計(jì)算機(jī)硬件新手實(shí)用知識(shí)
最近有不少軟件領(lǐng)域的牛人進(jìn)軍硬件行業(yè)，但不知從何處入手。相信每個(gè)人面對(duì)一個(gè)龐大的知識(shí)體系時(shí)都一樣迷茫。下面就讓小編帶你去看看計(jì)算機(jī)硬件新手實(shí)用知識(shí)，希望能幫助到大家!
碼農(nóng)們?nèi)绾巫兊酶叽笊希?a href='http://www.rzpgrj.com/it/yingjianzhishi/' target='_blank'>硬件知識(shí)學(xué)起來(lái)
如下：列幾個(gè)項(xiàng)目，坐地鐵時(shí)，記得看看。如果對(duì)某方面感興趣可以留言告訴我們哦，小編會(huì)為你們整理相關(guān)資料的~
1EMC與安規(guī)
EMC與安規(guī)在規(guī)模較大的公司都有專門的團(tuán)隊(duì)，但小公司只能硬件工程師親手來(lái)。
CE認(rèn)證測(cè)試項(xiàng)目最多，學(xué)習(xí)可以先關(guān)注CE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。不同行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，汽車電子和信息技術(shù)設(shè)備的測(cè)試方法和要求都不一樣。
EMC理論個(gè)人覺得已經(jīng)發(fā)展的比較形象(不像電磁場(chǎng)那么理論抽象)，精髓就是EMC三要素，干擾源、敏感源和耦合路徑。設(shè)計(jì)分析就是關(guān)注共模電路的回流路徑或者泄放路徑
2
RF與天線
同樣的RF與天線在規(guī)模較大的公司也有專門的團(tuán)隊(duì)。
行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，硬件工程師的RF和天線設(shè)計(jì)工作基本就是選型了。因此，需要明白一些基本的參數(shù)如增益、P1dB、IP2、IP3、天線的方向性等等。
3
電源
電源部門在規(guī)模較大的公司也有專門的團(tuán)隊(duì)，無(wú)論板級(jí)DCDC電源還是電源適配器都有專人完成設(shè)計(jì)、選型或測(cè)試工作，硬件工程師應(yīng)用時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電路拿來(lái)用即可。
關(guān)于電源大概就以下幾個(gè)方面。
DCDC有幾種基本拓?fù)?效率與什么有關(guān)?
LDO原理是什么?設(shè)計(jì)需要注意哪些參數(shù)?
POE協(xié)議是否熟悉?
4
時(shí)鐘
晶體和晶振有什么區(qū)別?怎么設(shè)計(jì)?
時(shí)鐘信號(hào)有哪些關(guān)鍵參數(shù)?
PLL的原理是什么?環(huán)路帶寬是什么意思?PLL失鎖的可能有哪些?
時(shí)鐘芯片如何選型?
5
小模擬電路和小邏輯電路
硬件工程師的工作是系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，不是IC設(shè)計(jì)的大神，工作中很少用分立器件設(shè)計(jì)電路。
二極管、三極管、MOS管和運(yùn)放的特性要熟悉會(huì)分析，簡(jiǎn)單的電路要設(shè)計(jì)。
如三極管電平轉(zhuǎn)換電路怎么設(shè)計(jì)，為毛低溫就不工作了?
如MOS管雙向電平轉(zhuǎn)換怎么設(shè)計(jì)?要關(guān)注什么參數(shù)?
如MOS管的米勒效應(yīng)，能不能定量的用公式分析?
6
高速信號(hào)及信號(hào)完整性
建立時(shí)間與保持時(shí)間?
時(shí)鐘的抖動(dòng)分哪幾類?
數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)是什么?
CDR是什么?
抖動(dòng)與誤碼率的關(guān)系是什么?
EQ、去加重、預(yù)加重?
7
低速信號(hào)
I2C、UART、SPI是什么?
會(huì)不會(huì)通過示波器測(cè)量判斷通信數(shù)據(jù)對(duì)不對(duì)?
