微型计算机原理与接口技术

努力追踪微机快速发展的历程，反映计算机科技的最新成果。

以应用为目的，删繁就简，突出重点，内容少而精；加强基本概念、基本分析方法、基本技术手段的阐述；密切结合计算机专业实际。

努力贯彻启发式教学原则，使逻辑线索简明、清晰、合理；物理概念清楚，深入浅出；语言生动流畅，通俗易懂。

注重实践技能和分析问题解决问题能力的培养。

图表精选，说明性强。

前 言

计算机科学与技术发展到今天，单纯的微机操作技能可以说接近普及了，单纯的软件编程技能学习已难以适应广泛的社会需求。因此，软硬件结合的计算机科学技术人才供不应求。微型机迅速普及和发展，几乎每隔几年就有一个重大变化，最近十年更是处于加速发展阶段。目前微型机的性能已达到或超过以前的大中型机，广泛应用于科学计算、数据处理与通信、办公自动化、工程控制、辅助系统、仿真等领域，也给本书的编写带来了巨大困难。

“微型计算机原理与接口技术”是高等院校工科电子类和信息类各专业，特别是涉及单片机、嵌入式等芯片级计算机应用的各类专业大学生必修的一门专业基础课。

学习本课程后，学生可以理解和掌握微型计算机的基本组成、工作原理、各类接口部件的功能、如何构建微机系统等方面的知识，并具备微机应用系统软硬件开发的初步能力。

为了给读者奉献一本高质量的教材，我们按照本科教学大纲的要求和教学特点进行编写并努力坚持以下原则：

（1）努力追踪微机快速发展的历程，反映计算机科技的最新成果。

（2）以应用为目的，删繁就简，突出重点，内容少而精；加强基本概念、基本分析方法、基本技术手段的阐述；密切结合计算机专业实际。

（3）努力贯彻启发式教学原则，使逻辑线索简明、清晰、合理；物理概念清楚，深入浅出；语言生动流畅，通俗易懂。“微型计算机原理与接口技术”类的教材甚多，鉴于计算机科技的深奥，本书为降低其难度，在语言描述上下了很大功夫，在很多环节的理论阐述上另辟蹊径，如寻址方式、Cache与主存内容替换的算法、地址映像及变换、内存管理的虚拟模式等，并注重典型电路和芯片的介绍。

（4）注重实践技能和分析问题解决问题能力的培养。

（5）图表精选，说明性强。

本书共分为13章，主要内容如下：

第1章介绍计算机的分类及应用、微型计算机的基本组成、微型计算机中的数制转换、数和字符的编码等。

第2章介绍CPU。由于计算机科技的飞速发展，CPU的结构和工作原理越来越复杂，为此，我们从最简单、最容易说明其工作原理的典型芯片8086/8088微处理器说起，然后叙述了CPU发展的辉煌历程，讨论了CPU发展的潮流（如超标量流水线技术、指令分支预测技术、Pentium Pro的乱序执行、RISC、SIMD，以及MMX、SSE（SSE2）、双核与多核、64位新体系等新理论和新技术等）和未来。再者，当前在测量仪器、小家电、简单工业控制等诸多场合，采用的芯片也多是8086/8088一类或相当的单片机系列，可见掌握8086/8088系列CPU的知识仍有应用价值。

第3章讨论微型计算机的寻址方式和指令系统。

第4章讨论汇编语言初步。

第5章讨论总线与主板，介绍了总线与主板结构的新变化和新技术。

第6章讨论存储器及管理模式，介绍了USB 2.0和移动存储等新技术。

第7章讨论中断技术，介绍了PCI中断等新技术。

第8章概述微型计算机接口技术，并讨论直接存储器访问技术。从实践的角度介绍了常用微机外部实用接口，讨论了USB接口、IEEE 1394串行接口、SCSI接口、SATA接口和PCI接口等新技术。

第9章讨论并行通信及接口芯片。

第10章讨论串行数据接口。

第11章讨论8253可编程定时计数器。

第12章讨论数/模、模/数转换器及其与CPU的接口。

第13章讨论计算机体系结构，并简单介绍了网络设备。

“微型计算机原理与接口技术”是一门实践性很强的课程。为了加强学习辅导和实践能力的培养，本书配有《微型计算机原理与接口技术实验及习题指导》。

本书由何超主编，各章编写分工如下：第1章由钟健编写，第2章由何超、钟健编写，第3章由何超、孔令美编写，第4章由田桂丰编写，第5章由徐昊、何超编写，第6章由徐昊、何超编写，第7章由何超、孔令美编写，第8章由何超、钟桂凤编写，第9～12章由何超、龙君芳、张艳红编写，第13章由陈友拾、何超编写。

