计算机硬件技术及应用基础（上册•微机原理部分）

先集中介绍微机系统及其各大硬件组成部分（处理器、存储器、I/O设备及接口、总线）的基本结构、工作原理和现代高档微机中相继采用的一些先进计算机技术，然后再讲软件层面的内容，介绍Pentium处理器的汇编级指令系统和汇编语言及编程

紧紧围绕硬件技术基础这根主线展开教材内容的同时，也高度重视硬件与软件的结合，着力培养读者利用计算机硬件为主技术、从硬件与软件的结合上处理问题的思维方式和分析、解决问题的能力。

引入较多的来自科研实践的案例和论例结合，着力启发读者应用基本原理方法分析解决实际问题的思路

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本书是作为普通高等教育“十一五”国家级规划教材和中国水利水电出版社组织的“新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材”编写的，是国家精品课程《计算机硬件技术基础》的配套教科书。

本书是以作者2001年编著出版的同名普通高等教育“九五”国家级重点教材为基础，根据近几年来计算机及其应用技术的新发展，以及教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会最新发布的关于理工类专业本课程教学基本要求之“较高要求”，结合作者所在国家级教学团队近年来精品课程建设的成果，再参考广大读者反馈回来的意见，重新改编而成的。

本书把讲述各知识单元和知识点的主要切入机种，由原“九五”国家级重点教材的486 PC机变成了目前已成为主流的Pentium系列PC机。但考虑到Pentium系列处理器与其前辈处理器80486一样，均内含了一种与8086处理器兼容的实地址操作模式，因此全书在介绍计算机各大组成部分基本原理与接口技术的实质性内容时，仍和原来一样，主要基于实地址方式和以8086 CPU为核心的PC/AT机时代形成的AT技术标准进行。这种编写思路与一开始就从8086 PC机切入是有根本区别的，将更加有利于实现基础性、系统性、先进性和实用性的统一。

本书在尽量保持原“九五”国家级重点教材基本编写原则及特色的基础上，进一步对内容及其组织方式作了优化调整。调整的基本出发点，是作者所在课程组多年来在本课程改革和建设中所形成的重要教学理念，即：围绕一条主线、突出两个结合、狠抓三个基本、坚持淡内强外、倡导自主学习、注重能力培养。据此，形成了本书以下几个主要特点：

（1）紧紧围绕计算机系统硬件组成及工作原理这条主线，重点介绍有关计算机工作的一些先进而实用的重要机理、思想和技术。也正是基于这一思想，本书微机原理部分才一改传统的内容组织结构，作出新的尝试：先集中介绍微机系统及其各大硬件组成部分（处理器、存储器、I/O设备及接口、总线）的基本结构、工作原理和现代高档微机中相继采用的一些先进计算机技术，然后再讲软件层面的内容，介绍Pentium处理器的汇编级指令系统和汇编语言及编程。

（2）考虑到计算机工作的过程，本质上是以硬件为基础执行程序即软件的过程，所以在紧紧围绕硬件技术基础这根主线展开教材内容的同时，也高度重视硬件与软件的结合，着力培养读者利用计算机硬件为主技术、从硬件与软件的结合上处理问题的思维方式和分析、解决问题的能力。

（3）根据本课程理论性系统性和工程性实践性都很强的特点，全书切实贯彻了理论与实践紧密结合的原则，通过引入较多的来自科研实践的案例和论例结合，着力启发读者应用基本原理方法分析解决实际问题的思路。

（4）在讲述各知识单元、知识点内容时，以讲清“三个基本”为重点，力求更好地突出基本概念、基本原理、基本方法的提炼和阐明，而适当淡化、压缩在具体PC机中的应用说明。立足于使读者对基本概念能熟悉、对基本原理能理解、对基本方法技能能较好掌握，在此基础上再去拓展知识，开发创新思维能力和分析解决实际问题的能力。这样处理，可能更有利于讲清计算机基本工作原理和基本接口方法，使学生更快更好地掌握计算机及其应用技术精髓，从而更符合非计算机专业计算机教育教学的规律。

