计算机硬件工程师培训教程1.pdf
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1、计 算 机 硬 件 工 程 师 培 训 教 程 目 录 第 一 章 计 算 机 硬 件 系 统 概 述.2第 一 节 计 算 机 的 发 展 历 史.2第 二 节 计 算 机 的 体 系 结 构.11第 二 章 C P U 的 发 展 及 相 关 产 品 技 术.15第 一 节 C P U 的 历 史.15第 二 节 C PU 的 制 造 工 艺.26第 三 节 C P U 的 相 关 指 标.31第 四 节 C PU 指 令 集.33第 五 节 当 前 C P U 的 技 术 特 点.35第 六 节 新 款 C P U 介 绍.37第 三 章 主 板 综 述.49第 一 节 主 板 的 组
2、成.49第 二 节 主 板 的 结 构 特 点.51第 三 节 主 板 芯 片 组 综 述.53第 一 章 计 算 机 硬 件 系 统 概 述 要 想 成 为 一 名 计 算 机 硬 件 工 程 师,不 了 解 计 算 机 的 历 史 显 然 不 行。在 本 书 的 第 一 章 中,我 们 将 带 你 走 进 计 算 机 硬 件 世 界,去 回 顾 计 算 机 发 展 历 程 中 的 精 彩 瞬 间。第 一 节 计 算 机 的 发 展 历 史 现 代 电 子 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展,离 不 开 人 类 科 技 知 识 的 积 累,离 不 开 许 许 多 多 热 衷 于 此 并
3、呕 心 沥 血 的 科 学 家 的 探 索,正 是 这 一 代 代 的 积 累 才 构 筑 了 今 天 的“信 息 大 厦)从 下 面 这 个 按 时 间 顺 序 展 现 的 计 算 机 发 展 简 史 中,我 们 可 以 感 受 到 科 技 发 展 的 艰 辛 及 科 学 技 术 的 巨 大 推 动 力。一、机 械 计 算 机 的 诞 生 在 西 欧,由 中 世 纪 进 入 文 艺 复 兴 时 期 的 社 会 大 变 革,极 大 地 促 进 了 自 然 科 学 技 术 的 发 展,人 们 长 期 被 神 权 压 抑 的 创 造 力 得 到 了 空 前 的 释 放。而 在 这 些 思 想 创
4、意 的 火 花 中,制 造 一 台 能 帮 助 人 进 行 计 算 的 机 器 则 是 最 耀 眼、最 夺 目 的 一 朵。从 那 时 起,一 个 又 一 个 科 学 家 为 了 实 现 这 一 伟 大 的 梦 想 而 不 懈 努 力 着。但 限 于 当 时 的 科 技 水 平,多 数 试 验 性 的 创 造 都 以 失 败 而 告 终,这 也 就 昭 示 了 拓 荒 者 的 共 同 命 运:往 往 在 倒 下 去 之 前 见 不 到 自 己 努 力 的 成 果。而 后 人 在 享 用 这 些 甜 美 成 果 的 时 候,往 往 能 够 从 中 品 味 出 汗 水 与 泪 水 交 织 的 滋
5、味 1 6 1 4 年:苏 格 兰 人 John Napier(1550-1 6 1 7 年)发 表 了 一 篇 论 文,其 中 提 到 他 发 明 了 一 种 可 以 进 行 四 则 运 算 和 方 根 运 算 的 精 巧 装 置。1623 年:Wilhelm Schickard(1592 1635 年)制 作 了 一 个 能 进 行 6 位 数 以 内 加 减 法 运 算,并 能 通 过 铃 声 输 出 答 案 的“计 算 钟”。该 装 置 通 过 转 动 齿 轮 来 进 行 操 作。1625 年:William Oughtred(1575 1660 年)发 明 计 算 尺。1668 年:
6、英 国 人 Samuel Morl(1625 1695 年)制 作 了 一 个 非 十 进 制 的 加 法 装 置,适 宜 计 算 钱 币。1 6 7 1 年:德 国 数 学 家 G ottfried L e i b n i z设 计 了 一 架 可 以 进 行 乘 法 运 算,最 终 答 案 长 度 可 达 16位 的 计 算 工 具。1 8 2 2 年:英 国 人 Charles Babbage(1792 1 8 7 1 年)设 计 了 差 分 机 和 分 析 机,其 设 计 理 论 非 常 超 前,类 似 于 百 年 后 的 电 子 计 算 机,特 别 是 利 用 卡 片 输 入 程 序