8
RAM 和ROM
NAND FLASH和NOR FLASH有什么區(qū)別?
DDR3 SDRAM原理是什么?CL、AL、RL、WL是什么?各種參數(shù)的會(huì)不會(huì)設(shè)置?
9
CPU、SOC、FPGA
X86、ARM、MIPS、POWERPC有什么區(qū)別?
FPGA設(shè)計(jì)需要注意什么?IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域了解嘛?
關(guān)注自己的行業(yè)
不同行業(yè)的技術(shù)是不一樣的，應(yīng)用環(huán)境及解決方案也不一樣
如你是設(shè)計(jì)智能電視的
1、 視頻相關(guān)知識(shí)?BT1120是啥?H.264是啥?YUV是啥?4：2：2是啥?什么是HDMI?具體協(xié)議是啥?
2、 思考下產(chǎn)品，內(nèi)容重要還是硬件重要?能不能優(yōu)化下3D?
如你是設(shè)計(jì)交換機(jī)的
1.802.3了解嘛?啥是MAC?啥是PHY?GMII接口如何設(shè)計(jì)?
2.交換機(jī)如何工作的?VLAN是啥?
3.客戶是啥?教育網(wǎng)還是運(yùn)營(yíng)商?
如果你設(shè)計(jì)無(wú)線路由器的
1.802.11 a/b/g/n/ac的區(qū)別?TCP/IP協(xié)議是啥?ARP是啥?路由的工作原理?
2.天線如何設(shè)計(jì)的?增益、方向圖是什么?各種PA、LNA如何選型?
3.客戶是啥，需求如何?150塊賣給普通人，還是1000塊賣給企業(yè)級(jí)用戶?
有兩個(gè)領(lǐng)域值得去深入研究，以后是物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。
網(wǎng)絡(luò)
也是交換機(jī)和路由器等應(yīng)用與組網(wǎng)。現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)基于以太網(wǎng)，802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了MAC和PHY規(guī)范。上層協(xié)議如TCP/IP、UDP、ARP、環(huán)網(wǎng)等等，總之網(wǎng)絡(luò)的水很深，值得一探。
無(wú)線通信
如移動(dòng)通訊、WIFI、sub 1GHz等等應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，之前國(guó)家發(fā)布的什么旅游規(guī)劃，有一條就是景區(qū)要實(shí)現(xiàn)免費(fèi)WIFI覆蓋。無(wú)線通信也基本是802.x協(xié)議族?；鶐Ш蚏F都可以深入學(xué)習(xí)。
最后一點(diǎn)
如果你不是必不得己，還是不要做碼農(nóng)，如果你必須做技術(shù)，那就做一個(gè)硬件工程師吧，了解下以上知識(shí)足夠了，每天給供應(yīng)商打幾個(gè)電話，看看ppt,開開會(huì)，耍幾個(gè)專業(yè)名詞，放心，你的老板和那幫碼農(nóng)是聽不懂的。
新手必看的電腦硬件知識(shí)大全
一、CPU
電腦的CPU(中央處理器)就相當(dāng)于人的大腦，現(xiàn)在市面上的CPU主要分為兩大陣營(yíng)，分別是Intel(英特爾)和 AMD ，性能都是以產(chǎn)品型號(hào)來(lái)區(qū)分。這里我們用英特爾來(lái)舉栗子。
四位數(shù)中最重要的是第一位，它表示了 CPU 的代數(shù)，因此這一位的數(shù)值越大，該 CPU 的架構(gòu)也就越新，從而帶來(lái)更高的性能和更低的功耗。后三位數(shù)字對(duì) CPU 的性能通常影響不大，我們沒有必要考慮。
