硬件工程師培訓教程（一）

硬件工程師培訓教程（一）

第一章計算機硬件系統(tǒng)概述

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。在本書的第一章中，我們將帶你走進計算機硬件世界，去回顧計

算機發(fā)展歷程中的精彩瞬間。

第一節(jié)計算機的發(fā)展歷史

現(xiàn)代電子計算機技術的飛速發(fā)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”。從下面這個按時間順序展現(xiàn)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。

一、機械計算機的誕生

在西歐，由中世紀進入文藝復興時期的社會大變革，極大地促進

了自然科學技術的發(fā)展,人們長期被神權壓抑的創(chuàng)造力得到了空前的

釋放。而在這些思想創(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(xiàn)這一偉大的夢想而不懈努力著。但限于當時的科技水平，多數(shù)試

驗性的創(chuàng)造都以失敗而告終，這也就昭示了拓荒者的共同命運：往往

在倒下去之前見不到自己努力的成果。而后人在享用這些甜美成果的

時候，往往能夠從中品味出

汗水與淚水交織的滋味......

1614年：蘇格蘭人JohnNapier(1550-1617年)發(fā)表了一篇論

文，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。

1623年:WilhelmSchickard(1592-1635年)制作了一個能進

行6位數(shù)以內加減法運算，并能通過鈴聲輸出答案的“計算鐘”。該

裝置通過轉動齒輪來進行操作。

1625年:WilliamOughtred(1575-1660年)發(fā)明計算尺。

1668年:英國人SamuelMorl(1625-1695年)制作了一個非十

進制的加法裝置，適宜計算錢幣。

1671年:德國數(shù)學家GottfriedLeibniz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。

1822年:英國人CharlesBabbage(1792-1871年)設計了差分

機和分析機，其設計理論非常超前，類似于百年后的電子計算機，

特別是利用卡片輸入程序和數(shù)據(jù)的設計被后人所采用。

1834年:Babbage設想制造一臺通用分析機，在只讀存儲器(穿

孔卡片)中存儲程序和數(shù)據(jù)。Babbage在以后的時間里繼續(xù)他的研究

工作，并于1840年將操作位數(shù)提高到了40位，并基本實現(xiàn)了控制

中心(CPU)和存儲程序的設想，而且程序可以根據(jù)條件進行跳轉，能

在幾秒內做出一般的加法，幾分鐘內做出乘、除法。

1848年:英國數(shù)學家GeorgeBoole創(chuàng)立二進制代數(shù)學，提前近

一個世紀為現(xiàn)代二進制計算機的發(fā)展鋪平了道路。

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。HermanHollerith（后來他的公司發(fā)展成了IBM公司）借鑒

Babbage的發(fā)明，用穿孔卡片存儲數(shù)據(jù)，并設計了機器。結果僅用6

周就得出了準確的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如果用人工方法，大概要花10年

時間）。

1896年:HermanHollerith創(chuàng)辦了IBM公司的前身。

二、電子計算機問世

在以機械方式運行的計算器誕生百年之后，隨著電子技術的突飛

猛進，計算機開始了真正意義上的由機械向電子時代的過渡，電子器

件逐漸演變成為計算機的主體，而機械部件則漸漸處于從屬位置。二

者地位發(fā)生轉化的時候，計算機也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。下面就是這一過渡時期的主要事件：

1906年：美國人LeeDeForest發(fā)明電子管，為電子計算機的

發(fā)展奠定了基礎。

1924年2月：IBM公司成立，從此一個具有劃時代意義的公司

誕生。

1935年:IBM推出IBM601機。這是一臺能在一秒鐘內算出乘

法的穿孔卡片計算機。這臺機器無論在自然科學還是在商業(yè)應用上

都具有重要的地位，大約制造了1500臺。

1937年:英國劍橋大學的AlanM.Turing（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(shù)學模型。

1937年:Bell試驗室的GeorgeStibitz展示了用繼電器表示

二進制的裝置。盡管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進制電子計算

機。

1940年1月：Bell實驗室的SamuelWilliams和Stibitz制

造成功了一個能進行復雜運算的計算機。該機器大量使用了繼電器，

并借鑒了一些電話技術，采用了先進的編碼技術。

1941年夏季:Atanasoff和學生Berry完成了能解線性代數(shù)方

程的計算機，取名叫"ABC"(Atanasoff-BerryComputer),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。

1943年1月：MarkI自動順序控制計算機在美國研制成功。整

個機器有51英尺長、5噸重、75萬個零部件。該機使用了3304個

繼電器，60個開關作為機械只讀存儲器。程序存儲在紙帶上，數(shù)

據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。MarkI被用來為美國海軍計算彈道

火力表。

1943年9月：Williams和Stibitz完成了uRelay

Interpolator”,后來命名為"ModelHRe-

layCalculatorw的計算機。這是一臺可編程計算機，同樣使用紙

帶輸入程序和數(shù)據(jù)。它運行更可靠，每個數(shù)用7個繼電器表示，可

進行浮點運算。

1946年：ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAnd

Computer)誕生，這是第一臺真正意義上的數(shù)字電子計算機。開始研

制于1943年，完成于1946年，負責人是JohnW.Mauchly和

J.PresperEckert,重30噸，用了18000個電子管，功率25千瓦，

主要用于計算彈道和氫彈的研制。

三、晶體管計算機的發(fā)展

真空管時代的計算機盡管已經(jīng)步入了現(xiàn)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。直