7、 和 数 据 的 设 计 被 后 人 所 采 用。1 8 3 4 年:B a b b ag e设 想 制 造 一 台 通 用 分 析 机,在 只 读 存 储 器(穿 孔 卡 片)中 存 储 程 序 和 数 据。Babbage在 以 后 的 时 间 里 继 续 他 的 研 究 工 作,并 于 1 8 4 0 年 将 操 作 位 数 提 高 到 了 4 0 位,并 基 本 实 现 了 控 制 中 心(CPU)和 存 储 程 序 的 设 想,而 且 程 序 可 以 根 据 条 件 进 行 跳 转,能 在 几 秒 内 做 出 一 般 的 加 法,几 分 钟 内 做 出 乘、除 法。1 8 4 8 年:
8、英 国 数 学 家 George B o o l e创 立 二 进 制 代 数 学,提 前 近 一 个 世 纪 为 现 代 二 进 制 计 算 机 的 发 展 铺 平 了 道 路。1 8 9 0 年:美 国 人 口 普 查 部 门 希 望 能 得 到 一 台 机 器 帮 助 提 高 普 查 效 率。Herman Holle rith(后 来 他 的 公 司 发 展 成 了 IB M 公 司)借 鉴 B a b b a g e的 发 明,用 穿 孔 卡 片 存 储 数 据,并 设 计 了 机 器。结 果 仅 用 6 周 就 得 出 了 准 确 的 人 口 统 计 数 据(如 果 用 人 工 方
9、法,大 概 要 花 1 0 年 时 间)。1896 年:Herman H ollerith 创 办 了 IB M 公 司 的 前 身。二、电 子 计 算 机 问 世 在 以 机 械 方 式 运 行 的 计 算 器 诞 生 百 年 之 后,随 着 电 子 技 术 的 突 飞 猛 进,计 算 机 开 始 了 真 正 意 义 上 的 由 机 械 向 电 子 时 代 的 过 渡,电 子 器 件 逐 渐 演 变 成 为 计 算 机 的 主 体,而 机 械 部 件 则 渐 渐 处 于 从 属 位 置。二 者 地 位 发 生 转 化 的 时 候,计 算 机 也 正 式 开 始 了 由 量 到 质 的 转 变
10、,由 此 导 致 电 子 计 算 机 正 式 问 世。下 面 就 是 这 一 过 渡 时 期 的 主 要 事 件:1 9 0 6 年:美 国 人 Lee D e F o r e s t发 明 电 子 管,为 电 子 计 算 机 的 发 展 奠 定 了 基 础。1 9 2 4 年 2 月:IB M 公 司 成 立,从 此 一 个 具 有 划 时 代 意 义 的 公 司 诞 生。1 9 3 5 年:IB M 推 出 IB M 6 0 1 机。这 是 一 台 能 在 一 秒 钟 内 算 出 乘 法 的 穿 孔 卡 片 计 算 机。这 台 机 器 无 论 在 自 然 科 学 还 是 在 商 业 应 用
11、 上 都 具 有 重 要 的 地 位,大 约 制 造 了 1500 台。1 9 3 7 年:英 国 剑 桥 大 学 的 Alan M.Turing(1912 1 9 5 4 年)出 版 了 他 的 论 文,并 提 出 了 被 后 人 称 之 为“图 灵 机”的 数 学 模 型。1 9 3 7 年:B e l l试 验 室 的 George S t i b i t z 展 示 了 用 继 电 器 表 示 二 进 制 的 装 置。尽 管 仅 仅 是 个 展 示 品,但 却 是 第 一 台 二 进 制 电 子 计 算 机。1 9 4 0 年 1 月:Bell 实 验 室 的 Samuel Willi
12、ams 和 S tib itz 制 造 成 功 了 一 个 能 进 行 复 杂 运 算 的 计 算 机。该 机 器 大 量 使 用 了 继 电 器,并 借 鉴 了 一 些 电 话 技 术,采 用 了 先 进 的 编 码 技 术。1 9 4 1 年 夏 季:A ta n a s o f f和 学 生 B e r r y 完 成 了 能 解 线 性 代 数 方 程 的 计 算 机,取 名 叫 A B C M(Atanasoff-Berry Computer),用 电 容 作 存 储 器,用 穿 孔 卡 片 作 辅 助存 储 器,那 些 孔 实 际 上 是“烧”上 去 的,时 钟 频 率 是 60H
