硬件工程师第01章.docx
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硬件工程师第01章
第1章个人计算机背景
1.1在PC出现前的计算机发展历史
许多发现和发明对个人计算机（PC）的发展作出了直接或间接的贡献。
回顾一些重要的发展里程碑，有助于我们了解发展的整个过程。
最早的各类计算机都只是简单的计算器，当然计算器也经历了从机械设备发展到电子数字设备的过程。
1.1.1时间表
下面是一张记录计算机发展历史上意义重大的事件的时间表。
这张表并不非常全面，只是列出计算机发展过程中主要的标志性的代表事件。
·1617年。
JohnNapier发明了“内皮尔骨器”，是木制的或象牙制的，用来计数。
·1642年。
BlaisePascal发明了帕斯卡数字加法机。
·1822年。
CharlesBabbage发明了差分机，之后又发明了分析机，是真正的通用计算机器。
·1906年。
LeeDeForest取得了真空三极管的专利，该三极管在第一台电子计算机中用作电子开关。
·1937年。
JohnV.Atanasoff开始研制Atanasoff-BerryComputer（ABC），这台计算机后来被正式认定为第1代电子计算机。
·1943年。
AlanTuring开发了Colossus，这是一台为英国情报部门设计的用于破解德军情报的计算机。
·1945年。
JohnvonNeumann写下了“EDVAC报告第一稿”，在这篇文章中他首次提出了现代存储——程序计算机的体系结构。
·1946年。
ENIAC机器研制出来，这是由JohnMauchly和J.PresperEckert制造的一台电子计算机。
·1947年。
12月23日，WilliamShockley、WalterBrattain和JohnBardeen成功测试了点接触的晶体管，开始了半导体革命。
·1949年。
MauriceWilkes在剑桥大学组装了EDSAC，这是第一个实用的存储——程序计算机。
·1950年。
在明尼阿波利斯的工程研究联合会建造了ERA1101，这是最早的为商用目的而制造的计算机。
·1952年。
UNIVACI安装到美国联邦调查局，这是最早的商用计算机，引起了公众的广泛关注。
·1953年。
IBM制造了自己的第一台计算机701。
·1954年。
出现了基于硅的晶体管，由德克萨斯设备公司的GordonTeal完善，使这一部件的价格低于2.50美元。
·1954年。
IBM650磁鼓计算器作为第一种批量生产的计算机投放市场，在一年中卖了450台。
1955年。
贝尔实验室发布了第一台全部是晶体管的计算机TRADIC。
·1956年。
MIT的研究人员建造了TX-O，这是第一个使用晶体管的通用的可编程的计算机。
·1956年。
随着IBM把305RAMAC运到旧金山，磁盘存储时代到来了。
·1958年。
JackKilby在德克萨斯设备公司创建了第一个集成电路，证明电阻和电容可以同时存在于半导体材料的板子上。
·1959年。
IBM7000系列巨型机是该公司的第一台晶体管计算机。
·1959年。
在Fairchild照像机和设备公司，RobertNoyce发明了实用的集成电路，允许导电通道直接印刷在硅表面上。
·1960年。
贝尔实验室设计了它的数字电话，这是第一台商用的调制解调器，特别适用于在连接远程网络时把数字计算机数据转变成模拟信号传输。
·1960年。
作为小型计算机的先驱，DEC的PDP-1售价120000美元。
·1961年。
根据Datamation杂志公布的统计数字，在1961年IBM在计算机市场上占有81.2％的市场份额，在这一年IBM推出了1400系列计算机。
·1964年。
SeymourCray设计了CDC6600超级计算机，每秒可以执行300万条指令——是与它最接近的计算机IBMStrech的三倍。
·1964年。
IBM发布了System／360计算机，6台互相兼容的计算机和40台外部设备可以共同工作。
·1964年。
联机事务处理首次在IBM的SABRE系统中亮相，该系统为美国航空公司设计。
·1965年。
DEC公司推出了PDP-8；这是第一台在商业上成功的小型计算机。
·1966年。
HP公司加入到通用计算机市场中，它推出了HP-2115，提供了以前只能在更大的计算机上才能提供的计算能力。
·1970年。
美国国防部在ARPAnet网络上建立了四个结点，两个在加利弗尼亚大学（一个在SantaBarbara，一个在洛杉矶），一个在SRI国际部，另一个在尤它大学，这样，计算机间的通信开始发展起来。
·1971年。
IBM的SanJoe实验室的一个小组发明了8英寸软磁盘。
