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

算機發展歷程中的精彩瞬間。

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”。從下面這個按時間順序展現的計算

機發展簡史中,我們可以感受到科技發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展,人們長期被神權壓抑的創造力得到了空前的

釋放。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。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。但限于當時的科技水平，多數試

驗性的創造都以失敗而告終，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)發表了一篇論

文，其中提到他發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據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)中存儲程序和數據。Babbage在以后的時間里繼續他的研究

工作，并于1840年將操作位數提高到了40位，并基本實現了控制

中心(CPU)和存儲程序的設想，而且程序可以根據條件進行跳轉，能

在幾秒內做出一般的加法，幾分鐘內做出乘、除法。

1848年:英國數學家GeorgeBoole創立二進制代數學，提前近

一個世紀為現代二進制計算機的發展鋪平了道路。

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（后來他的公司發展成了IBM公司）借鑒

Babbage的發明，用穿孔卡片存儲數據，并設計了機器。結果僅用6

周就得出了準確的人口統計數據（如果用人工方法，大概要花10年

時間）。

1896年:HermanHollerith創辦了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發明電子管，為電子計算機的

發展奠定了基礎。

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

據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

帶輸入程序和數據。它運行更可靠，每個數用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。直

到晶體管被發明出來，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發明了軟磁

盤，其銷售權由IBM公司獲得。由此開創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應用時

代。

1953年:磁芯存儲器被開發出來。

1954年：IBM的JohnBackus和他的研究小組開始開發

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開發成功第一臺點陣式打印機。

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。集成電路的發明解決了這個問題。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公司創始人)的領

導下，集成電路誕生，不久又發明了微處理器。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。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發布PL/1編程語言。

1964年:發布IBM360首套系列兼容機。

1964年:DEC發布PDB-8小型計算機。

1965年:摩爾定律發表，處理器的晶體管數量每18個月增加一

倍，價格下降一半。

1965年:LoftiZadeh創立模糊邏輯，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。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開發成功。

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

1968年：RobertNoyce和他的幾個朋友創辦了Intel公司。

1968年:SeymourPaper和他的研究小組在MIT開發了LOGO語

言。

1969年：ARPANet(AdvancedResearchProjectsAgency

Network)計劃開始啟動，這是現代Internet的雛形。

1969年4月7日：第一個網絡協議標準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UNIX操作

系統。

1970年:Forth編程語言開發完成。

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>

于大規模集成電路及后來的超大規模集成電路。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縮小，特別是

發熱量問題能否解決。同時，人們開始探討第五代計算機的開發。

1972年:C語言開發完成。其主要設計者是UNIX系統的開發者

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發布，得到廣泛歡迎。發明者是Nolan

Bushnell（Atari的創立者）。

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

域的發展。隨著超大規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

產業的發展還起著舉足輕重的作用。在此時段，互聯網技術和多媒體

技術也得到了空前的應用與發展，計算機真正開始改變我們的生活。

1974年4月1日：Intel發布其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創辦Microsoft公司（現

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機開發操作系統，從此奠定了在計算機軟件

領域的領導地位。

1976年:StephenWozinak和StephenJobs創辦蘋果計算機公

司，并推出其AppleI計算機。

1978年6月8E）:Intel發布其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，

決定開發自己的個人計算機。為了盡快推出自己的產品，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的開發工

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，開發了Windows系列軟件。

1981年8月12E）:MS-DOS1.0和PC-DOS1.0發布。Microsoft

受IBM的委托開發DOS操作系統，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，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協議的Internet初具規模。

1982年2月：80286發布，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、每秒執行270

萬條指令、集成了13.4萬個晶體管。

1983年春季：IBMXT機發布，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數字協處

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)域名服務器發布，互聯網上

有1000多臺主機運行。

1984年底:Compaq開始開發IDE接口，能以更快的速度傳輸數

據，并被許多同行采納，后來在此基礎上開發出了性能更好的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、每秒可執行600萬條指令、集成了275000個晶

體管。

1985年11月：MicrosoftWindows發布。該操作系統需要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發布。這是第一個