13、 z,完 成 一 次 加 法 运 算 用 时 一 秒。1 9 4 3年 1 月:Mark I 自 动 顺 序 控 制 计 算 机 在 美 国 研 制 成 功。整 个 机 器 有 51 英 尺 长、5 吨 重、75万 个 零 部 件。该 机 使 用 了 3 3 0 4个 继 电 器,6 0 个 开 关 作 为 机 械 只 读 存 储 器。程 序 存 储 在 纸 带 上,数 据 可 以 来 自 纸 带 或 卡 片 阅 读 器。M ark I 被 用 来 为 美 国 海 军 计 算 弹 道 火 力 表。1943 年 9 月:Williams 和 S tib itz 完 成 了 Relay Inter
14、polator”,后 来 命 名 为“Model II Re lay Calculator”的 计 算 机。这 是 一 台 可 编 程 计 算 机,同 样 使 用 纸 带 输 入 程 序 和 数 据。它 运 行 更 可 靠,每 个 数 用 7 个 继 电 器 表 示,可 进 行 浮 点 运 算。1946 年:EN IA C(Electronic Numerical Integrator A nd Computer)诞 生,这 是 第 一 台 真 正 意 义 上 的 数 字 电 子 计 算 机。开 始 研 制 于 1 9 4 3年,完 成 于 1 9 4 6年,负 责 人 是 John W.Ma
15、uchly 和 J.Presper E c k e r t,重 30 吨,用 了 18000 个 电 子 管,功 率 2 5 千 瓦,主 要 用 于 计 算 弹 道 和 氢 弹 的 研 制。三、晶 体 管 计 算 机 的 发 展 真 空 管 时 代 的 计 算 机 尽 管 已 经 步 入 了 现 代 计 算 机 的 范 畴,但 因 其 体 积 大、能 耗 高、故 障 多、价 格 贵,从 而 制 约 了 它 的 普 及 和 应 用。直 到 晶 体 管 被 发 明 出 来,电 子 计 算 机 才 找 到 了 腾 飞 的 起 点。1947 年:Bell 实 验 室 的 William B.Shock
16、ley、John Bardeen 和 Waiter H.B r a t t a i n 发 明 了 晶 体 管,开 辟 了 电 子 时 代 新 纪 元。1 9 4 9年:剑 桥 大 学 的 W ilk e s和 他 的 小 组 制 成 了 一 台 可 以 存 储 程 序 的 计 算 机,输 入 输 出 设 备 仍 是 纸 带。1949 年:E D V A C(Electronic Discrete Variable Automatic Computer-电 子 离 散 变 量 自 动 计 算 机)一 一 第 一 台 使 用 磁 带 的 计 算 机。这 是 一 个 突 破,可 以 多 次 在 磁
17、 带 上 存 储 程 序。这 台 机 器 是 John von Neumann提 议 建 造 的。1 9 5 0年:日 本 东 京 帝 国 大 学 的 Yoshiro N akam ats发 明 了 软 磁 盘,其 销 售 权 由 IBM公 司 获 得。由 此 开 创 了 存 储 时 代 的 新 纪 元。1951 年:Grace Murray Hopper 完 成 了 高 级 语 言 编 译 器。1 9 5 1年:UNIVAC-1-第 一 台 商 用 计 算 机 系 统 诞 生,设 计 者 是 J.Presper Ecke rt 和 John Mauchly。被 美 国 人 口 普 查 部 门
18、 用 于 人 口 普 查,标 志 着 计 算 机 进 入 了 商 业 应 用 时 代。1953 年:磁 芯 存 储 器 被 开 发 出 来。1954 年:IBM 的 John Backus 和 他 的 研 究 小 组 开 始 开 发 FORTRAN(FORmula TRANslation),1957 年 完 成。这 是 一 种 适 合 科 学 研 究 使 用 的 计 算 机 高 级 语 言。1957 年:I B M 开 发 成 功 第 一 台 点 阵 式 打 印 机。四、集 成 电 路 为 现 代 计 算 机 铺 平 道 路 尽 管 晶 体 管 的 采 用 大 大 缩 小 了 计 算 机 的
19、体 积、降 低 了 价 格、减 少 了 故 障,但 离 用 户 的 实 际 要 求 仍 相 距 甚 远,而 且 各 行 业 对 计 算 机 也 产 生 了 较 大 的 需 求,生 产 性 能 更 强、重 量 更 轻、价 格 更 低 的 机 器 成 了 当 务 之 急。集 成 电 路 的 发 明 解 决 了 这 个 问 题。高 集 成 度 不 仅 使 计 算 机 的 体 积 得 以 减 小,也 使 速 度 加 快、故 障 减 少。从 此,人 们 开 始 制 造 革 命 性 的 微 处 理 器。1958 年 9 月 1 2 日:在 Robert Noyce(Intel公 司 创 始 人)的 领 导