到晶體管被發(fā)明出來，電子計算機才找到了騰飛的起點。

19474：Bell實驗室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen

和WalterH.Brattain發(fā)明了晶體

管，開辟了電子時代新紀元。

1949年:劍橋大學的Wilkes和他的小組制成了一臺可以存儲

程序的計算機，輸入輸出設備仍是紙帶。

1949年：EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomatic

Computer電子離散變量自動計算機）第一臺使用磁帶的計算

機。這是一個突破,可以多次在磁帶上存儲程序。這臺機器是Johnvon

Neumann提議建造的。

1950年：日本東京帝國大學的YoshiroNakamats發(fā)明了軟磁

盤，其銷售權由IBM公司獲得。由此開創(chuàng)了存儲時代的新紀元。

1951年：GraceMurrayHopper完成了高級語言編譯器。

1951年:UNIVAC-1——第一臺商用計算機系統(tǒng)誕生，設計者是

J.ProsperEckert和JohnMauchly。

被美國人口普查部門用于人口普查，標志著計算機進入了商業(yè)應用時

代。

1953年:磁芯存儲器被開發(fā)出來。

1954年：IBM的JohnBackus和他的研究小組開始開發(fā)

FORTRAN(FORmulaTRANslation),1957年完成。這是一種適合科

學研究使用的計算機高級語言。

1957年:IBM開發(fā)成功第一臺點陣式打印機。

四、集成電路為現(xiàn)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(yè)對計算機

也產(chǎn)生了較大的需求，生產(chǎn)性能更強、重量更輕、價格更低的機器成

了當務之急。集成電路的發(fā)明解決了這個問題。高集成度不僅使計算

機的體積得以減小，也使速度加快、故障減少。從此，人們開始制造

革命性的微處理器。

1958年9月12日：在RobertNoyce(Intel公司創(chuàng)始人)的領

導下，集成電路誕生，不久又發(fā)明了微處理器。但因為在發(fā)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。過了30年，日本才承認，這樣日本公司可以

從中得到一部分利潤。但到2001年，這個專利就失效了。

1959年：GraceMurrayHopper開始開發(fā)COBOL(COmmon

Business-OrientedLanguage)語言,完成于1961年。

1960年:ALGOL——第一個結構化程序設計語言推出。

1961年：IBM的KennthIverson推出APL編程語言。

1963年:DEC公司推出第一臺小型計算機——PDP-8。

1964年：IBM發(fā)布PL/1編程語言。

1964年:發(fā)布IBM360首套系列兼容機。

1964年:DEC發(fā)布PDB-8小型計算機。

1965年:摩爾定律發(fā)表，處理器的晶體管數(shù)量每18個月增加一

倍，價格下降一半。

1965年:LoftiZadeh創(chuàng)立模糊邏輯，用來處理近似值問題。

1965年：ThomasE.Kurtz和JohnKemeny完成

BASIC(Beginner'sAll-purposeSymbolicIn-

structionCode)語言的開發(fā)。特別適合計算機教育和初學者使用，

得以廣泛推廣。

1965年:DouglasEnglebart提出鼠標器的設想，但沒有進一步

研究，直到1983年才被蘋果電腦公司大量采用。

1965年:第一臺超級計算機CD6600開發(fā)成功。

1967年:NiklausWirth開始開發(fā)PASCAL語言，1971年完成。

1968年：RobertNoyce和他的幾個朋友創(chuàng)辦了Intel公司。

1968年:SeymourPaper和他的研究小組在MIT開發(fā)了LOGO語

言。

1969年：ARPANet(AdvancedResearchProjectsAgency

Network)計劃開始啟動，這是現(xiàn)代Internet的雛形。

1969年4月7日：第一個網(wǎng)絡協(xié)議標準RFC推出。

1970年:第一塊RAM芯片由Intel推出，容量1KB。

1970年：KenThomson和DennisRitchie開始開發(fā)UNIX操作

系統(tǒng)。

1970年:Forth編程語言開發(fā)完成。

1970年：Internet的雛形ARPANet基本完成，開始向非軍用部

門開放。

1971年11月15日：MarcianE.Hoff在Intel公司開發(fā)成功

第一塊微處理器4004,含2300個晶體管，字長為4位，時鐘頻率

為108KHZ,每秒執(zhí)行6萬條指令。

1972年:1972年以后的計算機習慣上被稱為第四代計算機?；?/p>

于大規(guī)模集成電路及后來的超大規(guī)模集成電路。這一時期的計算機功

能更強，體積更小。此時人們開始懷疑計算機能否繼續(xù)縮小，特別是

發(fā)熱量問題能否解決。同時，人們開始探討第五代計算機的開發(fā)。

1972年:C語言開發(fā)完成。其主要設計者是UNIX系統(tǒng)的開發(fā)者

之一DennisRitcheo這是一個非常強大的語言，特別受人喜愛。

1972年:Hewlett-Packard發(fā)明了第一個手持計算器。

1972年4月1日：Intel推出8008微處理器。

1972年:ARPANet開始走向世界，Internet革命拉開序幕。

1973年:街機游戲Pong發(fā)布，得到廣泛歡迎。發(fā)明者是Nolan

Bushnell（Atari的創(chuàng)立者）。

1974年:第一個具有并行計算機體系結構的CLIP-4推出。

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(fā)展。隨著超大規(guī)模集成電路和微處理器技術的進步，計算機進

入尋常百姓家的技術障礙逐漸被突破。特別是在Intel公司發(fā)布了

其面向個人用戶的微處理器8080之后，這一浪潮終于洶涌澎湃起

來，同時也催生出了一大批信息時代的弄潮兒，如StephenJobs（史

締芬?喬布斯）、BillGates（比爾？蓋茨）等，至今他們對整個計算機

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還起著舉足輕重的作用。在此時段，互聯(lián)網(wǎng)技術和多媒體