（5）从非计算机专业人员学习计算机的目的是为了应用这一特点出发，无论对微型计算机还是各种外围芯片、外部设备，都适当淡化了内部原理，而强化了外部接口及应用，把着力点放在介绍外设、外围芯片与CPU的接口方法，以及根据应用需要选择可编程接口芯片的工作方式和编写接口驱动程序等方面。

（6）为有利于读者更好地抓住各类可编程接口芯片的规律性的东西，更好地理解和掌握它们的应用方法，在介绍它们时，基本上都按基本功能、内部结构与外部引脚、内部端口寄存器寻址与读/写控制、初始化与应用编程几个层面去重组内容。

（7）对存储器这章按7个要点进行了内容重组，突出了基于半导体存储器接口特性的内存构成原理这个重点。

（8）为了适应实际中计算机接口驱动程序既可使用汇编语言编写又可采用C语言编写的现状，本书一改传统做法，在针对接口硬件编写驱动程序时，许多地方都同时给出了汇编语言和C语言两种例程。另外，还专门增设了一章，介绍Windows和DOS下设备驱动程序的区别，以及Windows设备驱动程序的设计开发方法。

本书分上、下两册。上册为微机原理部分，由十章组成，从第1章到第10章分别为：微型计算机系统概述，微型计算机硬件组成基础，微处理器，存储器，I/O设备及接口，总线，中断机制，计算机基本工作原理，Pentium系列处理器指令系统，汇编语言及编程。下册为微机接口部分，由八章组成，从第1章到第8章分别为：微机接口技术概述，并行接口，串行接口，I/ O接口中的中断技术，I/O接口中的定时/计数技术，常用I/O设备（包括基本人机交互设备、模拟I/O设备、多媒体设备）的接口方法，Windows下的I/O设备驱动程序，微机在嵌入式系统中的应用。

本书由邹逢兴主编，负责策划组织结构、制定三级目录和全书统稿定稿。本册（微机原理部分）具体编写工作，除第2章由史美萍完成，第3.1.2节、8.1.2节、8.1.3节和3.1.1节部分由邹逢兴完成，第3.4节由邹逢兴和陈立刚共同完成外，其余各章节均由陈立刚在邹逢兴主编的原国家级规划教材和教育部统编通用教材的基础上修订而成。

全书编写过程中，得到本人负责的“计算机硬件技术与控制系列课程”国家级教学团队中张湘平、胡德文、郑志强、吕鸣、龙志强、李云钢、徐晓红、李春、李迅、罗兵、李治斌、薛小波、高政、滕秀梅、李红等许多同志的大力帮助；编辑出版过程中，得到中国水利水电出版社万水公司杨庆川总经理兼策划编辑、雷顺加总编、李炎责任编辑等同志的大力支持，他们为此付出了辛勤劳动。在此，对他们表示深深的谢意！

最后想说明的是，本书上、下两册是一个有机联系的统一体，显然，配套使用有利于教学的系统性、完整性。一般说来，对电为主类工科专业应该这样使用。但是，考虑到非电为主类工科专业或非工科专业的用户，由于学时数有限或其他原因，可能不需要这么完整的内容，或者只想让学生懂得微机基本原理，或者重点希望学生掌握微机接口技术，为此我们在策划体系结构和组织教学内容时，特意作了精心安排，使上、下册既具有明显不同的偏重，又分别在微机原理和接口技术方面具有一定的独立性和相对的完整性，因而即使单独使用也是完全可以满足要求的。