看CPU好壞，最直觀的方法是看CPU天梯圖，詳見最新「CPU天梯圖」。
二、顯卡
顯卡作為電腦主機(jī)里的一個(gè)重要組成部分，是電腦進(jìn)行數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換的設(shè)備，承擔(dān)輸出顯示圖形的任務(wù)。顯卡接在電腦主板上，它將電腦的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)讓顯示器顯示出來(lái)，同時(shí)顯卡還是有圖像處理能力，可協(xié)助CPU工作，提高整體的運(yùn)行速度。對(duì)于從事專業(yè)圖形設(shè)計(jì)的人來(lái)說顯卡非常重要。下面以最常見的NVIDIA獨(dú)立顯卡為例，教大家如何判斷顯卡性能。
顯卡分為NVIDIA和AMD兩個(gè)品牌，兩個(gè)品牌的命名規(guī)則如下：
1、Nvidia顯卡
(1)從高到低的顯卡系列是：GTX系列、GTS系列、GT系列、GF系列以及iris集成顯卡系列。另外還包括為專業(yè)工作站而設(shè)的Quadro顯卡系列(這個(gè)系列市場(chǎng)上見的不多，基本數(shù)字越大性能越高)
(2)不同的系列命名規(guī)則是一樣的，以GTX 980Ti為例。首先數(shù)字9表示的是GTX系列第九代顯卡，核心是GM204。后面的數(shù)字8就表示在這一代顯卡里面的定位，一般在5一下的是屬于中低端顯卡，比如GT 740就是第七代的中低端顯卡;而7及以上的就是高端顯卡，如GTX 970。
2、AMD顯卡：以前使用的是Radeon HD命名，最新出了以RX系列命名的顯卡。
(1)R系列的顯卡分為三種：RX5700XT表示高端顯卡，如RX 5700和RX 5700XT;RX580表示中端顯卡，如RX 560;R5表示的是低端的入門級(jí)獨(dú)立顯卡，如R5 230。
(2)舊的命名方式更好判斷性能，以HD 7950為例，首先數(shù)字7表示AMD第七代顯卡，一般最新的一代在架構(gòu)上有進(jìn)步，性能會(huì)更好一些。后面的9表示的是在第七代顯卡中的性能定位，8和9屬于高端顯卡，6和7屬于中端顯卡，5及以下的就屬于低端顯卡。
看顯卡好壞，最直觀最方便的則是看顯卡天梯圖，詳見最新「顯卡天梯圖」。
三、主板
主板不像CPU和顯卡一般有明顯的性能差異，你買了更高端的CPU和顯卡就能享受更強(qiáng)的性能，但主板是一個(gè)載體，一個(gè)支撐所有硬件的骨架，只有根據(jù)CPU兼容性和是否支持超頻，來(lái)合理搭配、選擇適合自己的主板才能獲得更好的使用效果。
四、內(nèi)存·
內(nèi)存是用來(lái)暫時(shí)存放 CPU 運(yùn)算數(shù)據(jù)的硬件，我們大可把它理解為“ 為程序運(yùn)行提供的空間 ”，越大越好，如今裝機(jī)標(biāo)配8GB大內(nèi)存，大型游戲或者專業(yè)設(shè)計(jì)則建議上16GB大內(nèi)存，下面我們用金士頓的內(nèi)存條來(lái)舉例子。
內(nèi)存
五、硬盤
目前，硬盤分為機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤。簡(jiǎn)單來(lái)說，機(jī)械硬盤讀寫速度慢、容量大、價(jià)格便宜、數(shù)據(jù)恢復(fù)方便、但比較笨重，不抗震，適用于存放較多文件;固態(tài)硬盤讀寫速度快，又輕又小，但價(jià)格很貴，適用于多系統(tǒng)安裝，保證開機(jī)速度、系統(tǒng)流暢度。
硬盤