支持3.5英寸磁盤的系統，但只支持到720KB,3.3版才支持

1.44MB。

1987年:MicrosoftWindows2.0發布。

19884：EISA標準建立。

1989年:歐洲物理粒子研究所的TimBerners-Lee創立World

WideWeb雛形。通過超文本鏈接，新手也可以輕松上網瀏覽。這大

大促進了Internet的發展。

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）發布。

1990年5月22日：微軟發布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標準發布。

1991年6月：MS-DOS5.0和PC-DOS5.0發布。為了促進OS/2

的發展，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發布，可尋址2GB內存。

1992年4月：Windows3.1發布。

1993年：Internet開始商業化運行。

1993年:經典游戲Doom發布。

1993年3月22E）:Pentium發布，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、每秒鐘執行1億條指令。

1993年5月：MPC標準2發布，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發布90-100MHzPentium處理器。

1994年:Netscape1.0瀏覽器發布。

1994年:著名的即時戰略游戲Command&Conquer（命令與征服）

發布。

1995年3月27日：Intel發布120MHz的Pentium處理器。

1995年6月1日：Intel發布133MHz的Pentium處理器。

1995年8月23日：純32位的多任務操作系統Windows95發

布。該操作系統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發布，主頻可達200MHz、每

秒可執行4.4億條指令、集成了550萬個晶體管。

1995年12月：Netscape發布其javascript。

1996年1月：NetscapeNavigator2.0發布。這是第一個支持

javascript的瀏覽器。

1996年1月4日：Intel發布150~166MHz的Pentium處理

器，集成了310-330萬個晶體管。

1996年:Windows95OSR2發布，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

件發布，并帶動3D圖形加速卡迅速崛起。

1997年1月8日：Intel發布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)計算機戰勝人類國際象棋

世界冠軍卡斯帕羅夫。

1997年5月7日：Intel發布PentiumH,增加了更多的指令

和Cacheo

1997年6月2日：Intel發布233MHzPentiumMMXo

1998年2月：Intel發布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熱量。

1998年6月25日：Microsoft發布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發布，人們對其寄予

厚望。

1999年2月22日：AMD公司發布K6-3400MHz處理器。

1999年7月：PentiumID發布，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發起更大的沖擊，同時，

面向高端的ThunderBird也在其后的一個月間發布。

2000年7月：AMD領先Intel發布了1GHz的Athlon處理器，

隨后又發布了1.2GMHzAthlon處理器。

2000年7月：Intel發布研發代號為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發布主頻高達2GHz的P4處理器。

每千片的批發價為562美元。

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。硬件是組成計算機系統

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，實現了自動連續運算。

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據一起輸入計算機存儲器中保

存起來，工作時控制器執行程序，控制計算機自動連續進行運算。Von

Neumann體系結構存在的一個突出問題就是，外部數據存取速度和

CPU運算速度不平衡，不過可以通過在一個系統中使用多個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。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個主要的數據存儲部件: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（每字含4或8字節）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據或主存儲器中數

據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據的加速器。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。具體產品如鍵盤、鼠標和掃描儀等。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。具體產品如打印機、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?？?/p>

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€又分用于傳輸數據的數據總線(DataBus)、

傳輸地址信息的地址總線(AddressBus)和用于傳輸控制信號、時序

信號和狀態信息的控制總線(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據類型相關的基本算術指令(即實數和整

數加法、減法、乘法和除法等)、測試數據項性質(如是否為零，是正

數或負數等)的指令、對數據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。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，每次執行的都是簡單的循環算法。而對于每次循

環，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并取得操作數（如果必要的

話），使用操作數作為參數調用指定的操作?；静僮骺赡苄薷膬却?/p>

和寄存器中的數據，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行流程。在執行基本操作后，解釋器將

重復上述循環。

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。一

般操作數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。上述機制稱為數據存取控制。一般的方式是，對每個存儲器地址