技術也得到了空前的應用與發(fā)展，計算機真正開始改變我們的生活。

1974年4月1日：Intel發(fā)布其8位微處理器芯片8080。

1975年:BillGates和PaulAllen完成了第一個在MIT集省

理工學院）的Altair計算機上運行的BASIC程序。

1975年:BillGates和PaulAllen創(chuàng)辦Microsoft公司（現(xiàn)

已成為全球最大、最成功的軟件公司）。3年后就收入50萬美元，

員工增加到15人。1992年達28億美元，1萬名雇員。1981年

Microsoft為IBM的PC機開發(fā)操作系統(tǒng)，從此奠定了在計算機軟件

領域的領導地位。

1976年:StephenWozinak和StephenJobs創(chuàng)辦蘋果計算機公

司，并推出其AppleI計算機。

1978年6月8E）:Intel發(fā)布其16位微處理器8086O1979年

6月又推出準16位的8088來滿足市場對低價處理器的需要，并被

IBM的第一代PC機所采用。該處理器的時鐘頻率為4.77MHz、8MHz

和10MHz,大約有300條指令，集成了29000個晶體管。

1979年:低密軟磁盤誕生。

1979年:IBM公司眼看個人計算機市場被蘋果等電腦公司占有，

決定開發(fā)自己的個人計算機。為了盡快推出自己的產(chǎn)品，IBM將大

量工作交給第三方來完成（其中微軟公司就承擔了操作系統(tǒng)的開發(fā)工

作，這同時也為微軟后來的崛起奠定了基礎），于1981年8月12日

推出了IBM-PC.

1980年：“只要有1兆內存就足夠DOS盡情表演了”，微軟公司

開發(fā)DOS初期時說。今天來聽這句話有何感想呢？

1981年:Xerox開始致力于圖形用戶界面、圖標、菜單和定位設

備（如鼠標）的研制。結果研究成果為蘋果所借鑒，而蘋果電腦公司

后來又指控微軟剽竊了他們的設計，開發(fā)了Windows系列軟件。

1981年8月12E）:MS-DOS1.0和PC-DOS1.0發(fā)布。Microsoft

受IBM的委托開發(fā)DOS操作系統(tǒng)，他

們從TimPaterson那里購買了一個叫86-DOS的程序并加以改進。

由IBM銷售的版本叫PC-DOS,由Microsoft銷售的叫MS-DOS。

Microsoft與IBM的合作一直到1991年的DOS5.0為止。最初的

DOS1.0

非常簡陋，每張盤上只有一個根目錄，不支持子目錄，直到1983年

3月的2.0版才有所改觀。MS-DOS在1995年以前一直是與IBM-PC

兼容的操作系統(tǒng)，Windows95推出并迅速占領市場之后，其最后一

個版本命名為DOS7.0。

1982年:基于TCP/IP協(xié)議的Internet初具規(guī)模。

1982年2月：80286發(fā)布，時鐘頻率提高到20MHz、增加了保

護模式、可訪問16MB內存、支持1GB以上的虛擬內存、每秒執(zhí)行270

萬條指令、集成了13.4萬個晶體管。

1983年春季：IBMXT機發(fā)布，增加了10MB硬盤、128KB內存、

一個軟驅、單色顯示器、一臺打印機、可以增加一個8087數(shù)字協(xié)處

理器。當時的價格為5000美元。

1983年3月：MS-DOS2.0和PC-DOS2.0增加了類似UNIX分

層目錄的管理形式。

1984年：DNS(DomainNameServer)域名服務器發(fā)布，互聯(lián)網(wǎng)上

有1000多臺主機運行。

1984年底:Compaq開始開發(fā)IDE接口，能以更快的速度傳輸數(shù)

據(jù)，并被許多同行采納，后來在此基礎上開發(fā)出了性能更好的EIDE

接口。

1985年:Philips和SONY合作推出CD-ROM驅動器。

1985年10月17日：80386DX推出。時鐘頻率達到33MHz、

可尋址1GB內存、每秒可執(zhí)行600萬條指令、集成了275000個晶

體管。

1985年11月：MicrosoftWindows發(fā)布。該操作系統(tǒng)需要DOS

的支持，類似蘋果機的操作界面，以致被蘋果控告，該訴訟到1997

年8月才終止。

1985年12月：MS-DOS3.2和PC-DOS3.2發(fā)布。這是第一個

支持3.5英寸磁盤的系統(tǒng)，但只支持到720KB,3.3版才支持

1.44MB。

1987年:MicrosoftWindows2.0發(fā)布。

19884：EISA標準建立。

1989年:歐洲物理粒子研究所的TimBerners-Lee創(chuàng)立World

WideWeb雛形。通過超文本鏈接，新手也可以輕松上網(wǎng)瀏覽。這大

大促進了Internet的發(fā)展。

1989年3月：EIDE標準確立，可以支持超過528MB的硬盤，能

達到33.3MB/s的傳輸速度，并被許多CD-ROM所采用。

1989年4月10日：80486DX發(fā)布。該處理器集成了120萬個

晶體管，其后繼型號的時鐘頻率達到

100MHz.

