計算機硬件新手實用知識

時間：2024-01-26 11:32:59 懷健20由分享

最近有不少軟件領域的牛人進軍硬件行業，但不知從何處入手。相信每個人面對一個龐大的知識體系時都一樣迷茫。下面就讓小編帶你去看看計算機硬件新手實用知識，希望能幫助到大家!

碼農們如何變得高大上：硬件知識學起來

如下：列幾個項目，坐地鐵時，記得看看。如果對某方面感興趣可以留言告訴我們哦，小編會為你們整理相關資料的~

1EMC與安規

EMC與安規在規模較大的公司都有專門的團隊，但小公司只能硬件工程師親手來。

CE認證測試項目最多，學習可以先關注CE的相關標準。不同行業的標準是不一樣的，汽車電子和信息技術設備的測試方法和要求都不一樣。

EMC理論個人覺得已經發展的比較形象(不像電磁場那么理論抽象)，精髓就是EMC三要素，干擾源、敏感源和耦合路徑。設計分析就是關注共模電路的回流路徑或者泄放路徑

RF與天線

同樣的RF與天線在規模較大的公司也有專門的團隊。

行業發展到現在，硬件工程師的RF和天線設計工作基本就是選型了。因此，需要明白一些基本的參數如增益、P1dB、IP2、IP3、天線的方向性等等。

電源

電源部門在規模較大的公司也有專門的團隊，無論板級DCDC電源還是電源適配器都有專人完成設計、選型或測試工作，硬件工程師應用時標準電路拿來用即可。

關于電源大概就以下幾個方面。

DCDC有幾種基本拓撲?效率與什么有關?

LDO原理是什么?設計需要注意哪些參數?

POE協議是否熟悉?

時鐘

晶體和晶振有什么區別?怎么設計?

時鐘信號有哪些關鍵參數?

PLL的原理是什么?環路帶寬是什么意思?PLL失鎖的可能有哪些?

時鐘芯片如何選型?

小模擬電路和小邏輯電路

硬件工程師的工作是系統級應用，不是IC設計的大神，工作中很少用分立器件設計電路。

二極管、三極管、MOS管和運放的特性要熟悉會分析，簡單的電路要設計。

如三極管電平轉換電路怎么設計，為毛低溫就不工作了?

如MOS管雙向電平轉換怎么設計?要關注什么參數?

如MOS管的米勒效應，能不能定量的用公式分析?

高速信號及信號完整性

建立時間與保持時間?

時鐘的抖動分哪幾類?

數據相關抖動是什么?

CDR是什么?

抖動與誤碼率的關系是什么?

EQ、去加重、預加重?

低速信號

I2C、UART、SPI是什么?

會不會通過示波器測量判斷通信數據對不對?

RAM 和ROM

NAND FLASH和NOR FLASH有什么區別?

DDR3 SDRAM原理是什么?CL、AL、RL、WL是什么?各種參數的會不會設置?

CPU、SOC、FPGA

X86、ARM、MIPS、POWERPC有什么區別?

FPGA設計需要注意什么?IC設計領域了解嘛?

關注自己的行業

不同行業的技術是不一樣的，應用環境及解決方案也不一樣

如你是設計智能電視的

1、視頻相關知識?BT1120是啥?H.264是啥?YUV是啥?4：2：2是啥?什么是HDMI?具體協議是啥?

2、思考下產品，內容重要還是硬件重要?能不能優化下3D?

如你是設計交換機的

1.802.3了解嘛?啥是MAC?啥是PHY?GMII接口如何設計?

2.交換機如何工作的?VLAN是啥?

3.客戶是啥?教育網還是運營商?

如果你設計無線路由器的

1.802.11 a/b/g/n/ac的區別?TCP/IP協議是啥?ARP是啥?路由的工作原理?

2.天線如何設計的?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塊賣給企業級用戶?