限于编者的水平，书中错误和不妥之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正。

编 者

2012年7月

前言

第1章 概述 1
本章学习目标 1
1.1 计算机的分类及应用 1
1.1.1 计算机的分类 1
1.1.2　计算机的应用范围 3
1.2 计算机和微型计算机的发展概况 5
1.2.1　计算机的发展 5
1.2.2　微型计算机的发展 7
1.3 微型计算机的基本组成 9
1.3.1 微型计算机系统的层次结构 9
1.3.2 微型计算机的硬件系统 9
1.3.3 微型计算机的软件系统 11
1.4 微型计算机中数的编码和字符的表示 11
1.4.1　进位计数制 11
1.4.2　进制之间的转换 13
1.4.3　无符号数和带符号数 16
1.4.4 定点数与浮点数 19
1.4.5　计算机中的编码 21
本章小结 23
习题一 23
第2章 微处理器 26
本章学习目标 26
2.1 微处理器概述 26
2.1.1 CPU的基本概念 26
2.1.2 CPU的功能 27
2.1.3 CPU的组成 27
2.1.4 指令系统 29
2.1.5 CPU的构架和封装方式 30
2.1.6 CPU主要技术参数 31
2.1.7 CPU主流技术术语浅析 33
2.1.8 微型计算机的存储器组织 36
2.2 8086/8088微处理器 39
2.2.1 8086的编程结构 39
2.2.2 8086的工作模式和引脚功能 44
2.2.3 8086的总线时序 51
2.2.4 8086的总线控制权 55
2.3 典型的CPU及其发展历程 57
2.3.1 Intel CPU 57
2.3.2 AMD CPU 61
2.3.3 龙芯CPU 63
2.4 CPU的潮流与未来 64
本章小结 65
习题二 66
第3章 微型计算机指令系统 68
本章学习目标 68
3.1 8086/8088处理器的寻址方式 68
3.1.1 与数据有关的寻址方式 68
3.1.2 程序转移地址的寻址方式之一
——JMP无条件跳转指令 74
3.2 8086/8088处理器的指令系统 77
3.2.1 数据传送指令 77
3.2.2 算术运算指令 80
3.2.3 逻辑运算指令 84
3.2.4 移位指令 85
3.2.5 串操作指令 86
3.2.6 控制转移指令 88
3.2.7 循环指令 90
3.2.8 过程调用和返回指令 90
3.2.9 中断指令 91
3.2.10 处理机控制指令 91
3.3 32位新增指令简介 92
本章小结 93
习题三 93
第4章 汇编语言及汇编程序设计 96
本章学习目标 96
4.1 汇编语言概述 96
4.1.1 汇编语言 96
4.1.2 汇编环境介绍 97
4.1.3 汇编语言上机过程 97
4.2 汇编语言标识符、表达式及运算符 98
4.2.1 汇编语言语句格式 98
4.2.2 汇编语言标识符 98
4.2.3 表达式和运算符 99
4.3　伪指令和宏指令 99
4.3.1 数据定义伪指令 100
4.3.2 符号定义语句 102
4.3.3 段定义伪操作 103
4.3.4 过程定义伪指令 103
4.4 系统功能调用 104
4.4.1 系统功能调用概述 104
4.4.2 基本I/O调用 105
4.4.3 程序举例 105
4.5 汇编语言程序设计举例 106
4.6 汇编与C/C++接口 109
4.6.1 高级语言与汇编语言的接口需要
解决的问题 110
4.6.2 C语言与汇编语言的接口 110
本章小结 110
习题四 111
第5章 总线和主板 116
本章学习目标 116
5.1 总线基本概念 116
5.1.1 总线和微型计算机系统的总线结构 116
5.1.2 总线分类和性能指标 119
5.2 总线工作原理 122
5.2.1 总线的控制 122
5.2.2 数据传送 122
5.2.3 总线仲裁 124
5.2.4 总线驱动和其他控制 126
5.3 微型计算机的系统总线标准 126
5.3.1 系统总线标准 126
5.3.2 常见系统总线标准 127
5.3.3 其他总线 133
5.4 认识主板 140
5.5 主板结构 142
5.6 主板控制芯片组 143
5.6.1 概念及结构 143
5.6.2 流行芯片组 145
5.6.3 BIOS与CMOS 148
5.7 主板发展趋势 148
5.7.1 主板结构的新变化 148