·1971年。
第一个微处理器（Intel4004）广告在《电子新闻》杂志上发布。
·1971年。
第一台个人计算机之一，Kenbak-1，在ScientificAmerican上打出了广告，售价750美元。
·1972年。
HP公司推出HP-35，并声称是“快速的，非常准确的电子计算器”，它带有与计算机类似的固态内存。
·1972年。
Intel的8008微处理器首次登场。
·1972年。
SteveWozniak建造了“蓝盒子”，这是一种用于自由打电话的语言生成器。
·1973年。
RobertMetcalfe在XeroxPaloAlto研究中心设计了网络联接的以太网方法。
·1973年。
基于Intel8008微处理器的最早的商用个人计算机Micral问世。
·1973年。
出现了TV打字机，它由DonLancaster设计，第一次在普通的电视机上显示了字母与数字符号信息。
·1974年。
XeroxPaleAlto研究中心的研究人员设计了Alto——第一台工作站，它带有用于输入的嵌入式鼠标。
·1974年。
Scelbi发布了它的8H计算机，这是第一台做了商业广告的计算机，它基于Intel8008微处理器。
·1975年。
第一个商用的包交换网络Telnet诞生，这是与ARPAnet相似的大众化网络。
·1975年。
在《PopularElectronics》杂志第一期的封面上打出了基于Intel8080微处理器的Altair8800的广告。
·1975年。
LeeFelsenstein设计了可视显示模块（VDM）的原型，首次实现了个人计算机上的存储器映射字母数字符号视频显示。
·1976年。
SteveWozniak设计了AppleI单板计算机。
·1976年。
ShugartAssociates推出了5.25英寸的软盘驱动器和软盘。
·1976年。
CrayI作为商业上成功的向量处理机而闻名于世。
·1977年。
TandyRadioShack推出TRS-80。
·1977年。
Apple计算机公司推出Apple·Ⅱ。
·1977年。
Commodore推出PET（个人电子助手）。
·1978年。
DEC公司推出VAX11／780，寻址能力达4.3GB虚存空间，是大部分小型计算机的数百倍。
·1979年。
Motorola推出了68000微处理器。
·1980年。
XeroxPaloAlto研究中心的JohnShoch发明了计算机“蠕虫”，这是个查找网络中空闲处理器的小程序。
·1980年。
Seagate公司为微型计算机研制了第一个硬盘驱动器ST-506。
·1980年。
第一个光数据存储盘问世，是5.25英寸软盘存储容量的60倍。
·1981年。
Xerox推出Star，这是第一台具有图形用户界面的个人计算机。
·1981年。
AdamOsborne设计了第一台便携式计算机OsborneI，它重24磅，售价1795美元。
·1981年。
IBM推出了自己的PC，使个人计算机市场快速增长，IBMPC是所有现代PC的先驱。
·1981年。
Sony公司推出了第一个3.5英寸软盘驱动器和软盘。
·1983年。
Apple推出了Lisa，它的GUI与首次在XeroxStar上推出的GUI非常相似。
·1983年。
Compaq计算机公司推出了自己的第一台微机，使用的软件与IBMPC相同。
·1984年。
Apple公司发布了Macintosh，这是第一台成功的用鼠标操作GUI的计算机，在1984年销售额达150万美元。
·1984年。
IBM发布了PC-AT（PC先进技术），比原来的PC快3倍，基于Intel286芯片。
AT引入了16位ISA总线，所有现代PC仍支持这一总线结构。
·1985年。
Phillip公司推出CD-ROM。
·1986年。
Compaq发布了Deskpro386，这是市场上第一台使用Intel386芯片的计算机。
·1987年。
IBM推出了PS／2机器，该机器为PC建立了3.5英寸软盘和VGA视频显示标准。
PS／2也引入了微通道总线，这是PC上的第一条即插即用总线。
·1988年。
Apple公司的组建者之一SteveJobs离开了Apple公司，组建了一个自己的公司，拉开了NEXT的序幕。
·1988年。
Compaq和其他PC制造商开发了增强工业标准体系结构（EISA）总线，该总线与微通道不同，保持对ISA总线向后兼容。
·1988年。
RobertMorris的蠕虫在ARPAnet上泛滥。
23岁的Morris是美国国家安全局一名计算机安全专家的儿子，他通过互联网发送出了不具破坏性的蠕虫程序，使连到网络的60000台主机中的大约6000台主机出了问题。