有兩個領域值得去深入研究，以后是物聯網的時代，網絡和無線通信的應用會越來越多。

網絡

也是交換機和路由器等應用與組網。現在互聯網基于以太網，802.3標準規定了MAC和PHY規范。上層協議如TCP/IP、UDP、ARP、環網等等，總之網絡的水很深，值得一探。

無線通信

如移動通訊、WIFI、sub 1GHz等等應用會越來越多，之前國家發布的什么旅游規劃，有一條就是景區要實現免費WIFI覆蓋。無線通信也基本是802.x協議族。基帶和RF都可以深入學習。

最后一點

如果你不是必不得己，還是不要做碼農，如果你必須做技術，那就做一個硬件工程師吧，了解下以上知識足夠了，每天給供應商打幾個電話，看看ppt,開開會，耍幾個專業名詞，放心，你的老板和那幫碼農是聽不懂的。

新手必看的電腦硬件知識大全

一、CPU

電腦的CPU(中央處理器)就相當于人的大腦，現在市面上的CPU主要分為兩大陣營，分別是Intel(英特爾)和 AMD ，性能都是以產品型號來區分。這里我們用英特爾來舉栗子。

四位數中最重要的是第一位，它表示了 CPU 的代數，因此這一位的數值越大，該 CPU 的架構也就越新，從而帶來更高的性能和更低的功耗。后三位數字對 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

顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分，是電腦進行數模信號轉換的設備，承擔輸出顯示圖形的任務。顯卡接在電腦主板上，它將電腦的數字信號轉換成模擬信號讓顯示器顯示出來，同時顯卡還是有圖像處理能力，可協助CPU工作，提高整體的運行速度。對于從事專業圖形設計的人來說顯卡非常重要。下面以最常見的NVIDIA獨立顯卡為例，教大家如何判斷顯卡性能。

顯卡分為NVIDIA和AMD兩個品牌，兩個品牌的命名規則如下：

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。另外還包括為專業工作站而設的Quadro顯卡系列(這個系列市場上見的不多，基本數字越大性能越高)

(2)不同的系列命名規則是一樣的，以GTX 980Ti為例。首先數字9表示的是GTX系列第九代顯卡，核心是GM204。后面的數字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獨立顯卡，如R5 230。

(2)舊的命名方式更好判斷性能，以HD 7950為例，首先數字7表示AMD第七代顯卡，一般最新的一代在架構上有進步，性能會更好一些。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的性能，但主板是一個載體，一個支撐所有硬件的骨架，只有根據CPU兼容性和是否支持超頻，來合理搭配、選擇適合自己的主板才能獲得更好的使用效果。

四、內存·

內存是用來暫時存放 CPU 運算數據的硬件，我們大可把它理解為“ 為程序運行提供的空間 ”，越大越好，如今裝機標配8GB大內存，大型游戲或者專業設計則建議上16GB大內存，下面我們用金士頓的內存條來舉例子。

內存

五、硬盤

目前，硬盤分為機械硬盤和固態硬盤。簡單來說，機械硬盤讀寫速度慢、容量大、價格便宜、數據恢復方便、但比較笨重，不抗震，適用于存放較多文件;固態硬盤讀寫速度快，又輕又小，但價格很貴，適用于多系統安裝，保證開機速度、系統流暢度。

硬盤

由于固態硬盤體驗更好，如今SSD早已經是主流電腦的標配。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接口固態硬盤速度最快，價格相對也更高，適合追求高速的朋友推薦，普通用戶一般買SATA固態硬盤就夠了，價格便宜，兼容性強。

M.2固態硬盤最小是10Gb/s，大的達到了32Gb/s，普通的SSD盤SATA3.0帶寬是6Gb/s，機械硬盤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主要有兩個方面的優勢。第一是速度方面的優勢。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接口標準，最大的讀取速度可以達到700MB/s，寫入也能達到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口，理論帶寬可達4GB/s。