本书虽然在“九五”国家级重点教材的基础上有所改进，但离教学要求肯定还有差距，且错误之处仍然难免，恳请使用本书的读者不吝批评指正，以便不断改进、完善。

邹逢兴

2010年7月于湘江之滨•长沙市

总序
前言

第1章 微型计算机系统概述 1
1.1 微型计算机系统的体系结构 2
1.1.1 从冯•诺依曼结构说起 2
1.1.2 硬件三总线结构 2
1.1.3 从内到外三个层次 3
1.2 微机各大组成部分结构及功能 4
1.2.1 微处理器（MPU） 4
1.2.2 存储器 6
1.2.3 I/O接口 7
1.2.4 总线 8
1.3 微型计算机系统主要性能指标 8
1.3.1 字长 8
1.3.2 存储器容量 8
1.3.3 运算速度 9
1.3.4 外设扩展能力 9
1.3.5 软件配置情况 9
1.4 高档微机中应用的现代先进计算机技术 9
1.4.1 流水线、超流水线和超标量技术 9
1.4.2 分支预测和推测执行技术 10
1.4.3 乱序执行技术和动态执行技术 10
1.4.4 超线程技术 10
1.5 典型微型计算机系统 10
1.5.1 个人计算机系统 10
1.5.2 便携式计算机系统 18
1.5.3 嵌入式计算机系统 18
思考题与习题一 19
第2章 微型计算机硬件组成基础 21
2.1 逻辑电路及功能概述方法 22
2.1.1 组合逻辑电路及其功能描述方法 22
2.1.2 时序逻辑电路及其功能描述方法 22
2.2 基本逻辑单元电路 23
2.2.1 组合逻辑基本单元——逻辑门 24
2.2.2 时序逻辑基本单元——触发器 27
2.2.3 脉冲波形产生与整形电路 31
2.3 基本组合逻辑部件 35
2.3.1 编码器 35
2.3.2 译码器 37
2.3.3 数据选择器 42
2.3.4 数码比较器 45
2.3.5 加法器 46
2.3.6 算术逻辑单元 47
2.4 基本时序逻辑部件 50
2.4.1 寄存器和移位寄存器 50
2.4.2 计数器 53
思考题与习题二 59
第3章 微处理器 63
3.1 微处理器的发展 64
3.1.1 Intel微处理器发展历程 64
3.1.2 国产微处理器发展现状 69
3.2 8086/8088微处理器 72
3.2.1 8086/8088的内部结构 72
3.2.2 指令流水线和存储器分段管理 73
3.3 Pentium微处理器 75
3.3.1 内部结构与外部引脚 76
3.3.2 内部寄存器 81
3.3.3 四种工作方式 90
3.4 “龙芯”微处理器 91
3.4.1 龙芯2F处理器内部结构 91
3.4.2 龙芯2F的外部接口信号 95
3.4.3 龙芯2F的内部寄存器 99
3.4.4 龙芯2F的工作模式 101
思考题与习题三 104
第4章 存储器 105
4.1 当今高档微机系统的存储器体系结构 106
4.1.1 分级存储器结构 106
4.1.2 虚拟存储器技术 107
4.2 半导体存储器的分类与选用原则 107
4.2.1 半导体存储器的分类 107
4.2.2 半导体存储器的选用原则 108
4.3 存储器芯片与存储条的接口特性 109
4.3.1 各类存储器芯片的接口共性 109
4.3.2 DRAM芯片与存储条的接口特性 112
4.4 内存储器 115
4.4.1 内存储器组织原理 115
4.4.2 内存储器设计举例 120
4.5 高速缓冲存储器基本原理 123
4.5.1 Cache的基本结构和工作原理 124
4.5.2 Cache与内存的映像关系 125
4.5.3 Cache的读/写操作 126
4.5.4 分级Cache结构与平均访存周期的
估算 127
4.6 外存储器 128
4.6.1 硬盘存储器 128
4.6.2 光盘存储器 132
4.6.3 移动存储器 137
4.7 虚拟存储器管理机制 141
4.7.1 分段分页管理机制 141
4.7.2 虚拟地址向实地址的转换原理 142
4.7.3 保护机构 146
思考题与习题四 146
第5章 I/O设备及接口 151
5.1 基本人机交互设备 152
5.1.1 键盘 152
5.1.2 显示器 153
5.1.3 打印机 157
5.2 模拟I/O设备 159
5.2.1 A/D转换器与模拟输入通道 159
5.2.2 D/A转换器与模拟输出通道 174
5.3 I/O接口与I/O操作 185