·1989年。
Intel发布了486（P4）微处理器，它包括100多万个晶体管。
Intel也推出了486主板芯片组。
·1990年。
当位于Geneva的高能物理实验室CERN的研究员TimBerners-Lee开发了超文本标记语言（HTML）时，WWW技术诞生了。
·1993年。
Intel发布了Pentium（P5）处理器。
Intel在知道了不能以数字为商标以后，把处理器的名字由数字改为单词。
Intel也发布了主板芯片组并首次推出了完整的主板。
·1995年。
Intel发布了PentiumPro微处理器，这是P6处理器系列中的第一款微处理器。
·1995年。
Microsoft公司发布了Windows95，它第一个主流32位操作系统。
·1997年。
Intel发布了PentiumⅡ处理器，在PentiumPro中加入了MMX功能。
·1997年。
AMD公司推出了K6系列处理器，与Intel公司的P5（Pentium）系列相对应。
·1998年。
Microsoft公司发布了Windows98。
·1998年。
Intel发布了Celeron（赛扬），它是一种低价的、带二级缓存的PentiumⅡ处理器。
·1999年。
Intel发布了PentiumⅢ，特别是在PentiumⅡ中加入了SSE（流式SIMD扩展）。
·1999年。
AMD公司推出了Athlon系列处理器。
·2000年。
Microsoft发布了WindowsMe（MillenniumEdition）和Windows2000。
·2000年。
Intel和AMD都推出了1GHz的处理器。
·2000年。
AMD公司推出了Duron系列处理器，这是一种低成本、减少了二级缓存的Athlon处理器。
·2000年。
Intel公司推出了Pentium4处理器，这是迄今为止32位Intel体系家族中的最新处理器。
·2000年。
Intel发布了Itanium处理器，它是PC机中第一款64位微处理器。
1.1.2机械计算器
有记载的最早的计算工具是算盘，它曾在超过2000年的时间里广为使用。
算盘结构简单，一般只是木制的框架中间放一些平行的杆，杆上串着珠子。
珠子的上下移动按照某些计算法则操作，可以用算盘进行几种简单的算术操作。
使用标准的阿拉伯数字的数学在八九世纪传入欧洲。
在十七世纪初，一个名叫ChariesNapier的人（对数发明者）发明了一系列小木杆（后来称为Napier骨架），可以用来帮助进行数字相乘计算。
通常认为是BlaisePascal在1642年建造了第一台数字计算机器。
它可以对表盘上输入的数字进行加法运算，他的初始目的是帮助他的父亲，他父亲是一名收税员。
然后，在1671年，GottfriedWilhelmvonLeibniz发明了一个计算器，最终在1694年制成。
他的计算器不仅能进行加法运算，而且通过连续的加法和移位，可以进行乘法运算。
在1820年，CharlesXavierThomas开发了第一个在商业上成功的机械计算器，不仅能进行加法运算，也能进行减法运算、乘法运算和除法运算。
之后，出现了各种各样的其他发明，不断改进机械计算器。
1.1.3第一台机械计算机
CharlesBabbage，英格兰剑桥大学的数学教授，被普遍认为是计算机之父，因为他有两项伟大的发明——每个发明都是一类不同的机械计算机。
差分机于1812年制成，它用差分方法求解多项式方程。
到1822年，他为自己的差分机建造了一个小型工作模型用来演示。
在英国政府的资助下，1823年，Babbage开始建造全比例的模型。
目标是使用蒸气动力全自动工作，甚至能打印出结果表。
Babbage持续工作了10年，但是到1833年他失去了兴趣，因为他有了一个建造更好的机器的想法，他的描述是通用的、完全由程序控制的、自动机械数字计算机。
Babbage把他的新机器称作分析机。
分析机计划可以平行地对50位十进制数位进行操作并且带有可以存储1000个数据的存储能力。
其中的嵌入式操作包括了现代通用计算机所需要的所有操作，甚至包括所有重要的条件函数，即允许指令根据某些条件按一定顺序执行，而不只是按数字顺序执行。
在现代计算机中，这种条件处理用高级计算机语言中的IF语句来实现。
分析机也试图使用打孔卡，用来控制机器和对机器编程。
这台机器依靠蒸汽动力自动操作，只需要一名操作员。
这台分析机是第一台真正的通用计算设备。
它被认为是现代计算机的真正先驱，因为它具备了现代计算机所具备的所有元素。
这些元素包括：
·输入设备。
使用了与当时织布场织布机相似的思想，用打孔卡进行输入。
·控制单元。
用一个带有许多板条和螺栓的桶来对处理器进行控制或编程。
·处理器（或计算器）。