由于固態(tài)硬盤體驗(yàn)更好，如今SSD早已經(jīng)是主流電腦的標(biāo)配。不過，需要注意的是，常見固體硬盤又分M.2和SATA接口，M.2 NVME接口固態(tài)硬盤速度最快，價(jià)格相對(duì)也更高，適合追求高速的朋友推薦，普通用戶一般買SATA固態(tài)硬盤就夠了，價(jià)格便宜，兼容性強(qiáng)。
M.2固態(tài)硬盤最小是10Gb/s，大的達(dá)到了32Gb/s，普通的SSD盤SATA3.0帶寬是6Gb/s，機(jī)械硬盤HDD速度在100MB/s 左右，在讀寫速度方面M.2 明顯超越了普通 SATA SSD和HDD硬盤的;
與MSATA相比，M.2主要有兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。第一是速度方面的優(yōu)勢(shì)。M.2接口有兩種類型：Socket 2和Socket 3，其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口，而如果采用PCI-E ×2接口標(biāo)準(zhǔn)，最大的讀取速度可以達(dá)到700MB/s，寫入也能達(dá)到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口，理論帶寬可達(dá)4GB/s。
六、機(jī)箱電源
機(jī)箱方面，主要是外觀部分，根據(jù)自己的喜歡，選擇就可以了。當(dāng)然，如果是想要體驗(yàn)水冷，在買機(jī)箱的時(shí)候，則需要注意下機(jī)箱是否支持水冷散熱器等。
一般的機(jī)箱水冷一般支持到240MM，也就是雙風(fēng)扇水冷，如果要使用360MM水冷的話建議詢問一下購(gòu)買客服，或者自己上網(wǎng)定制。機(jī)箱的大小也要考慮到自己的各種硬件能否容納，比如說三風(fēng)扇顯卡，以及大型主板、塔式風(fēng)冷散熱，小機(jī)箱可能無(wú)法安裝。
電源則相當(dāng)于電腦的心臟，為電腦各硬件供電。雖然電源在主機(jī)硬件中不起眼，但其穩(wěn)定在起著至關(guān)重要的作用，低價(jià)山寨電源偷工減料厲害，容易導(dǎo)致電腦頻繁死機(jī)，甚至燒壞硬件。因此，買電源不僅僅是主看額定功率大小，還要看電源的穩(wěn)定性與質(zhì)量，一般強(qiáng)烈建議推薦品牌主流型號(hào)電源，以保證穩(wěn)定與耐用。
80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
上圖為電源的80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，一般最低保證選用白牌以上的電源，用的比較放心，質(zhì)量也可以得到保證。
電源還分為全模組與非全模組電源：
全模組電源
非全模組電源
全模組與非模組電源的區(qū)別：
1、外觀上不同
非模組電源從內(nèi)部引出一大堆供電線，模組電源則是用模組接口板代替。拆開電源后，可以看到，非模組電源的供電線直接從PCB板上引出，而模組電源則是把從PCB板引出來(lái)的供電線在輸出接口處連接到模組板。
2、工作效率不同
非模組電源的PCB板和供電線只有一個(gè)連接點(diǎn)，所以損耗很低。但是模組電源的PCB板和連接到主機(jī)的供電線之間有兩個(gè)連接點(diǎn)，由于多了連接點(diǎn)，因此損耗更高。同規(guī)格下模組電源的效率要比非模組電源低了一點(diǎn)。
3、轉(zhuǎn)換效率不同
實(shí)際功率越高，模組電源的損壞也會(huì)提高，比如市電下負(fù)載百分百的模組電源，要比非模組低了0.6%左右，不同的電源表現(xiàn)不同，但同樣狀態(tài)下，模組電源確實(shí)要比非模組電源的轉(zhuǎn)換效率更低。
芯片背后的這些硬件知識(shí)你都學(xué)會(huì)沒有?