六、機箱電源

機箱方面，主要是外觀部分，根據自己的喜歡，選擇就可以了。當然，如果是想要體驗水冷，在買機箱的時候，則需要注意下機箱是否支持水冷散熱器等。

一般的機箱水冷一般支持到240MM，也就是雙風扇水冷，如果要使用360MM水冷的話建議詢問一下購買客服，或者自己上網定制。機箱的大小也要考慮到自己的各種硬件能否容納，比如說三風扇顯卡，以及大型主板、塔式風冷散熱，小機箱可能無法安裝。

電源則相當于電腦的心臟，為電腦各硬件供電。雖然電源在主機硬件中不起眼，但其穩定在起著至關重要的作用，低價山寨電源偷工減料厲害，容易導致電腦頻繁死機，甚至燒壞硬件。因此，買電源不僅僅是主看額定功率大小，還要看電源的穩定性與質量，一般強烈建議推薦品牌主流型號電源，以保證穩定與耐用。

80PLUS認證標準

上圖為電源的80PLUS認證標準，一般最低保證選用白牌以上的電源，用的比較放心，質量也可以得到保證。

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別：

1、外觀上不同

非模組電源從內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連接點，所以損耗很低。但是模組電源的PCB板和連接到主機的供電線之間有兩個連接點，由于多了連接點，因此損耗更高。同規格下模組電源的效率要比非模組電源低了一點。

3、轉換效率不同

實際功率越高，模組電源的損壞也會提高，比如市電下負載百分百的模組電源，要比非模組低了0.6%左右，不同的電源表現不同，但同樣狀態下，模組電源確實要比非模組電源的轉換效率更低。

芯片背后的這些硬件知識你都學會沒有?

前言

我們都知道芯片，也知道芯片技術在21世紀是最重要的技術之一，但很少有人能知道芯片技術的一些細節，如芯片是如何構造的、為什么它可以運行程序、芯片又是如何被設計制造出來的等等。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、大規模集成電路是如何逐步構造成我們所熟知的“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，可以說二極管的發明和大規模使用是現代工業騰飛最重要的基礎之一。二極管的特性就是電流單向導通，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，且這種單向導通還有個特點就是施加的電壓必須大于某個數值，如硅二極管為0.5V才能導通，且導通后繼續增加電壓會導致電流大幅增加(相當于電阻下降)。

在邏輯上可以這樣理解：施加在二極管上的電壓小于0.5V時它是不通電的(表現為極高的電阻)，當電壓等于0.5V時二極管突然就導通了(表現為極低的電阻)。所以我們總結一下二極管的特性：

1、只能單向導通

2、施加電壓低于0.5V時完全不導通

3、施加電壓等于0.5V時突然完全導通

事實上，科學家們正是利用上述的簡單特性構建了龐大復雜的電子世界。

三極管

在二極管的基礎上，科學家們進一步研究出了三極管。三極管的特點就是增加了一極，不由施加在兩端的電壓大小決定是否導通，加入了第三極，使用三極間壓差來決定是否導通。如下圖所示，工作時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致c、e間導通的，簡單來說就是通過各極間壓差實現c、e間先是逐漸導通(表現為壓差增大電流增大)，而后變為完全導通(表現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的導通而不能是e到c的導通(即施加反向電壓再高也不會反向導通)。

邏輯上我們可以做如下總結：

1、只能c到e導通(反向施加電壓無法反向導通)

2、壓差低于某值A時完全不導通(無電流)

3、壓差高于某值A時逐漸導通(電流隨壓差增大)

4、壓差高于另一值B時完全導通(電流不隨壓差變化)

邏輯門電路

了解了基本器件后，我們再來說說數學。在數學上我們有三個基本邏輯：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

科學家們使用二極管、三極管、電阻、電容在電路上實現了上述的三個基本邏輯，具體表現為：

1)與門：A、B兩端同時輸入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端同時為0V時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行的非常穩定，以非門為例，當A端輸入小于5V時L端輸出穩定為5V，當A端等于5V時L端會立即輸出為0V(這里忽略了很多電路細節和器件特性)。為便于使用，科學家們使用符號將這三個邏輯門進行了抽象：

為便于使用，我們將其進一步抽象，如下圖所示：

從數學上來說，所有復雜的邏輯式最終都可以分解為最基本的三個邏輯組合，我們先溫習一下高中的代數課：

那在電路上，是不是就可以使用與、或、非這三個基本的邏輯門電路來分解?