思考题与习题五 186
第6章 总线 189
6.1 总线概述 190
6.1.1 总线及分组 190
6.1.2 总线功能和性能 190
6.1.3 总线模块 191
6.2 总线操作及控制 191
6.2.1 总线操作概念 191
6.2.2 总线操作控制 192
6.3 总线仲裁方法 192
6.3.1 串行仲裁 192
6.3.2 并行仲裁 194
6.3.3 并串行二维仲裁 194
6.4 总线握手方法 195
6.4.1 同步握手 195
6.4.2 异步握手 196
6.4.3 半同步握手 197
6.5 Pentium处理器的典型总线操作时序 198
6.5.1 非流水线式读/写周期的总线时序 198
6.5.2 突发式读/写周期的总线时序 199
6.5.3 流水线式读/写周期的总线时序 200
6.6 目前主流微机系统中的常用标准总线 201
6.6.1 标准总线概述 201
6.6.2 ISA总线 202
6.6.3 PCI总线 204
6.6.4 USB总线 218
6.6.5 IEEE1394总线 222
6.6.6 SCSI总线 225
6.6.7 AGP总线 227
思考题与习题六 229
第7章 中断机制 231
7.1 中断与中断类型 232
7.2 中断优先级与中断嵌套 233
7.3 中断检测与响应 234
7.4 中断服务判决 235
7.4.1 程序查询式判决 235
7.4.2 中断向量式判决 236
7.5 中断处理 237
7.6 Pentium处理器的中断机理 239
7.6.1 实地址方式下使用中断向量表 239
7.6.2 保护虚地址方式下使用中断描述
符表 240
7.6.3 中断向量号分配 241
7.6.4 中断/异常的检测、响应、处理过程 241
思考题与习题七 242
第8章 计算机基本工作原理 245
8.1 计算机中数据的表示 246
8.1.1 数值数据的表示 246
8.1.2 字符数据的表示 250
8.1.3 声像数据的表示 252
8.1.4 目前微机中常用的数据类型 253
8.2 计算机中数据的运算 256
8.2.1 算术运算 256
8.2.2 逻辑运算 260
8.3 计算机工作的过程 261
8.3.1 计算机工作过程的一般描述 261
8.3.2 指令执行过程 262
8.3.3 程序执行过程举例 262
思考题与习题八 264
第9章 Pentium系列处理器指令系统 267
9.1 指令寻址方式 268
9.1.1 寻址方式概述 268
9.1.2 11种寻址方式 269
9.2 指令系统概述 275
9.2.1 Pentium指令格式 275
9.2.2 Pentium指令分类 276
9.3 与8086兼容的指令 277
9.3.1 数据传送类指令 277
9.3.2 算术运算类指令 283
9.3.3 逻辑运算类指令 290
9.3.4 串操作类指令 294
9.3.5 控制转移类指令 298
9.3.6 处理器控制类指令 304
9.4 8086以后历代处理器新增的指令 305
9.4.1 80286新增指令 305
9.4.2 80386新增指令 308
9.4.3 80486新增指令 311
9.4.4 Pentium系列处理器新增指令 312
思考题与习题九 313
第10章 汇编语言及编程 319
10.1 汇编语言源程序结构 320
10.2 汇编语句及操作数 322
10.2.1 汇编语句 322
10.2.2 汇编语句中使用的操作数 323
10.3 伪指令语句 327
10.3.1 程序结构伪指令语句 327
10.3.2 符号常数定义伪指令 334
10.3.3 数据定义伪指令 334
10.3.4 过程与宏定义伪指令 336
10.3.5 结构定义伪指令 337
10.4 汇编语言程序设计 339
10.4.1 汇编语言程序开发过程 339
10.4.2 基本结构程序设计 340
10.4.3 子程序设计与调用 352
10.4.4 DOS/BIOS功能调用 357
10.4.5 典型功能程序设计举例 363
思考题与习题十 372
参考文献 376

1. 计算机硬件技术及应用基础（下册 微机接口部分） [邹逢兴 陈立刚 李迅 编著]
2. 计算机硬件技术基础（第三版） [艾德才 等编著]
3. 计算机硬件技术实验教程 [张志勇 戴金波 主编]