結構不盡相同，所以并非時鐘頻率相同性能就一樣。外頻是系統(tǒng)總線的工作頻率。倍 頻則是指 C PU 外頻與主頻相差的倍數。三者有十分密切的關系 :主頻 =外頻 倍頻。 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 處理的數據都是由主存儲器提供的，而主 存儲器也就是我們平常所說的內存了。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(tǒng)的 性能就顯得尤為重要。由于內存和 CPU 之間的運行速度或多或少會有差異，因此便出現了二級緩存， 來協(xié)調兩者之間的差異。內存總線速度是指 C PU 二級 (L 2)高速緩存和內存之間的通信速度。 三、擴展總線速 度 擴展總線速度的英文全稱是 E x p a n s i o n B u s S p e ed 。擴展總線指的是微機系統(tǒng)的局部總線，如 VESA 或 PCI 總線。平時用戶打開電腦機箱時，總可以看見一些插槽般的東西，這些東西又叫做擴展 槽，上面可以插顯卡、聲卡之類的功能模塊，而擴展總線就是 C PU 用以聯(lián)系這些設備的橋梁。 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。早期CPU(286 ～ 486 時代 )的 工作電壓一般為 5V，那是因為當時的制造工藝 相對落后，以至于 C PU 的發(fā)熱量太大，弄得壽命減短。 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(fā)熱過高的 問題。 五、地址總線寬度 應當說地址總線寬度決定了 C PU 可以訪問的物理地址空間，換句話說就是C PU 到底能夠使用多大 容量的內存。 16 位的微機我們就不用說了，但是對于3 86 以上的微機系統(tǒng)，地址線的寬度為 32 位， 最多可以 直接訪問4 0 9 6 M B (4 G B)的物理空間。 六、數據總線寬度 數據總線負責整個系 統(tǒng)的數據流量的大小，而數據總線寬度則決定了CPU 與二級高速緩存、內存 以及輸入 /輸出設備之間一次數據傳輸的信息量。 七、數學協(xié)處理器 4 86 以前的 CPU 沒有內置數學協(xié)處理器，由于數學協(xié)處理器的主要功能就是負責浮點運算，因此 386 、 2 86 和 8088 等 C PU 的浮點運算性能都相當落后，相信接觸過 3 86 的朋友都知道主板上可以另外 加一個外置數學協(xié)處理器，其目的就是為了增強浮點運算的能力。 4 86 以后的 C PU 一般都內置了數學 協(xié)處理器，功能也不再局限于增強浮點運算，含有內置數 學協(xié)處理器的 C PU，可以加快特定類型的 數值計算，某些需要進行復雜計算的軟件系統(tǒng)，如高版本的A u t o C AD 就需要數學協(xié)處理器支持。 八、超標量 超標量是指在一個時鐘周期內 CPU 可以執(zhí)行一條以上的指令。這在 486 或者以前的 CPU 上是很難想象的，只有 P e n t i um 級以上 C PU 才具有這種超標量結構。 4 86 以下的 C PU 屬于低標量結構，即在這 類 C PU 內執(zhí)行一條指令至少需要一個或一個以上的時鐘周期。 九、 L1 高速緩存 L1 高速緩存也就是大家經常說到的 一級高速緩存。 C PU 內置高速緩存可以提高運行效率，這也是 486DX 比 386DX40 快的原因。內置的 L1 高速緩存的容量和結構對 C PU 的性能影響較大，容量越大，性 能也相對會提高不少，這也正是一些公司力爭加大 L1 高速緩存容量的原因。不過高速緩沖存儲器均由 靜態(tài)RAM 組成，結構較復雜，在 CPU 管芯面積不能太大的情況下， L1 級高速緩存的容量不可能做得太 大。 十、采用回寫 (Write Back)結構的高速緩存 采用回寫結構的高速緩存對讀和寫操作均有效，速度較快 。而采用寫通(Writethrough)結構的高速緩存，僅對讀操作有效。 十一、動態(tài)處理 動態(tài)處理是應用在高能奔騰處理器中的新技術，創(chuàng)造性地把 3 項專為提高處理器對數據的操作效 率而設計的技術融合在一起。這 3 項技術是多路分支預測、數據流量分析和猜測執(zhí)行。動態(tài)處理并 不是簡單執(zhí)行一串指令，而是通過操作數據來提高處理器的工作效率。 即通過幾個分支對程序流向進行預測，采用多路分支預測算法后，處理器便可參與指令流向的跳轉。它預測下一條指令在內存中位置的精確度可以達到驚人的 9 0%以上。