三、從邏輯運算到電路運算

以加法為例

下圖是二進制加法的真值表，S是A+B，C是進位。

科學家們使用邏輯式來總結了這個真值表，從真值表到邏輯式的轉化是高中代數的基本內容。

我們發現，S和C的輸出可以由A與B的邏輯運算得到(一個異或門、一個與門)。那么，如果我們使用邏輯電路來實現邏輯運算，是不是就可以用電路來實現加法?

第一步，我們先用邏輯符號來繪制上述的公式：

第二步，將邏輯符號轉為電路(沒找到半加器電路，這個是全加器)：

第三步，焊接物理電路

邏輯疊加

通過加法的例子我們實現了從邏輯到電路的轉變，根據這個原理我們可以簡單的實現：

1)減法器

2)乘法器

3)除法器

4)8位加法器

實際上我們發現所有的運算都是邏輯的疊加，邏輯最終可以轉化為電路，所以我們可以得出結論：所有的運算最終都可以使用電路實現。

四、從電子電路到集成電路

龐大的電子計算機

看了前面的內容，我們知道了所有邏輯運算都可以使用電路實現，那么加法器、減法器、乘法器、除法器都是可以實現的，事實上一開始的“計算機”就是用于做這些加減乘除運算。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”來解決，無論是10位的加法、100位的減法、還是1000位的乘法，理論上來說只要二極管、三極管、電容電阻足夠我們都可以實現。但是隨著計算需求越來越大，計算器的體積變得越來越大，“耗電”成了一個大問題。下圖是第一臺通用計算機ENIAC，它可以每秒5000次加法或400次乘法運算，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 個中轉，70,000個電阻器，10,000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關。拋開成本因素，光耗電量就是一個天文數字。

MOS管與集成電路

體積龐大、造價高昂、耗電量成為制約計算機的核心問題所在，如果有辦法縮小元器件的體積，體積、造價、耗電的問題都迎刃而解了。在這個需求的基礎上集成電路誕生了，它不是使用電路將各種元器件連接起來，而是將各種元器件、線路直接“做”到了硅片上。

下圖是一個典型的PNP三極管示意圖，本質上P與N的材質是一樣的(硅)，只是摻雜了不同的雜質改變了其電特性(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、N結，而后用“線路”將各P結和N結連接成電路，只要前期規劃做好，數量龐大的三極管、二極管、線路就可以集成到一個硅片上了。

mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管，名字復雜其實本質就是由金屬、氧化物、半導體組成的元器件。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“半導體”就是P結或N結，用來組成三極管或二極管。“金屬”就是連接各結的線路，“氧化物”就是各結間用以絕緣的隔離層。簡單點說，集成電路就是在硅片上制造了很多的半導體(PN結)、金屬(線路)、氧化物(絕緣層)，這些半導體、金屬、氧化物組成的器件我們稱之為MOS管，無數MOS管按邏輯電路進行組合就是所謂的集成電路了。

集成電路工藝

現在我們找到了辦法將器件縮小，下一步就是如何實現PN結、金屬線路、氧化物。下圖是一個典型的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：將工廠生產的硅錠切割成片

2)影印：在硅片上涂一層光阻物質(想象成防護膜)，然后按設計要求溶解部分光阻物質(讓部分區域露出來)。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就溶解了，沒有照射的地方還有保護。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，就使用刻蝕技術將沒被遮住的區域“蝕”出一個溝，如下圖所示。