1989年11月：SoundBlasterCard（聲卡）發(fā)布。

1990年5月22日：微軟發(fā)布Windows3.0,兼容MS-DOS模式。

1990年11月：第一代MPC（多媒體個人電腦標準）發(fā)布。該標準

要求處理器至少為80286/12MHZ（后來增加到80386SX/16MHz）及一個

光驅，至少150KB/sec的傳輸率。

1991年：ISA標準發(fā)布。

1991年6月：MS-DOS5.0和PC-DOS5.0發(fā)布。為了促進OS/2

的發(fā)展，BillGates說DOS5.0是DOS終結者，今后將不再花精

力于此。該版本突破了640KB的基本內存限制。這個版本也標志著

微軟與IBM在DOS上合作的終結。

1992年:WindowsNT發(fā)布，可尋址2GB內存。

1992年4月：Windows3.1發(fā)布。

1993年：Internet開始商業(yè)化運行。

1993年:經(jīng)典游戲Doom發(fā)布。

1993年3月22E）:Pentium發(fā)布，該處理器集成了300多萬

個晶體管、早期版本的核心頻率為60~

66MHz、每秒鐘執(zhí)行1億條指令。

1993年5月：MPC標準2發(fā)布，要求CD-ROM傳輸率達到

300KB/S,在320x240的窗口中每秒播放15幀圖像。

1994年3月7日：Intel發(fā)布90-100MHzPentium處理器。

1994年:Netscape1.0瀏覽器發(fā)布。

1994年:著名的即時戰(zhàn)略游戲Command&Conquer（命令與征服）

發(fā)布。

1995年3月27日：Intel發(fā)布120MHz的Pentium處理器。

1995年6月1日：Intel發(fā)布133MHz的Pentium處理器。

1995年8月23日：純32位的多任務操作系統(tǒng)Windows95發(fā)

布。該操作系統(tǒng)大大不同于以前的版本，完全脫離MS-DOS,但為照

顧用戶習慣還保留了DOS模式。Windows95取得了巨大成功。

1995年11月1日：PentiumPro發(fā)布，主頻可達200MHz、每

秒可執(zhí)行4.4億條指令、集成了550萬個晶體管。

1995年12月：Netscape發(fā)布其javascript。

1996年1月：NetscapeNavigator2.0發(fā)布。這是第一個支持

javascript的瀏覽器。

1996年1月4日：Intel發(fā)布150~166MHz的Pentium處理

器，集成了310-330萬個晶體管。

1996年:Windows95OSR2發(fā)布，修正了部分BUG,擴充了部分

功能。

1997年：HeftAuto、Quake2和BladeRunner等著名游戲軟

件發(fā)布，并帶動3D圖形加速卡迅速崛起。

1997年1月8日：Intel發(fā)布PentiumMMXCPU,處理器的游

戲和多媒體功能得到增強。

1997年4月：IBM的深藍(DeepBlue)計算機戰(zhàn)勝人類國際象棋

世界冠軍卡斯帕羅夫。

1997年5月7日：Intel發(fā)布PentiumH,增加了更多的指令

和Cacheo

1997年6月2日：Intel發(fā)布233MHzPentiumMMXo

1998年2月：Intel發(fā)布333MHzPentiumII處理器，采用0.25

pm工藝制造，在速度提升的同時減少了發(fā)熱量。

1998年6月25日：Microsoft發(fā)布Windows98,一些人企圖

肢解微軟，微軟回擊說這會傷害美國的國家利益。

1999年1月25日：LinuxKernel2.2.0發(fā)布，人們對其寄予

厚望。

1999年2月22日：AMD公司發(fā)布K6-3400MHz處理器。

1999年7月：PentiumID發(fā)布，最初時鐘頻率在450MHz以上，

總線速度在100MHz以上，采用0.25pm工藝制造，支持SSE多媒

體指令集，集成有512KB以上的二級緩存。

1999年10月25日：代號為Coppermine(銅礦)的Pentiumm

處理器發(fā)布。采用0.18pm工藝制造的Coppermine芯片內核尺寸

進一步縮小，雖然內部集成了256KB全速On-DieL2Cache,內建

2800萬個晶體管，但其尺寸卻只有106平方毫米。

2000年3月：Intel發(fā)布代號為“Coppermine128”的新一代

的Celeron處理器。新款Celeron與老Celeron處理器最顯著的

區(qū)別就在于采用了與新PIII處理器相同的Coppermine核心及同樣的

FC-PGA封裝方式，同時支持SSE多媒體擴展指令集。

2000年4月27日：AMD宣布正式推出Duron作為其新款廉價

處理器的商標，并以此準備在低端向Intel發(fā)起更大的沖擊，同時，

面向高端的ThunderBird也在其后的一個月間發(fā)布。

2000年7月：AMD領先Intel發(fā)布了1GHz的Athlon處理器，

隨后又發(fā)布了1.2GMHzAthlon處理器。

2000年7月：Intel發(fā)布研發(fā)代號為Willamette的Pentium4

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0.18pm工

藝制造，使用SSE2指令集，并整合了散熱器，其主頻從1.4GHz起

步。

2001年5月14日，AMD發(fā)布用于筆記本電腦的Athlon4處

理器。該處理器采用0.18微米工藝造，前端總線頻率為200MHz,有

256KB二級緩存和128KB一級緩存。

2001年5月21日，VIA發(fā)布C3出處理器。該處理器采

用0.15微米工藝制造（處理器核心僅為2mm2）,包括192KB全

速緩存（128KB一級緩存、64KB二級緩存），并采用Socket370接

口。支持133MHz前端總線頻率和3DNow!、MMX多媒體指令集。

2001年8月15日，VIA宣布其兼容DDR和SDRAM內存的P4

芯片組P4X266將大量出貨。該芯片組的內存帶寬達到4GB,是i850

的兩倍。

2001年8月27日，Intel發(fā)布主頻高達2GHz的P4處理器。

每千片的批發(fā)價為562美元。

硬件工程師培訓教程（二）

第二節(jié)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。硬件是組成計算機系統(tǒng)

的物理實體，是看得見摸得著的部分。從大的方面來分，硬件包括

CPU（CentralProcessingUnit中央處理器）、存儲器和輸入/

輸出設備幾個部分。

CPU負責指令的執(zhí)行，存儲器負責存放信息（類似大腦的記憶細

胞），輸入/輸出設備則負責信息的采集與輸出（類似人的眼睛和手）.