前言
我們都知道芯片，也知道芯片技術(shù)在21世紀(jì)是最重要的技術(shù)之一，但很少有人能知道芯片技術(shù)的一些細(xì)節(jié)，如芯片是如何構(gòu)造的、為什么它可以運(yùn)行程序、芯片又是如何被設(shè)計(jì)制造出來(lái)的等等。本文就嘗試從最底層的二極管開始，逐一講講二極管、mos管、邏輯門電路、集成電路、大規(guī)模集成電路是如何逐步構(gòu)造成我們所熟知的“芯片”。
二、從二極管到邏輯門電路
二極管
二極管是大家熟知的基本器件之一，可以說二極管的發(fā)明和大規(guī)模使用是現(xiàn)代工業(yè)騰飛最重要的基礎(chǔ)之一。二極管的特性就是電流單向?qū)?，如下圖所示，一般情況下電流只能從A到B而不能從B到A，且這種單向?qū)ㄟ€有個(gè)特點(diǎn)就是施加的電壓必須大于某個(gè)數(shù)值，如硅二極管為0.5V才能導(dǎo)通，且導(dǎo)通后繼續(xù)增加電壓會(huì)導(dǎo)致電流大幅增加(相當(dāng)于電阻下降)。
在邏輯上可以這樣理解：施加在二極管上的電壓小于0.5V時(shí)它是不通電的(表現(xiàn)為極高的電阻)，當(dāng)電壓等于0.5V時(shí)二極管突然就導(dǎo)通了(表現(xiàn)為極低的電阻)。所以我們總結(jié)一下二極管的特性：
1、只能單向?qū)?/p>
2、施加電壓低于0.5V時(shí)完全不導(dǎo)通
3、施加電壓等于0.5V時(shí)突然完全導(dǎo)通
事實(shí)上，科學(xué)家們正是利用上述的簡(jiǎn)單特性構(gòu)建了龐大復(fù)雜的電子世界。
三極管
在二極管的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們進(jìn)一步研究出了三極管。三極管的特點(diǎn)就是增加了一極，不由施加在兩端的電壓大小決定是否導(dǎo)通，加入了第三極，使用三極間壓差來(lái)決定是否導(dǎo)通。如下圖所示，工作時(shí)b、c、e極都施加了一定的電壓，這里不探究具體電壓差是如何導(dǎo)致c、e間導(dǎo)通的，簡(jiǎn)單來(lái)說就是通過各極間壓差實(shí)現(xiàn)c、e間先是逐漸導(dǎo)通(表現(xiàn)為壓差增大電流增大)，而后變?yōu)橥耆珜?dǎo)通(表現(xiàn)為壓差增大而電流不變)。且這種特性也是挑方向的，只能是c到e的導(dǎo)通而不能是e到c的導(dǎo)通(即施加反向電壓再高也不會(huì)反向?qū)?。
邏輯上我們可以做如下總結(jié)：
1、只能c到e導(dǎo)通(反向施加電壓無(wú)法反向?qū)?
2、壓差低于某值A(chǔ)時(shí)完全不導(dǎo)通(無(wú)電流)
3、壓差高于某值A(chǔ)時(shí)逐漸導(dǎo)通(電流隨壓差增大)
4、壓差高于另一值B時(shí)完全導(dǎo)通(電流不隨壓差變化)
邏輯門電路
了解了基本器件后，我們?cè)賮?lái)說說數(shù)學(xué)。在數(shù)學(xué)上我們有三個(gè)基本邏輯：與、或、非。
與(&)：0&0=0、1&0=0、0&1=0、1&1=1
或(|)：0|0=0、1|0=1、0|1=1、1|1=1
非(!)：!0=1、!1=0
科學(xué)家們使用二極管、三極管、電阻、電容在電路上實(shí)現(xiàn)了上述的三個(gè)基本邏輯，具體表現(xiàn)為：
1)與門：A、B兩端同時(shí)輸入5V則L端輸出5V，否則L端輸出0V
2)或門：A、B任意一端輸入5V則L端輸出為5V，A、B端同時(shí)為0V時(shí)L端輸出為0V
3)非們：A端輸入5V則L端輸出0V，A端輸入0V則L端輸出5V
這里我們就不探究邏輯門的具體原理了，大家只要知道二極管、三極管的物理特性使得這種邏輯電路運(yùn)行的非常穩(wěn)定，以非門為例，當(dāng)A端輸入小于5V時(shí)L端輸出穩(wěn)定為5V，當(dāng)A端等于5V時(shí)L端會(huì)立即輸出為0V(這里忽略了很多電路細(xì)節(jié)和器件特性)。為便于使用，科學(xué)家們使用符號(hào)將這三個(gè)邏輯門進(jìn)行了抽象：
為便于使用，我們將其進(jìn)一步抽象，如下圖所示：
從數(shù)學(xué)上來(lái)說，所有復(fù)雜的邏輯式最終都可以分解為最基本的三個(gè)邏輯組合，我們先溫習(xí)一下高中的代數(shù)課：
那在電路上，是不是就可以使用與、或、非這三個(gè)基本的邏輯門電路來(lái)分解?