用一個整數標記，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。

盡管CPU必須等待數據，但無需額外的硬件。為了平衡中央處

理器速度和外部數據讀取速率之間的矛盾，操作系統通常使用多進程

技術，在等待讀取數據的毫秒時間段內，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

頁或動態程序分配機制。頁算法對將來最有可能被使用的數據和程序

做出預測并存取，只要數據和指令所在的頁在主存中，程序就可以一

直執行下去。如果出現了頁錯誤（即正確的地址不在內存中），則通知

操作系統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據存儲器，大小

一般為1~256KB,包含中央處理器最近使用的數據和指令，當然

也包括了將來最有可能被使用到的程序代碼或數據。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。如果指定的地址不在主存

中，則讀取包含該地址的一段數據塊，這些相近地址中的數據有可能

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

到所用數據的概率）。

十、操作環境

計算機的操作環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境

進行。操作環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、數據通信線）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

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。

因此對計算機的了解還應包括對它的動態行為，即程序執行過程

的了解。這個了解也就要包括其程序執行前不同存儲器的內容、所執

行的指令序列、程序執行過程中數據內容是如何被修改的及程序執行

的最后結果是什么等。

描述計算機動態行為的一個簡便方法是使用“計算機狀態”。將

計算機上程序的執行看成是計算機狀態的一個變化序列，每個狀態由

程序執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,每一步程序的執行都

是通過修改存儲器的內容將當前的狀態轉換為一個新的狀態，該過程

稱為狀態轉換。當程序執行結束后，最終狀態定義就是這些存儲器的

內容。程序的執行可以看成是由計算機狀態序列的轉換，如果能預測

狀態的轉換序列，就可以說理解了計算機的動態行為。

第二章CPU的發展及相關產品技術

CPU（CentraIProcessingUnit）,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。它負責整個系統指令的執行、數學與邏輯運算、數據存

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行和數據的處理，當然也關系著指令和數據處理

速度的快慢，因而CPU有不同的執行功能，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CPU的歷史

CPU從最初發展至今已經有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，我們將以他們的產品為介

紹重點。

一、Intel陣營

Inte1（英特爾）公司大家已經是如雷貫耳，不管你是否為計

算機高手，也不管你是否是業內人

士，只要你知道計算機這個詞，對Intel就一定不會陌生。Int

el是全世界硬件行業的老大，是世

界上最大的芯片生產商和制造商。提到Intel公司就不能不談談

Inte1CPU芯片的發展歷程。按照

國際上目前比較能夠得到業內認同的說法，Intel的CPU芯片主

要經歷了以下幾個發展階段：

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微處理器的典型產品是Intel公司的8086微處理器，以

及同時生產出的數學協處理器，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、指

數和三角函數等數學計算的指令。由于這些指令應用于8086和8

087,因此被人們統稱為x86指令集。此后Intel推出新一代

CPU產品均兼容原來的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的內部數據

總線是16位，外部數據總線是8位。1981年，8088芯片被首

次用于IBMPC機當中，開創了個人電腦的新時代。如果說8080處

理器還不為大多數人所熟知的話，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、外部數據總線均為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的內部和外部數據總線都是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。它的內部數據總線為32位，與80386相同，外部數據總

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

的輸入/輸出接口芯片。80386SX的性能優于80286,而價

格只及80386的1/3。386處理器沒有內置數學協處理器，因此

不能執行浮點運算指令，如果需要進行浮點運算，必須額外購買昂貴

的80387數學協處理器。

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和數字協處理器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

期內執行一條指令。它還采用了突發總線方式，大大提高了與內存

的數據交換速度。由于這些改進，80486的性能比帶有80387

數學協處理器的80386提高了4倍。

早期的486理器分為有數學協處理器的486DX和無數學協處理

器的486sx兩種，其價格也相差許多。隨著芯片技術的不斷發，

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展。

7.IntelPentiumClassic（經典奔騰）

代號:P54C

發布時間：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品。

8.IntelPentiumPro（高能奔騰）

代號:P6

發布時間：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數據緩存、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

圖像數據，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

的整數性能大打折扣，Celeron266的整數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

晶體管數目：430萬個

芯片面積：181mm2

緩存容量：24KBLICache（16KB數據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，該系統本身就是與Cyrix協作開發出來的。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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