具體設備如我們平常所見到的內存條、顯卡、鍵盤、鼠標、顯示器和

機箱等。軟件則是依賴于硬件執(zhí)行的程序或程序的集合。這是看不見

也摸不著的部分。

一、VonNeumann（馮.諾依曼）體系結構

VonNeumann體系結構是以數(shù)學家JohnVonNeumann的名字命

名的，他在20世紀40年代參與設計了第一臺數(shù)字計算機ENIAC。

VonNeumann體系結構的特點如下：

?一臺計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備5大

部分組成。

?采用存儲程序工作原理，實現(xiàn)了自動連續(xù)運算。

存儲程序工作原理即把計算過程描述為由許多條命令按一定順

序組成的程序，然后把程序和所需的數(shù)據(jù)一起輸入計算機存儲器中保

存起來，工作時控制器執(zhí)行程序，控制計算機自動連續(xù)進行運算。Von

Neumann體系結構存在的一個突出問題就是，外部數(shù)據(jù)存取速度和

CPU運算速度不平衡，不過可以通過在一個系統(tǒng)中使用多個CPU或

采用多進程技術等方法來解決。

二、CPU

CPU是計算機的運算和控制中心，其作用類似人的大腦。不同的

CPU其內部結構不完全相同，一個典型的CPU由運算器、寄存器和

控制器組成。3個部分相互協(xié)調便可以進行分析、判斷和計算，并控

制計算機各部分協(xié)調工作。最新的CPU除包括這些基本功能外，還

集成了高速Cache（緩存）等部件。

三、存儲器

每臺計算機都有3個主要的數(shù)據(jù)存儲部件:主存儲器、高速寄存

器和外部文件存儲器。主存儲器通常是劃分為字（典型的是32位或

64位）或字節(jié)（每字含4或8字節(jié)）的線性序列。高速寄存器通常是

一個字長的位序列.一個寄存器的內容可能表示數(shù)據(jù)或主存儲器中數(shù)

據(jù)或下一條指令的地址。高速緩存通常位于主存儲器和寄存器之間作

為從主存儲器存取數(shù)據(jù)的加速器。外部文件存儲器包括磁盤、磁帶或

日益普及的CD-ROM等，通常以記錄劃分，每個記錄是位或字節(jié)的序

列。

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。具體產(chǎn)品如鍵盤、鼠標和掃描儀等。輸出設備類似人

的手，執(zhí)行大腦(CPU)發(fā)出的指令，可完成一定的功能，輸出計算機

的運算結果。具體產(chǎn)品如打印機、顯示器和音箱等。

五、總線

微型計算機的體系結構有一個最顯著的特征是采用總線結構。總

線就像一條公共通路,將所有的設備連接起來,達到相互通信的目的。

與并行計算機(各部件間通過專用線路連接)相比，采用總線結構的微

型計算機簡化了設計、降低了成本、縮小了體積，但在同等配置條件

下，性能有所下降?？偩€又分用于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線(DataBus)、

傳輸?shù)刂沸畔⒌牡刂房偩€(AddressBus)和用于傳輸控制信號、時序

信號和狀態(tài)信息的控制總線(ControlBus)。

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。一個

典型的操作集包括與內部數(shù)據(jù)類型相關的基本算術指令(即實數(shù)和整

數(shù)加法、減法、乘法和除法等)、測試數(shù)據(jù)項性質(如是否為零，是正

數(shù)或負數(shù)等)的指令、對數(shù)據(jù)項的某一部分進行存取和修改(如在一

個字中存取一個字符，在一條指令中存取操作數(shù)的地址等)的指令、

控制輸入/輸出設備的指令及順序控制指令(如無條件跳轉等)。

七、順序控制

在機器語言程序中下一條要被執(zhí)行的指令通常是由程序地址寄

存器（也稱為指令計數(shù)器）的內容確定的。為了將控制權轉到程序某

處，程序員可使用一些操作修改該寄存器的內容。解釋器作為一部計

算機操作的核心，每次執(zhí)行的都是簡單的循環(huán)算法。而對于每次循

環(huán)，解釋器都會從程序地址寄存器取得下一條指令的地址（并增量寄

存器的值為下一條指令的地址），從存儲器取得指定的指令，對指令

進行解碼，分解為操作碼和一組操作數(shù)并取得操作數(shù)（如果必要的

話），使用操作數(shù)作為參數(shù)調用指定的操作?；静僮骺赡苄薷膬却?/p>

和寄存器中的數(shù)據(jù)，和輸入輸出設備進行通訊，通過修改程序地址

寄存器的內容改變程序的執(zhí)行流程。在執(zhí)行基本操作后，解釋器將

重復上述循環(huán)。

八、數(shù)據(jù)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(shù)。一

般操作數(shù)可以被存放在主存儲器或寄存器中。計算機必須包含一個指

定和存取操作數(shù)的機制。同樣道理，運算的結果必須被存放在某一地

址。上述機制稱為數(shù)據(jù)存取控制。一般的方式是，對每個存儲器地址

用一個整數(shù)標記，同時提供一個機制對于給定的地址存取該地址的內

容（或將一個新值存入給定的地址）。同理，寄存器一般也采用一個簡

單的整數(shù)標明。

九、存儲管理

設計電腦的一個原則是保證能方便地操作計算機包含的所有設

備（如內存、CPU和外部設備）。實現(xiàn)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。為了對速

