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硬件工程师培训教程(15个doc)5硬件工程师培训教程（二）第二节计算机的体系结构一台计算机由硬件和软件两大部分组成。
硬件是组成计算机系统的物理实体，是看得见摸得着的部分。
从大的方面来分，硬件包括CPU(Central Processing Unit ——中央处理器)、存储器和输入/输出设备几个部分。
CPU 负责指令的执行，存储器负责存放信息(类似大脑的记忆细胞)，输入/输出设备则负责信息的采集与输出(类似人的眼睛和手)。
具体设备如我们平常所见到的内存条、显卡、键盘、鼠标、显示器和机箱等。
软件则是依赖于硬件执行的程序或程序的集合。
这是看不见也摸不着的部分。
一、Von Neumann (冯. 诺依曼)体系结构Von Neumann 体系结构是以数学家John Von Neumann 的名字命名的，他在20 世纪40年代参与设计了第一台数字计算机ENIAC 。
Von Neumann 体系结构的特点如下:·一台计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5 大部分组成。
·采用存储程序工作原理，实现了自动连续运算。
存储程序工作原理即把计算过程描述为由许多条命令按一定顺序组成的程序，然后把程序和所需的数据一起输入计算机存储器中保存起来，工作时控制器执行程序，控制计算机自动连续进行运算。
Von Neumann 体系结构存在的一个突出问题就是，外部数据存取速度和CPU 运算速度不平衡，不过可以通过在一个系统中使用多个CPU 或采用多进程技术等方法来解决。
二、CPUCPU 是计算机的运算和控制中心，其作用类似人的大脑。
不同的CPU 其内部结构不完全相同，一个典型的CPU 由运算器、寄存器和控制器组成。
3 个部分相互协调便可以进行分析、判断和计算，并控制计算机各部分协调工作。
最新的CPU 除包括这些基本功能外，还集成了高速Cache(缓存)等部件。
三、存储器每台计算机都有3 个主要的数据存储部件:主存储器、高速寄存器和外部文件存储器。
硬件工程师培训教程（一）硬件工程师培训教程（一）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味……1614 年:苏格兰人John Napier(1550 ～1617 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: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。
1671 年:德国数学家Gottfried Leibniz 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。
1822 年:英国人Charles Babbage(1792 ～1871 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和数据的设计被后人所采用。
硬件工程师培训教程(15个doc)硬件工程师培训教程（七）第六节新款CPU 介绍一、I ntel 公司的新款C P U1 .P Ⅲ C o p p e r m i n e(铜矿)处理器2000 年最惹人注目的莫过于Intel 公司采用0.18 微米工艺生产的P Ⅲ Coppermine 处理器了。
尽管Intel 公司早在1 9 99 年10 月25 日便发布了这款代号为Coppermine 的Pentium Ⅲ处理器，但其真正的普及是在2 0 00 年。
虽然取名为“铜矿”，C o p p e r m i ne 处理器并没有采用新的铜芯片技术制造。
从外形上分析，采用0.18 μm工艺制造的Coppermine 芯片的内核尺寸进一步缩小，虽然内部集成了256KB 的全速On- D i e L 2 C a c he，内建 2 8 10 万个晶体管，但其尺寸却只有 1 0 6 mm 2 。
从类型上分析，新一代的 C o p p e r m i ne 处理器可以分为 E 和EB 两个系列。
E 系列的 C o p p e r m i ne 处理器采用了0 .18 μm工艺制造，同时应用了I n t el 公司新一代O n -D ie 全速2 5 6 K B L 2 C a c h e;而EB 系列的C o p p e r m i ne 不仅集合了0.18 μm制造工艺、O n -D ie 全速 2 5 6 K B L 2 C a c he，同时还具有1 3 3 M Hz 的外频速率。
从技术的角度分析，新一代C o p p e r m i ne 处理器具有两大特点:一是封装形式的变化。
除了部分产品采用S E C C2 封装之外，I n t el 也推出了F C -P GA 封装及笔记本使用的MicroPGA 和B GA 封装；二是制造工艺的变化。
C o p p e r m i ne 处理器全部采用了0.18 μm制造工艺，其核心工作电压降到了1. 6 5 V (S E C C 2)和1 .6 V (F C -P G A)，与传统的P Ⅲ相比大大降低了电能的消耗和发热量。
硬件工程师培训教程（五）第一篇：硬件工程师培训教程(五)中国电脑救援中心提供一流的IT资讯服务硬件工程师培训教程（五）第二节 CPU 的制造工艺CPU 从诞生至今已经走过了20 余年的发展历程，C PU 的制造工艺和制造技术也有了长足的进步和发展。