20、 下,集 成 电 路 诞 生,不 久 又 发 明 了 微 处 理 器。但 因 为 在 发 明 微 处 理 器 时 借 鉴 了 日 本 公 司 的 技 术,所 以 日 本 对 其 专 利 不 承 认,因 为 日 本 没 有 得 到 应 有 的 利 益。过 了 3 0 年,日 本 才 承 认,这 样 日 本 公 司 可 以 从 中 得 到 一 部 分 利 涧。但 到 2001 年,这 个 专 利 就 失 效 了。1959 年:Grace Murray Hopper 开 始 开 发 COBOL(COmmon Business-Oriented Language)语 言,完 成 于 1961 年。I9
21、60 年:ALGOL 第 一 个 结 构 化 程 序 设 计 语 言 推 出。1961 年:IBM 的 Kennth Iverson 推 出 APL 编 程 语 言。1963 年:D E C 公 司 推 出 第 一 台 小 型 计 算 机 一 一 PDP-8。1964 年:I B M 发 布 P L/1 编 程 语 言。1964 年:发 布 IBM 3 6 0 首 套 系 列 兼 容 机。1964 年:D E C 发 布 PDB-8小 型 计 算 机。1965 年:摩 尔 定 律 发 表,处 理 器 的 晶 体 管 数 量 每 1 8 个 月 增 加 一 倍,价 格 下 降 一 半。1965
22、年:Lofti Zadeh创 立 模 糊 逻 辑,用 来 处 理 近 似 值 问 题。1965 年:Thomas E.Kurtz 和 John Kemeny 完 成 BASIC(Beginner s Al 1-purpose Symbolic In-struction Code)语 言 的 开 发。特 别 适 合 计 算 机 教 育 和 初 学 者 使 用,得 以 广 泛 推 广。1965 年:Douglas Englebart提 出 鼠 标 器 的 设 想,但 没 有 进 一 步 研 究,直 到 1983年 才 被 苹 果 电 脑 公 司 大 量 采 用。1 9 6 5 年:第 一 台 超
23、级 计 算 机 C D 6600开 发 成 功。1967 年:Niklaus Wirth 开 始 开 发 PASCAL语 言,1971 年 完 成。1968 年:Robert Noyce 和 他 的 几 个 朋 友 创 办 了 I n t e l 公 司。1968 年:Seymour Paper 和 他 的 研 究 小 组 在 M IT 开 发 了 L O G O 语 言。1969 年:A RPA N et(Advanced Research Projects Agency Network)计 划 开 始 启 动,这 是 现 代 I n t e r n e t的 雏 形。1 9 6 9 年 4
24、 月 7 日:第 一 个 网 络 协 议 标 准 R F C推 出。1 9 7 0 年:第 一 块 RAM芯 片 由 I n t e l 推 出,容 量 1 K B。1970 年:Ken Thomson 和 Dennis Ritchie 开 始 开 发 U N IX 操 作 系 统。1 9 7 0 年:F o r t h 编 程 语 言 开 发 完 成。1 9 7 0 年:I n t e r n e t的 雏 形 ARPANet基 本 完 成,开 始 向 非 军 用 部 门 开 放。1971 年 1 1 月 15 H:Marcian E.Hoff 在 Intel 公 司 开 发 成 功 第 一
25、 块 微 处 理 器 4 0 0 4,含 2 3 0 0 个 晶 体 管,字 长 为 4 位,时 钟 频 率 为 108KHz,每 秒 执 行 6 万 条 指 令。1 9 7 2 年:1 9 7 2 年 以 后 的 计 算 机 习 惯 上 被 称 为 第 四 代 计 算 机。基 于 大 规 模 集 成 电 路 及 后 来 的 超 大 规 模 集 成 电 路。这 一 时 期 的 计 算 机 功 能 更 强,体 积 更 小。此 时 人 们 开 始 怀 疑 计 算 机 能 否 继 续 缩 小,特 别 是 发 热 量 问 题 能 否 解 决。同 时,人 们 开 始 探 讨 第 五 代 计 算 机 的
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