度進行平衡，需要采用不同的存取管理機制。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(zhí)行過程中數(shù)據(jù)都被存放在內存

中，每個時刻只有一個程序被運行。

盡管CPU必須等待數(shù)據(jù)，但無需額外的硬件。為了平衡中央處

理器速度和外部數(shù)據(jù)讀取速率之間的矛盾，操作系統(tǒng)通常使用多進程

技術，在等待讀取數(shù)據(jù)的毫秒時間段內，計算機可運行另一個程序。

為了允許多個程序在同一時刻能共存于內存中，可直接在硬件中使用

頁或動態(tài)程序分配機制。頁算法對將來最有可能被使用的數(shù)據(jù)和程序

做出預測并存取，只要數(shù)據(jù)和指令所在的頁在主存中，程序就可以一

直執(zhí)行下去。如果出現(xiàn)了頁錯誤（即正確的地址不在內存中），則通知

操作系統(tǒng)從外部存儲器讀入相應的頁。

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。

緩存是位于主存和中央處理器間的一個較小的高速數(shù)據(jù)存儲器，大小

一般為1~256KB,包含中央處理器最近使用的數(shù)據(jù)和指令，當然

也包括了將來最有可能被使用到的程序代碼或數(shù)據(jù)。如果所需的數(shù)據(jù)

恰在緩存中，則中央處理器就直接調用該緩存中的數(shù)據(jù)，被修改的數(shù)

據(jù)在相對較慢的主存速率下被存至主存。如果指定的地址不在主存

中，則讀取包含該地址的一段數(shù)據(jù)塊，這些相近地址中的數(shù)據(jù)有可能

馬上會被使用。使用32KB緩存可達到95%的命中率（CPU在緩存中找

到所用數(shù)據(jù)的概率）。

十、操作環(huán)境

計算機的操作環(huán)境包括外圍存儲器和輸入/輸出設備。這些設備

代表了計算機的外部世界,任何與計算機的通訊都必須通過操作環(huán)境

進行。操作環(huán)境按照不同的存取速率分為不同類別，如高速存儲器（外

存）、中速存儲器（磁盤和CD-ROM）、低速存儲器（磁帶）和輸入輸出設

備（閱讀器、打印機、數(shù)據(jù)通信線）等。值得指出的是，計算機硬件的

組織通常都具有不同的形式。本章介紹的只是其中的“VonNeumann

體系結構”，當然還有其他的體系結構。

十一、計算機狀態(tài)

從靜態(tài)角度觀察一臺計算機，可以把它視為是由數(shù)據(jù)、操作和控

制結構等組成的一個完整的系統(tǒng)。

因此對計算機的了解還應包括對它的動態(tài)行為，即程序執(zhí)行過程

的了解。這個了解也就要包括其程序執(zhí)行前不同存儲器的內容、所執(zhí)

行的指令序列、程序執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)內容是如何被修改的及程序執(zhí)行

的最后結果是什么等。

描述計算機動態(tài)行為的一個簡便方法是使用“計算機狀態(tài)”。將

計算機上程序的執(zhí)行看成是計算機狀態(tài)的一個變化序列，每個狀態(tài)由

程序執(zhí)行過程中某一時刻的內存、寄存器和外部設備的內容確定。這

些存儲器的初始內容定義了計算機的初始狀態(tài),每一步程序的執(zhí)行都

是通過修改存儲器的內容將當前的狀態(tài)轉換為一個新的狀態(tài)，該過程

稱為狀態(tài)轉換。當程序執(zhí)行結束后，最終狀態(tài)定義就是這些存儲器的

內容。程序的執(zhí)行可以看成是由計算機狀態(tài)序列的轉換，如果能預測

狀態(tài)的轉換序列，就可以說理解了計算機的動態(tài)行為。

第二章CPU的發(fā)展及相關產(chǎn)品技術

CPU（CentraIProcessingUnit）,即中

央處理單元，也稱微處理器，是整個系統(tǒng)的核心，也是整個系統(tǒng)最高

的執(zhí)行單位。它負責整個系統(tǒng)指令的執(zhí)行、數(shù)學與邏輯運算、數(shù)據(jù)存

儲、傳送以

及輸入輸出的控制。因為CPU是決定電腦性能的核心部件，人們就

以它來判定電腦的檔次，于是就

有了486、586（Pentium）.?II、Pm、P4之分。CPU

既然關系著指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的處理，當然也關系著指令和數(shù)據(jù)處理