這是因為處理 器在讀取 指令時，還會在程序中尋找未來要執(zhí)行的指令。這個技術可加速向處理器傳送任務。 拋開原程序的順序，分析并重排指令，優(yōu)化執(zhí)行順序。處理器讀取經過解碼的軟件指令，判 斷該指令能否處理或是否需與其他指令一道處理。然后，處理器再決定如何優(yōu)化執(zhí)行順序以便高效 地處理和執(zhí)行指令。 通過提前判讀并執(zhí)行有可能需要的程序指令的方式提高執(zhí)行速度。當處理器執(zhí)行指令時 (每次 5 條 )，采用的是 “猜測執(zhí)行 ”的方法。這樣可使 P e n t i u m Ⅱ 處理器超級處理能力得到充分的發(fā) 揮， 從而提升軟件性能。 被處理的軟件指令是建立在猜測分支基礎之上，因此結果也就作為“預測結果”保留起來。一 旦其最終狀態(tài)能被確定，指令便可返回到其正常順序并保持永久的機器狀態(tài)。 第四節(jié) 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。 一、 M MX 指令集 MMX(Multi Media eXtension， 多媒體擴展指令集 )指令集是 Intel 公司于1 9 96 年推出的一項多 媒體指令增強技術。 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。M MX 的益處在于，當時存在的操作系統(tǒng)不必為此而做出任何修改便可以輕松地執(zhí)行 M MX 程序。 但是，問題也比較明顯，那就是 M MX 指令集與 x 87 浮點運算指令不能夠同時執(zhí)行，必須做密集 式的交錯切換才可以正常執(zhí)行，這種情況就勢必造成整個系統(tǒng)運行質量的下降。 二、 S SE 指令集 SSE(Streaming SIMD Extensions，單指令多數據流擴展 )指令集是 Intel 在Pentium Ⅲ 處理器中率 先推出的。其實，早在 P Ⅲ 正式推出之前， Intel 公司就曾經通過各種渠道公布過所謂的 KNI(Katmai New Instruction)指令集，這個指令集也就是 SSE 指令集的最早名稱，并一度被很多傳媒稱之為 MMX 指 令集的下一個版本，即 M M X2 指令集。究其背景，原來 “K NI ”指令集是 I n t el 公司最 早為其下一代 芯片命名的指令集名稱，而所謂的 “M M X2 ”則完全是硬件評論家們和媒體憑感覺和印象對 “KNI ”的 評價， I n t el 公司從未正式發(fā)布過關于M M X2 的消息。 而最終推出的 SSE 指令集也就是所謂勝出的 “互聯(lián)網 S SE ”指令集。 S SE 指令集包括了 70 條指令， 其中包含提高 3D 圖形運算效率的 50 條 SIMD(單指令多數據技術 )浮點運算指令、 12 條 MMX 整數運算增強指令、 8 條優(yōu)化內存中連續(xù)數據塊傳輸指令。 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。 S SE 指令與 3 D N o w!指令彼此互不兼容，但 SSE 包含了 3 D N o w!技術的絕大 部分功能，只是 實現的方法不同。 SSE 兼容 M MX 指令，它可以通過 SIMD 和單時鐘周期并行處理多個浮 點數據來有效地提高浮點運算速度。 三、 3D Now !指令集 由 AMD 公司提出的 3DNow!指令集應該說出現在 SSE 指令集之前，并被AMD 廣泛應用于其 K62 、 K6 3 以及 A t h l o n (K 7)處理器上。 3DNow!指令集技術其實就是 21 條機器碼的擴展指令集。 與 Intel 公司的 M MX 技術側重于整數運算有所不同， 3DNow!指令集主要針對三維建模、坐標變換 和效果渲染等三維應用場合，在軟件的配合下，可以大幅度提高 3D 處理性能。 第五節(jié) 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。早期的 C PU 處理器采用的大 多是 微米制造工藝。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 。 從P Ⅲ C o p p e r m i n e(銅礦 )處理器開始，采用 微米制造工藝的 C PU 開始出現。由 于采用了更精細的工藝，使得原有晶體管門電路更大限度地縮小，因此在同樣的面積內可以集成更 多的晶體管。晶體管越做越小，能耗自然也就隨之降低， C PU 也可以更