在介绍C PU 的制造过程之前，有必要先单独地介绍一下C PU 处理器的构造。
从外表观察，C PU 其实就是一块矩形固状物体，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。
不过，此时用户看到的不过是C PU 的外壳，用专业术语讲也就是C PU 的封装。
而在CPU 的内部，其核心则是一片大小通常不到1/4 英寸的薄薄的硅晶片(英文名称为D ie，也就是核心的意思，P Ⅲ C o p p e r m i ne 和Duron 等C PU 中部的突起部分就是Die)。
可别小瞧了这块面积不大的硅片，在它上面密不透风地布满了数以百万计的晶体管。
这些晶体管的作用就好像是我们大脑上的神经元，相互配合协调，以此来完成各种复杂的运算和操作。
硅之所以能够成为生产CPU核心的重要半导体素材，最主要的原因就是其分布的广泛性且价格便宜。
此外，硅还可以形成品质极佳的大块晶体，通过切割得到直径8 英寸甚至更大而厚度不足1 毫米的圆形薄片，也就是我们平常讲的晶片(也叫晶圆)。
一块这样的晶片可以切割成许多小片，其中的每一个小片也就是一块单独C PU 的核心。
当然，在执行这样的切割之前，我们也还有许多处理工作要做。
Intel 公司当年发布的4004 微处理器不过2300 个晶体管，而目前P Ⅲ铜矿处理器所包含的晶体管已超过了2000 万个，集成度提高了上万倍，而用户却不难发现单个CPU 的核心硅片面积丝毫没有增大，甚至越变越小，这是设计者不断改进制造工艺的结果。
除了制造材料外，线宽也是CPU 结构中的重要一环。
线宽即是指芯片上的最基本功能单元门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。
缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，C PU 得以运行在更高的频率下，而且可使用更小的晶圆，于是成本也就随之降低。
随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能已逐渐满足不了要求，未来的处理器将采用导电特性更好的铜连线。
AMD 公司在其面向高端的Athlon 系列Thunderbird(雷鸟)处理器的高频率版本中已经开始采用铜连线技术。
这样复杂的构造，大家自然也就会更关心“CPU 究竟是怎么做出来的呢”。
客观地讲，最初的C PU 制造工艺比较粗糙，直到晶体管的产生与应用。
众所周知，C PU 中最重要的元件就属晶体管了。
晶体管就像一个开关，而这两种最简单的“开和关” 的选择对应于电脑而言，也就是我们常常挂在嘴边的“0 和1 ”。
明白了这个道理，就让我们来看看C PU 是如何制造的。
一、C P U 的制造1.切割晶圆所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个C PU 的内核(D i e)。
2.影印（P h o t o l i t h o g r a p hy）在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着CPU 复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。
3.蚀刻(E t c h i n g)用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。
然后把所有光阻物质清除，就得到了有沟槽的硅基片。
4.分层为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。
5.离子注入(I o n I m p l a n t a t i o n)通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门电路。
接下来的步骤就是不断重复以上的过程。
一个完整的C PU 内核包含大约20 层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路的连接。
完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU 核心并进行封装，一个C PU 便制造出来了。
另外，除了上述制造步骤外，生产C PU 的环境也十分重要，超洁净空间是C PU 制造的先决条件。
如果拿微处理器制造工厂中生产芯片的超净化室与医院内的手术室比较的话，相信后者也是望尘莫及。
作为一级的生产芯片超净化室，其每平方英尺只允许有一粒灰尘，而且每间超净化室里的空气平均每分钟就要彻底更换一次。
空气从天花板压入，从地板吸出。
净化室内部的气压稍高于外部气压。
这样，如果净化室中出现裂缝，那么内部的洁净空气也会通过裂缝溜走，以此来防止受污染的空气流入。
同时，在处理器芯片制造工厂里，I n t el 公司的上千名员工都身穿一种特殊材料制造的“兔装”工作服。
这种“兔装”工作服其实也是防尘的手段之一，它是由一种极其特殊的非棉绒、抗静电纤维制成，可以避免灰尘、脏物或其他污染源损坏生产过程中的计算机芯片。
兔装可以穿着在普通衣服的外面，但必须经过含有54 个单独步骤的严格着装检验程序，而且当着装者每次进入和离开超净化室时都必须重复这个程序。