速度的快慢，因而CPU有不同的執(zhí)行功能，不同的處理速度。一般

CPU

的功能和處理速度，我們可以從它的型號和編號來判斷，如Pent

ium系列是586機種的CPU,型號

后的數(shù)字即為它的工作頻率（時鐘頻率），單位是MHz。

硬件工程師培訓教程（三）

第一節(jié)CPU的歷史

CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有20多年的歷史了，這期間，按照其

處理信息的字長，CPU可以分為

4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及

64位微處理器等等。在風起云

涌的IT業(yè)界，PC機CPU廠商主要以Intel、AMD和VIA（威

盛）三家為主，我們將以他們的產(chǎn)品為介

紹重點。

一、Intel陣營

Inte1（英特爾）公司大家已經(jīng)是如雷貫耳，不管你是否為計

算機高手，也不管你是否是業(yè)內人

士，只要你知道計算機這個詞，對Intel就一定不會陌生。Int

el是全世界硬件行業(yè)的老大，是世

界上最大的芯片生產(chǎn)商和制造商。提到Intel公司就不能不談談

Inte1CPU芯片的發(fā)展歷程。按照

國際上目前比較能夠得到業(yè)內認同的說法，Intel的CPU芯片主

要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：

1.Inte14004

1971年，Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004。這

是第一個用于個人計算機的4位微處

理器，它包含2300個晶體管，由于性能很差，市場反應冷淡。

2.Inte18080/8085

在4004之后，Intel公司又研制出了8080處理器和80

85處理器，加上當時美國Motorola公司的MC6800微

處理器和Zi1og公司的Z80微處理器，一起組成了8位微處理

器家族。

3.Inte18086/8088

16微處理器的典型產(chǎn)品是Intel公司的8086微處理器，以

及同時生產(chǎn)出的數(shù)學協(xié)處理器，即8087。這兩種芯片使用互相兼

容的指令集，但在8087指令集中增加了一些專門用于對數(shù)、指

數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學計算的指令。由于這些指令應用于8086和8

087,因此被人們統(tǒng)稱為x86指令集。此后Intel推出新一代

CPU產(chǎn)品均兼容原來的x86指令集。

1979年Intel公司推出了8086的簡化版——8088芯片，

它仍是16位微處理器，內含29000個晶體管，時鐘頻率為4.7

7MHz,地址總線為20位，可以使用1MB內存。8088的內部數(shù)據(jù)

總線是16位，外部數(shù)據(jù)總線是8位。1981年，8088芯片被首

次用于IBMPC機當中，開創(chuàng)了個人電腦的新時代。如果說8080處

理器還不為大多數(shù)人所熟知的話，那么8088則可以說是家喻戶曉

了，PC（個人電腦）機的第一代CPU便是從它開始的。

4.Inte180286

1982年的Inte180286雖然是16位芯片，但是其內部

已包含了13.4萬個晶體管，時鐘頻率也到了前所未有的20MHz。

其內、外部數(shù)據(jù)總線均為16位，地址總線為24位，可以使用16MB

內

存，工作方式包括實模式和保護模式兩種。

5.Inte180386DX/80386SX

32位微處理器的代表產(chǎn)品首推Intel公司1985年推出的

80386,這是一種全32位微處理器芯片，也是x86家族中第一款

32位芯片，其內部包含了27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz,

后逐步提高到33MHz。80386的內部和外部數(shù)據(jù)總線都是32

位，地址總線也是32位，可以尋址到4GB內存。它除了具有實模

式和保護模式以外，還增加了一種虛擬386的工作方式，可以通

過同時模擬多個8086處理器來提供多任務能力。

1989年，Intel公司又推出準32位處理器芯片80386

SX。它的內部數(shù)據(jù)總線為32位，與80386相同，外部數(shù)據(jù)總

線為16位。也就是說，80386SX的內部處理速度與80386

接近，也支持真正的多任務操作，并且可以使用為80286開發(fā)