三、從邏輯運(yùn)算到電路運(yùn)算
以加法為例
下圖是二進(jìn)制加法的真值表，S是A+B，C是進(jìn)位。
科學(xué)家們使用邏輯式來(lái)總結(jié)了這個(gè)真值表，從真值表到邏輯式的轉(zhuǎn)化是高中代數(shù)的基本內(nèi)容。
我們發(fā)現(xiàn)，S和C的輸出可以由A與B的邏輯運(yùn)算得到(一個(gè)異或門、一個(gè)與門)。那么，如果我們使用邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，是不是就可以用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)加法?
第一步，我們先用邏輯符號(hào)來(lái)繪制上述的公式：
第二步，將邏輯符號(hào)轉(zhuǎn)為電路(沒找到半加器電路，這個(gè)是全加器)：
第三步，焊接物理電路
邏輯疊加
通過加法的例子我們實(shí)現(xiàn)了從邏輯到電路的轉(zhuǎn)變，根據(jù)這個(gè)原理我們可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)：
1)減法器
2)乘法器
3)除法器
4)8位加法器
實(shí)際上我們發(fā)現(xiàn)所有的運(yùn)算都是邏輯的疊加，邏輯最終可以轉(zhuǎn)化為電路，所以我們可以得出結(jié)論：所有的運(yùn)算最終都可以使用電路實(shí)現(xiàn)。
四、從電子電路到集成電路
龐大的電子計(jì)算機(jī)
看了前面的內(nèi)容，我們知道了所有邏輯運(yùn)算都可以使用電路實(shí)現(xiàn)，那么加法器、減法器、乘法器、除法器都是可以實(shí)現(xiàn)的，事實(shí)上一開始的“計(jì)算機(jī)”就是用于做這些加減乘除運(yùn)算。使用邏輯門的好處顯而易見，所有邏輯疊加問題都可以用電路的“疊加”來(lái)解決，無(wú)論是10位的加法、100位的減法、還是1000位的乘法，理論上來(lái)說只要二極管、三極管、電容電阻足夠我們都可以實(shí)現(xiàn)。但是隨著計(jì)算需求越來(lái)越大，計(jì)算器的體積變得越來(lái)越大，“耗電”成了一個(gè)大問題。下圖是第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC，它可以每秒5000次加法或400次乘法運(yùn)算，但是它使用了17,468根真空管(電子管)7,200根晶體二極管，1,500 個(gè)中轉(zhuǎn)，70,000個(gè)電阻器，10,000個(gè)電容器，1500個(gè)繼電器，6000多個(gè)開關(guān)。拋開成本因素，光耗電量就是一個(gè)天文數(shù)字。
MOS管與集成電路
體積龐大、造價(jià)高昂、耗電量成為制約計(jì)算機(jī)的核心問題所在，如果有辦法縮小元器件的體積，體積、造價(jià)、耗電的問題都迎刃而解了。在這個(gè)需求的基礎(chǔ)上集成電路誕生了，它不是使用電路將各種元器件連接起來(lái)，而是將各種元器件、線路直接“做”到了硅片上。
下圖是一個(gè)典型的PNP三極管示意圖，本質(zhì)上P與N的材質(zhì)是一樣的(硅)，只是摻雜了不同的雜質(zhì)改變了其電特性(二極管、三極管就是這么制造的)。所以有沒有辦法在一片硅上面按需求“做”出P結(jié)、N結(jié)，而后用“線路”將各P結(jié)和N結(jié)連接成電路，只要前期規(guī)劃做好，數(shù)量龐大的三極管、二極管、線路就可以集成到一個(gè)硅片上了。
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，名字復(fù)雜其實(shí)本質(zhì)就是由金屬、氧化物、半導(dǎo)體組成的元器件。前面說到要將三極管、二極管、線路集成到硅片上，其中MOS管中的“半導(dǎo)體”就是P結(jié)或N結(jié)，用來(lái)組成三極管或二極管。“金屬”就是連接各結(jié)的線路，“氧化物”就是各結(jié)間用以絕緣的隔離層。簡(jiǎn)單點(diǎn)說，集成電路就是在硅片上制造了很多的半導(dǎo)體(PN結(jié))、金屬(線路)、氧化物(絕緣層)，這些半導(dǎo)體、金屬、氧化物組成的器件我們稱之為MOS管，無(wú)數(shù)MOS管按邏輯電路進(jìn)行組合就是所謂的集成電路了。