二、C P U 的封装自从I n t el 公司1971 年设计制造出4 位微处理器芯片以来，在20 多年里，CPU 从Intel 4004、0 2 86、8 0 3 86、8 0 4 86 发展到P e n t i um、P Ⅱ、P Ⅲ、P4，从4 位、8 位、16 位、32 位发展到64 位;主频从MHz 发展到今天的GHz;CPU 芯片里集成的晶体管数由2000 多个跃升到千万以上;半导体制造技术的规模由S SI、MSI、LSI、V L S I(超大规模集成电路)达到U L SI。
封装的输入/输出(I /O)引脚从几十根，逐渐增加到几百根，甚至可能达到2 0 00 根。
这一切真是一个翻天覆地的变化。
对于CPU，读者已经很熟悉了，2 86、3 86、486、P e n t i um、P Ⅱ、C e l e r on、K6、K 6-2、A t h l on …… 相信您可以如数家珍似地列出一长串。
但谈到C PU 和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。
所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。
因此，封装对CPU 和其他LSI(Large Scale Integration)集成电路都起着重要的作用，新一代C PU 的出现常常伴随着新的封装形式的使用。
芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从D IP、Q FP、P GA、B GA 到C SP 再到M CM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。
下面将对具体的封装形式作详细说明。
.D IP 封装世纪70 年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。
D IP 封装结构具有以下特点:(1)适合PCB(印刷电路板)的穿孔安装;(2)比TO 型封装易于对PCB 布线;(3)操作方便。
D IP 封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)等。
衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1 越好。
以采用40 根I/O 引脚塑料双列直插式封装(P D I P)的CPU 为例，其芯片面积/封装面积=(3 × 3)/(1 5.24 ×5 0)=1 :86，离1 相差很远。
不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。
I n t el 公司早期的C PU，如8 0 86、8 0 2 86，都采用P D IP 封装(塑料双列直插)。
2.载体封装世纪80 年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small OutlinePackage)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)。
以0.5 mm 焊区中心距、208 根I/O 引脚QFP 封装的CPU 为例，如果外形尺寸为2 8 mm ×2 8 mm，芯片尺寸为1 0 mm ×1 0 mm，则芯片面积/封装面积=(10 ×1 0)/(28 ×28)=1:7.8，由此可见Q FP 封装比 DIP 封装的尺寸大大减小。
Q FP 的特点是:(1)用SMT 表面安装技术在PCB 上安装布线;(2)封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用;(3)操作方便;(4)可靠性高。
Intel 公司的8 0 3 86 处理器就采用塑料四边引出扁平封装(P Q F P)。
.B GA 封装世纪90 年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、V L SI、U L SI 相继出现，芯片集成度不断提高，I /O 引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。
为满足发展的需要，在原有封装方式的基础上，又增添了新的方式——球栅阵列封装，简称B G A(B a l l G r i d A r r a y P a c k a g e)。
BGA 一出现便成为C PU、南北桥等V L SI 芯片的最佳选择。
其特点有:(1)I /O 引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率;(2)虽然它的功耗增加，但BGA 能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4 焊接，从而可以改善它的电热性能;(3)厚度比QFP 减少1/2 以上，重量减轻3 /4 以上;(4)寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;(5)组装可用共面焊接，可靠性高;(6)B GA 封装仍与Q FP、P GA 一样，占用基板面积过大。
Intel 公司对集成度很高(单芯片里达3 00 万只以上晶体管)、功耗很大的CPU 芯片，如P e n t i um、P e n t i u m P ro、P e n t i u m Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装(C P G A)和陶瓷球栅阵列封装(CBGA)，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而使C PU 能稳定可靠地工作。