的輸入/輸出接口芯片。80386SX的性能優(yōu)于80286,而價

格只及80386的1/3。386處理器沒有內置數(shù)學協(xié)處理器，因此

不能執(zhí)行浮點運算指令，如果需要進行浮點運算，必須額外購買昂貴

的80387數(shù)學協(xié)處理器。

6.Intel80486DX/80486SX

1989年，80486處理器面市，它集成了125萬個晶體管，

時鐘頻率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz和50MHz。80486

內含80386和數(shù)字協(xié)處理器80387以及一個8KB的高速緩存，并在

x86系列中首次使用了RISC（精簡指令集）技術，可以在一個時鐘周

期內執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線方式，大大提高了與內存

的數(shù)據(jù)交換速度。由于這些改進，80486的性能比帶有80387

數(shù)學協(xié)處理器的80386提高了4倍。

早期的486理器分為有數(shù)學協(xié)處理器的486DX和無數(shù)學協(xié)處理

器的486sx兩種，其價格也相差許多。隨著芯片技術的不斷發(fā)，

CPU的頻率越來越快，而PC機外部設備受工藝限制，能夠承受的

工作頻率有限，這就阻礙了CPU主頻的進一步提高，在這種情況下,

出現(xiàn)了CPU倍頻技術，該技術使CPU內部工作頻率為處理器外頻

的2~3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而來。以

后的日子里，CPU開始了突飛猛進的發(fā)展。

7.IntelPentiumClassic（經(jīng)典奔騰）

代號:P54C

發(fā)布時間：1993年

核心頻率：60~200MHz

總線頻率:50~66MHz

工作電壓：3.3V

制造工藝：0.8~0.35pm

晶體管數(shù)目：310-330萬個

芯片面積：191mm2

緩存容量：16KBLICache

指令內置:x86指令集、x86譯碼器、80位浮點單元

接口類型：Socket7

早期的Pentium處理器（主要是Pentium60和Pentium66）存

在浮點運算錯誤的問題，Intel為此

花4億美元回收了大批有問題的CPU,這在當時是十分冒險的行為，

但Intel的這一做法最終贏得了用

戶的信任，Pentium再度成為市場上最暢銷的產(chǎn)品。

8.IntelPentiumPro（高能奔騰）

代號:P6

發(fā)布時間：1995年

核心頻率：150~200MHz

總線頻率：60~66MHz

工作電壓：3.1V/3.3V

制造工藝：0.5~0.35pm

晶體管數(shù)目：550-700萬個

芯片面積：196mm2

緩存容量：16KBLICache、256KB/512KB/1MBL2Cache

指令內置:x86指令集、x86譯碼器、80位浮點單元、分支預

測功能

接口類型：Socket8

9.IntelPentiumMMX

代號:P55c

發(fā)布時間：1997年

核心頻率：166~233MHz

總線頻率:60~66MHz

內核電壓：2.8V

I/O電壓：3.3V

制造工藝：0.35pm

晶體管數(shù)目：450萬個

芯片面積：128mm2

緩存容量：32KBLICache

指令內置:x86指令集、x86譯碼器、80位浮點單元、MMX多

媒體指令集

接口類型：Socket7

PentiumMMX有16KB數(shù)據(jù)緩存、16KB指令緩存

和4路寫緩存，并增加了從PentiumPro而來的分支預測單元和從

Cyrix6x86而來的返回堆棧技術。新增的57條MMX指令用來處

理音頻、視頻和

圖像數(shù)據(jù)，使CPU在多媒體應用上的能力大大增強。

lO.IntelPentiumll代號:Klamath（19

97年上市）、Deschutes（1998年上市）

核心頻率：233~333MHz（66MHz外頻）、350~450MHz（100MHz

外頻）

總線頻率：66-100MHz

制造工藝:0.35(Klamath)/0.25(Deschutes)pm

核心電壓:2.8V(Klamath)/2.0V(Deschutes)

晶體管數(shù)目：750萬個

芯片面積：130.9mm2

緩存容量：32KBLICache、512KBL2Cache

接口類型：Slot1

PentiumII是在PentiumPro的基礎上將內置的L2Cache移

出，與CPU焊在同一塊電路板上，然后封裝成卡匣形式而成。外

置L2Cache的容量為512KB,以CPU速度的一半運行。

ll.IntelCeleron(賽揚)

代號：Covington

發(fā)布時間：1998年

核心頻率：266~300MHz

總線頻率:66MHz

制造工藝：0.25pm

晶體管數(shù)目：750萬個

芯片面積：153.9mm2

緩存容量：32KBLICache

接口類型：Slot1

12.IntelCeleronMendocino（新賽揚）

代號:Mendocino

發(fā)布時間：1998年

核心頻率：300~533MHz

總線頻率：66MHz

制造工藝：0.25pm

晶體管數(shù)目：1900萬個

芯片面積：153.9mm2

緩存容量：32KBLICache、128KBL2Cache

接口類型：Slot1、Socket370

由于具有和PentiumII一樣的核心，所以Celeron的浮點能力

依然強勁，在游戲和3D圖形處理方面與

PentiumII一樣出色。但沒有了L2Cache,Ce1eron

的整數(shù)性能大打折扣，Celeron266的整數(shù)運算能力甚至還不及

PentiumMMX233,在與K6-2的爭斗中一敗涂地。所以Intel又

加入了128KB全速L2Cache,此為新賽揚。

新賽揚只有128KBL2Cache,雖然比起PentiumII的5

12KB少得多，但其性能并不比PentiumII差。因為新賽

揚的緩存速度與CPU核心頻率相同，而PentiumII的緩存

速度只有CPU核心頻率的一半。

正因為如此，新賽揚不但具有同頻PentiumII的高性能,

并且具有很強的超頻能力，部分300MHzCeleronA能超到令人吃

驚的504MHz甚至更高。

13.IntelPentiumIII

代號：Katmai^Coppermine

發(fā)布時間：1999年

核心頻率：450MHz以上

總線頻率：100~133MHz

CPU核心電壓：1.8V

制造工藝：0.25(Katmai)/0.18(Coppermine)pm

晶體管數(shù)目：950萬個

芯片面積：153.9mm2

緩存容量：32KBLICache、512KBL2Cache

指令內置:MMX指令集和SSE指令集

Pentiumm處理器增加了70條SSE指令，并具有惟一的處理器序

列號。

硬件工程師培訓教程(四)

二、AMD陣營

在CPU市場的多年較量中，與Intel始終相執(zhí)不下的就是CPU

芯片的另一霸主——同是美國公司的AMD了。從K5起,AMD就一直

致力于與Intel爭奪在低端應用領域的市場份額。

1.AMDK5

代號：5K86

發(fā)布時間：1996年

核心頻率：75~133MHz

總線頻率：50~66MHz

CPU核心電壓:3.52V

制造工藝：0.35|1m

晶體管數(shù)目：430萬個

芯片面積：181mm2

緩存容量：24KBLICache（16KB數(shù)據(jù)Cache、8KB指令Cache）

接口類型：Socket7

K5是AMD公司第一塊自行設計的處理器，時鐘頻率有90MHz、

100MHz、120MHz等幾款。AMD也采用

P-Rating系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身就是與Cyrix協(xié)作開發(fā)出來的。盡管K5

的浮點運算能力比6x86稍強一些，

但也好不到哪里去。同時由于K5的時鐘頻率比不上Cyrix,所以它

在CPU市場并不成功。但是1年以后，

分別比90、100和116.66MHz更快的120、133和166MHzAMD

P-Rating處理器又殺了回來。由于推出

的時間較晚，因此剛一推出就面臨著被Intel公司淘汰出局的悲慘

命運。

2.AMDK6

發(fā)布時間：1997年

核心頻率：166~300MHz

總線頻率:66MHz

CPU核心電壓:2.9~3.2V

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