包含数百的轴和上千的齿轮的计算机器，大约10英尺高。
·存储单元。
包含更多轴和齿轮的单元，可以保存1000个50位数据。
·输出设备。
用一个可以印刷的盘于来打印最终结果。
唉，可惜这台实质上的第一台计算机没有实际完成，因为在制造精确的齿轮过程中总是出这样那样的问题。
当时的工具还不够精密。
有意思的一点是，Babbage提出的打孔卡的思想在1890年成为现实。
当年，美国人口调查部的雇员HermanHollerith为了把美国人口调查信息打印出来，进一步完成了打孔卡的思想。
如果没有这些卡，雇员要统计所有调查信息大概需要几年；而使用这些卡，他们可以在6个星期内完成工作。
Hollerith继续组建了Tabulating机器公司，后来发展成为人们熟知的IBM公司。
当时，IBM和其他公司开发了一系列改进的打孔卡系统。
这些系统用许多机电设备建造，如使用了继电器和马达。
这类系统可以从“读入”站点自动读入特定的卡号上的数据；之后，进仃加法、乘法和排序操作：
最后通过在卡片上打孔输出结果。
这些打卡计算机每分钟可以处理50到250张卡，每张卡上有80位数据。
打孔卡不仅提供了输入和输出的方法，而且也作为一种存储方式。
打孔卡系统在长达50年的时间内在世界范围内进行主要的计算工作，并且促使诞生了许多早期计算机公司。
1.1.4电子计算机
物理学家JohnV.Atanasoff（与CliffordBerry一起）于1937年到1942年在爱阿华州学院工作时，制造了第一台真正的数字式电子计算机。
这台Atanasoff-Berry计算机（称为ABC）第一次利用现代数字开关技术，使用电子管作为开关，并引进了二进制运算和逻辑电路的概念。
1973年10月19日，经过长期的法庭辩论之后，美国联邦法官EarlR.Larson宣布Ecert和Mauchly拥有ENIAC的专利，而Atanasoff则是第一台电子数字计算机的发明者。
二次大战期间，军事上的需求对计算机的发展起了重大的推动作用。
1943年，AlanTuring秘密发明了一台称为Colossus的译码计算机，用于破译德国的秘密消息。
然而，由于Colossus一直处于保密状态，Turing的工作很长一段时间鲜为人知，直到战后很多年以后才公之于众。
除了用于破译编码之外，需要计算机系统来计算武器的弹道和其他军事参数。
在1946年，JohnP.Eckert、JohnW.Mauchly以及他们的助手在宾西法尼亚大学的电子工程专业的摩尔学院制造出了第一台大规模电子计算机，供军事应用使用。
这台机器就是众所周知的ENIAC，即电子数字积分器和计算器。
它操作10位数据，每秒钟能够计算300个乘积结果，通过查找存储在内存中的乘法表来计算。
ENIAC比它前一代的机电计算机快大约1000倍。
ENIAC使用了大约18000个电子管，占地1800平方英尺（167平方米），功耗达180000W。
以打孔卡作为输入和输出；寄存器作为加法器，也使用了快速访问的读写存储器。
它通过特定的走线和开关构成可执行的指令构成程序，控制机器中的计算流程。
这样，ENIAC对不同的程序必须重新布线和设置开关。
尽管最初Eckert和Mauchly拥有电子计算机的专利，但后来这项专利就无效了；而是奖励给了发明Atanasoff-Berry计算机的JohnAtanasoff。
在1945年早些时候，JohnvonNeumann证明计算机只需要一个非常简单、固定的物理结构就能够执行任何类型的计算，只要通过适当的程序控制，而不必在硬件上有任何改变。
换句话说，只需要改变程序而不需要重新设置系统。
存储——程序技术，这一人们熟知的vonNeumann思想，奠定了未来高速数字计算机的基础，并被广泛采纳。
第一代现代编程式的电子计算机在1947年进一步改进。
这些计算机包括EDVAC和UNIVAC，它们是第一代商用计算机。
这些计算机首次包括了使用随机访问存储器（RAM）作为要快速提供程序和数据的存储部分。
典型情况下，它们是直接用机械语言编程的。
在50年代中期，在编程方面有了一些改善，引入了一些高级的编程方式。
当时最具代表性的计算机是UNIVAC（通用自动计算机的缩写），它是第一台真正意义上的通用计算机，可以用于字符和数据处理。
这使得UNIVAC成为了商业的标准，不只是为科学实验和军事使用。
1.2现代计算机
从UNIVAC到现在，计算机发展非常迅速。
第一代计算机是用电子管制造的，接下来的几代计算机则使用更小更高效的晶体管。
1.2.1从电子管到晶体管
任何现代的计算机都集成了大量的电子开关，这些开关表示并控制称为二进制位的数据元素的流动。
因为计算机使用的二进制信息和信号路径可以用开关的打开和关闭两种状态来表示，因此需要高效的电子开关。