集成電路工藝
現(xiàn)在我們找到了辦法將器件縮小，下一步就是如何實(shí)現(xiàn)PN結(jié)、金屬線路、氧化物。下圖是一個(gè)典型的PNP晶體管剖面示意圖
在工藝上要做成這樣需要很多步驟，大概有：
1)切割：將工廠生產(chǎn)的硅錠切割成片
2)影印：在硅片上涂一層光阻物質(zhì)(想象成防護(hù)膜)，然后按設(shè)計(jì)要求溶解部分光阻物質(zhì)(讓部分區(qū)域露出來(lái))。工藝上是在紫外燈上面加一層有很多孔的遮罩，被紫外燈照射的光阻物質(zhì)就溶解了，沒有照射的地方還有保護(hù)。如下圖所示，通過影印將部分光阻清除，露出部分硅片。
3)刻蝕：露出該露的、遮住該遮的部分后，就使用刻蝕技術(shù)將沒被遮住的區(qū)域“蝕”出一個(gè)溝，如下圖所示。
4)摻雜：有了溝之后就使用原子轟擊這個(gè)“溝”使其摻入雜質(zhì)形成P型襯底
5)沉積：接著在P型襯底上沉積一層N型硅
就這樣反復(fù)影印、刻蝕、摻雜、沉積就得到了我們需要的MOS管。
五、從集成電路到CPU
我們將一塊晶圓上制作了大量MOS管的叫集成電路，MOS管特別多的叫大規(guī)模集成電路，MOS管超級(jí)超級(jí)多的叫超大規(guī)模集成電路，其實(shí)就是工藝進(jìn)步了。一塊芯片上集成的電子器件越多、電路越復(fù)雜能實(shí)現(xiàn)的功能也就越多，所以我們不能只滿足于做加減乘除這樣簡(jiǎn)單的運(yùn)算。但當(dāng)時(shí)的科學(xué)家并沒有“未來(lái)”的視野，他們當(dāng)時(shí)急需的問題不是發(fā)明CPU，而是解決數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)的問題。如果數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在電路里，那就可以實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的操作，比如簡(jiǎn)單的編程。
D觸發(fā)器
為了將數(shù)據(jù)“鎖”在電路里，科學(xué)家們使用邏輯門組成了D觸發(fā)器。其中CP是時(shí)鐘控制信號(hào)(這里將其當(dāng)做一個(gè)控制信號(hào)即可)，當(dāng)CP值為1時(shí)D輸入一個(gè)信號(hào)則Q輸出同樣的信號(hào)，當(dāng)CP值不為1時(shí)D輸入任何信號(hào)則Q輸出不變，如此就實(shí)現(xiàn)了將D信號(hào)“鎖”在了Q。
寄存器
數(shù)個(gè)D觸發(fā)器的組合就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)寄存器，如下圖所示就是一個(gè)4位寄存器，可以存儲(chǔ)一個(gè)4位的數(shù)據(jù)，如“0101”：
根據(jù)寄存器的工作內(nèi)容又細(xì)分了：指令寄存器、程序計(jì)數(shù)器、地址寄存器、通用寄存器等等。
運(yùn)算器
將數(shù)個(gè)寄存器與前面所說的加、減、乘、除計(jì)算電路結(jié)合起來(lái)就是運(yùn)算器了，運(yùn)算器的作用就是對(duì)寄存器(一個(gè)或多個(gè))中的內(nèi)容進(jìn)行算數(shù)計(jì)算，而后將結(jié)果存入寄存器。
控制器