4)摻雜：有了溝之后就使用原子轟擊這個“溝”使其摻入雜質形成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管特別多的叫大規模集成電路，MOS管超級超級多的叫超大規模集成電路，其實就是工藝進步了。一塊芯片上集成的電子器件越多、電路越復雜能實現的功能也就越多，所以我們不能只滿足于做加減乘除這樣簡單的運算。但當時的科學家并沒有“未來”的視野，他們當時急需的問題不是發明CPU，而是解決數據如何存儲的問題。如果數據可以存儲在電路里，那就可以實現很多復雜的操作，比如簡單的編程。

D觸發器

為了將數據“鎖”在電路里，科學家們使用邏輯門組成了D觸發器。其中CP是時鐘控制信號(這里將其當做一個控制信號即可)，當CP值為1時D輸入一個信號則Q輸出同樣的信號，當CP值不為1時D輸入任何信號則Q輸出不變，如此就實現了將D信號“鎖”在了Q。

寄存器

數個D觸發器的組合就實現了一個寄存器，如下圖所示就是一個4位寄存器，可以存儲一個4位的數據，如“0101”：

根據寄存器的工作內容又細分了：指令寄存器、程序計數器、地址寄存器、通用寄存器等等。

運算器

將數個寄存器與前面所說的加、減、乘、除計算電路結合起來就是運算器了，運算器的作用就是對寄存器(一個或多個)中的內容進行算數計算，而后將結果存入寄存器。

控制器

上圖可以看到，運算器內有數個寄存器，那何時執行計算任務、計算那幾個寄存器的數據、最終存儲到哪里呢，這些都由控制器來完成。控制器由指令寄存器、指令譯碼器、程序計數器、堆棧指針、數據指針組成，它從指令寄存器中獲取指令而后根據指令從外部存儲中獲取數據、控制運算器執行運算、獲取下一步指令等等。這一且都是通過“時鐘控制信號”和復雜的邏輯運算實現的。

對于時鐘控制信號，可以理解為一個節拍器，時鐘源向CPU發送有節奏的高低電平信號，讓控制器內部邏輯電路被激活，該邏輯電路又根據指令寄存器的內容生成各種控制信號指揮運算器讀取數據、執行運算、讀取下一步指令、存儲計算結果等等。下圖就是一個完整的控制器與運算器的示意。

存儲器

存儲器又叫高速緩沖存儲器，它的作用就是存儲即將交付CPU處理的數據并保存CPU處理的結果。實際上各種控制信號、數據都是放置于存儲器中，控制器從這里獲取下一步的數據和指令。

CPU

存儲器、控制器、運算器的結合就是一個基本的CPU了，等等?似乎CPU沒有什么特殊的功能啊，那它是如何執行這么多復雜工作的呢?實際上CPU的原理就是這么簡單。當我們寫好代碼后，編譯器就將這些代碼翻譯成CPU可以識別的數據格式，而后按順序放入存儲器中即可，控制器會根據預設的程序按節奏從存儲器中獲取指令和數據，控制運算器處理這些數據，最終實現代碼功能。

六、CPU運作示例

為便于理解其工作原理，我們做一個簡單的示例。比如我們寫了一段代碼：

A=1;

B=2;

C=A+B;

輸出C到屏幕

編譯器編譯時可能會做如下翻譯：

1)將0001放入寄存器A、將0010放入寄存器B

2)執行寄存器A+寄存器B，結果放入寄存器C

3)讀取屏幕顯示器的存儲地址，放入寄存器E

4)根據寄存器E的數據(屏幕顯示器地址)，將寄存器C的數據(運算結果)寫入該存儲地址

至此CPU就實現了一個簡單的計算和屏幕顯示。當然具體操作過程可能會比這個復雜無數倍。但是CPU的核心功能就是簡單的算數運算，以及各種數據的讀寫。而編譯器的工作就是將復雜的代碼翻譯成簡單的算數運算和數據存儲、數據移動。