第一台电子计算机使用电子管作为开关，虽然电子管可以用作开关，但它有许多问题。
在早期计算机中使用的电子管类型称为三级真空管，由LeeDeForest在1906年发明。
它由一个阳极和一个金属板构成，并由一个控制栅极分开，放在玻璃真空中。
栅极由红热电子灯丝加热，发射出电子，被金属板接收。
中间的控制栅极控制这一电子流。
通过施加负电压，电子返向回到阴极；施加正电压，电子则飞向金属板。
这样，通过控制栅极电流，可以控制金属板的输出打开或关闭。
不幸的是，电子管作为开关效率不高。
它耗电量很大，发热量也相当大——这是早期计算机系统中的主要难题。
由于它的发热量大，电子管特别不可靠——在大规模系统中几乎每两个小时就有一只电子管坏掉。
晶体管的发明，或者说半导体的发明，是引发个人计算机变革的最重要的因素。
晶体管最早于1947年发明，在1948年发布，发明者是贝尔实验室的工程师JohnBardeen和WalterBrattain。
几个月后，贝尔实验室的助理工程师WilliamShockley发明了节型晶体管，他们三个人由于发明了晶体管共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
晶体管，其基本功能是作为固态电子开关，代替了不适用的电子管。
因为晶体管小得多，耗电量也非常小，用晶体管制造的计算机就比用电子管建造的计算机更小、更快、更高效。
晶体管主要由硅和锗掺杂一些杂质制成。
根据加入的杂质及其价电子不同，晶体管主要分为N型（负型）和P型（正型）。
这两种类型都是半导体，允许电子双向流动。
然而，当两种类型半导体连接在一起时，在连接处就形成了一个结，在结的位置加上正电压时，电流只能单向流动。
这就是为什么通常称之为半导体。
将两个PN结背靠背地放在一起就构成了一个晶体管。
通过把一种类型的半导体材料薄片放在两个其他类型的薄片之间就可以制成晶体管。
如果中间的材料是P型半导体材料，那么构成的晶体管是NPN型的。
反之，如果中间的材料是N型半导体材料，那么构成的晶体管是PNP型的：
在一个NPN晶体管中，中间材料一侧的N型半导体材料称为发射极，通常与负电流相连。
中间的P型半导体称为基极。
另一侧的N型材料称为集电极。
NPN晶体管和三极真空管相比，发射极相当于阴极，基极相当于栅极，而集电极相当于金属板。
通过控制基极的电流，可以控制发射极和集电极之间的电流。
和电子管相比，晶体管作为开关更加高效，并且可以小型化到很微小的尺度。
最新的PentiumⅡ和PentiumⅢ微处理器在一个芯片中包含的晶体管数目超过2700万个。
从电子管到晶体管的转变开始了小型化的趋势，并一直持续到现在。
今天，小型的膝上型（或掌上型）PC系统，靠电池供电，所具有的计算能力远远地超过早期的计算机系统，况且早期的计算机系统通常要占据很大的空间，耗费很多的电能。
1.2.2集成电路
第三代现代计算机使用集成电路而不是使用分立的晶体管。
1959年，德克萨斯设备公司的工程师发明了集成电路（IC），集成电路是在同一基极（或底质材料）上包含多个晶体管的半导体电路，不用导线就把晶体管连接起来。
第一片IC只包含6只晶体管。
我们可以比较一下，今天广泛使用的IntelPentiumPro微处理器芯片包含550多万个晶体管，而在一些这类芯片中集成的高速缓存包含多达3200万个晶体管。
现在，许多IC中包含的晶体管数都在数百万的范围。
1.2.3第一片微处理器
1998年，Intel公司庆祝其成立30周年。
Intel公司创建于1968年7月18日，由RobertNoyce、GordonMoore和AndrewGrove共同创建。
他们有一个特殊的目标：
使半导体存储器可以方便操作并且价格可承受。
这并不是一个很容易实现的目标，因为在当时，基于硅片的存储器价格比磁心存储器的价格贵至少100多倍。
当时，半导体存储器的每一位价格大约为1美元，而磁心存储器大约1美分1位。
Noyce说“我们所要做的一切就是要使价格降低两个数量级，那么我们就会占有市场；这是我们最基本的目标”。
到1970年为止，Intel公司已经成为著名的存储器芯片公司，推出了1K位的存储器芯片，比当时市场上可买到的其他存储器的存储容量大得多（1K位等于1024位，而8位等于1个字节。
因此，这一存储芯片只存储了128个字节——今天看来，是非常小的）。
该芯片称为1103动态随机访问存储器（DRAM），在第二年年底，它成为了市场上销量最大的半导体设备。
此时，Intel公司也已经从最初成立时的几个人
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