上圖可以看到，運(yùn)算器內(nèi)有數(shù)個(gè)寄存器，那何時(shí)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)、計(jì)算那幾個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)、最終存儲(chǔ)到哪里呢，這些都由控制器來(lái)完成?？刂破饔芍噶罴拇嫫?、指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、數(shù)據(jù)指針組成，它從指令寄存器中獲取指令而后根據(jù)指令從外部存儲(chǔ)中獲取數(shù)據(jù)、控制運(yùn)算器執(zhí)行運(yùn)算、獲取下一步指令等等。這一且都是通過“時(shí)鐘控制信號(hào)”和復(fù)雜的邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于時(shí)鐘控制信號(hào)，可以理解為一個(gè)節(jié)拍器，時(shí)鐘源向CPU發(fā)送有節(jié)奏的高低電平信號(hào)，讓控制器內(nèi)部邏輯電路被激活，該邏輯電路又根據(jù)指令寄存器的內(nèi)容生成各種控制信號(hào)指揮運(yùn)算器讀取數(shù)據(jù)、執(zhí)行運(yùn)算、讀取下一步指令、存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果等等。下圖就是一個(gè)完整的控制器與運(yùn)算器的示意。
存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器又叫高速緩沖存儲(chǔ)器，它的作用就是存儲(chǔ)即將交付CPU處理的數(shù)據(jù)并保存CPU處理的結(jié)果。實(shí)際上各種控制信號(hào)、數(shù)據(jù)都是放置于存儲(chǔ)器中，控制器從這里獲取下一步的數(shù)據(jù)和指令。
CPU
存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器的結(jié)合就是一個(gè)基本的CPU了，等等?似乎CPU沒有什么特殊的功能啊，那它是如何執(zhí)行這么多復(fù)雜工作的呢?實(shí)際上CPU的原理就是這么簡(jiǎn)單。當(dāng)我們寫好代碼后，編譯器就將這些代碼翻譯成CPU可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，而后按順序放入存儲(chǔ)器中即可，控制器會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序按節(jié)奏從存儲(chǔ)器中獲取指令和數(shù)據(jù)，控制運(yùn)算器處理這些數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)代碼功能。
六、CPU運(yùn)作示例
為便于理解其工作原理，我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的示例。比如我們寫了一段代碼：
A=1;
B=2;
C=A+B;
輸出C到屏幕
編譯器編譯時(shí)可能會(huì)做如下翻譯：
1)將0001放入寄存器A、將0010放入寄存器B
2)執(zhí)行寄存器A+寄存器B，結(jié)果放入寄存器C
3)讀取屏幕顯示器的存儲(chǔ)地址，放入寄存器E
4)根據(jù)寄存器E的數(shù)據(jù)(屏幕顯示器地址)，將寄存器C的數(shù)據(jù)(運(yùn)算結(jié)果)寫入該存儲(chǔ)地址
至此CPU就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算和屏幕顯示。當(dāng)然具體操作過程可能會(huì)比這個(gè)復(fù)雜無(wú)數(shù)倍。但是CPU的核心功能就是簡(jiǎn)單的算數(shù)運(yùn)算，以及各種數(shù)據(jù)的讀寫。而編譯器的工作就是將復(fù)雜的代碼翻譯成簡(jiǎn)單的算數(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)移動(dòng)。
七、總結(jié)
CPU/集成電路/芯片當(dāng)然不是這篇短文能講述清楚的，篇幅所限我們主要精力放在了邏輯電路部分，如果想要了解更多關(guān)于CPU的知識(shí)我建議大家可以看《CPU自制入門》和《自己動(dòng)手寫CPU》這兩本書，書上前幾章對(duì)CPU的介紹還是非常有意思的。
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