5.7.2 主板总线速度的提升 149
5.7.3 主板超频稳定性能的成熟 149
5.7.4 主板安全稳定性能的增强 150
5.7.5 主板方便性能的提高 150
5.7.6 主板能源功能的改进 151
5.7.7 整合技术日新月异 152
本章小结 152
习题五 153
第6章 存储器 156
本章学习目标 156
6.1 存储器的概念、分类和要素 156
6.1.1 简介 156
6.1.2 半导体存储器的分类 157
6.1.3 选择存储器件的考虑因素 158
6.2 内存储器 161
6.2.1 随机读/写存储器（RAM）基本
结构 161
6.2.2 静态RAM（SRAM） 163
6.2.3 动态RAM（DRAM） 166
6.2.4 几种新型的RAM技术及芯片类型 168
6.3 高速缓冲存储器 169
6.3.1 高速缓冲存储器Cache的由来 169
6.3.2 Cache的命中率 169
6.4 只读存储器 170
6.4.1 掩膜式ROM 170
6.4.2 可编程的ROM 172
6.4.3 可擦除可编程的ROM 172
6.4.4 电可擦可编程的ROM 173
6.4.5 闪速存储器 174
6.5 IBM-PC/XT中的存储器、扩展存储器
及其管理 179
6.5.1 内存条的构成和空间的分配 179
6.5.2 ROM子系统 181
6.5.3 RAM子系统 183
6.5.4 存储器的管理 184
6.6 外存储器 186
6.6.1 软盘 186
6.6.2 硬盘 187
6.6.3 电子硬盘 188
6.6.4 光盘 189
6.6.5 移动存储器 191
6.6.6 网络存储 192
6.7 CPU与存储器的连接 193
6.7.1 CPU与存储器连接时应注意的问题 193
6.7.2 存储器片选信号的产生方式和译码
电路 193
6.7.3 CPU与存储器的连接 195
本章小结 200
习题六 201
第7章 中断系统 204
本章学习目标 204
7.1 中断系统基本概念 204
7.1.1 中断的概念和作用 204
7.1.2 中断的分类 205
7.2 中断的全过程 207
7.2.1 中断请求与中断屏蔽 208
7.2.2　中断识别与中断优先级的管理 210
7.2.3 中断服务的过程 213
7.3 中断向量及其操作 215
7.3.1 中断向量的设置 215
7.3.2 中断向量的修改 216
7.3.3 中断类型号的获取 217
7.4 Intel 8259A可编程中断控制器 217
7.4.1 8259A的框图和引脚 217
7.4.2 中断触发方式和中断响应过程 220
7.4.3 8259A工作方式 222
7.4.4 屏蔽中断源的方式 223
7.4.5 结束中断处理的方式 224
7.4.6 中断级联方式 225
7.4.7 8259A初始化命令字和操作方式
命令字 226
7.4.8 8259A在以80x86为CPU的计算
机中的应用 233
本章小结 235
习题七 236
第8章 微型计算机接口技术概述和直接
存储器访问 238
本章学习目标 238
8.1 微机接口的基础知识 238
8.1.1 微型计算机接口概念、类型及功能 238
8.1.2 I/O接口的编址方式 240
8.2 CPU和外部设备的数据传输方式及汇
编语言指令格式 243
8.2.1 程序控制方式 243
8.2.2 中断传送方式 246
8.2.3 直接存储器访问（DMA）方式 247
8.2.4 I/O处理机方式 247
8.3 输入/输出接口逻辑电路的地址译码 247
8.3.1 I/O端口地址译码 247
8.3.2 Intel CPU的I/O时序 251
8.3.3 I/O保护 251
8.4 DMA传送和DMA控制器8237 253
8.4.1 DMA概述 253
8.4.2 可编程DMA控制器Intel 8237 254
8.5 硬盘接口和常见微型计算机外部接口 267
8.5.1 常见微型计算机外部实用接口 267
8.5.2 硬盘接口 270
本章小结 274
习题八 274
第9章 并行通信及接口芯片 277
本章学习目标 277
9.1 并行通信的概念与简单并行接口 277
9.1.1 并行通信的概念 277
9.1.2 简单并行接口 277
9.1.3 简单并行口芯片8212 278
9.2 可编程并行接口芯片8255A 280
9.2.1 8255A的结构框图 280
9.2.2 8255A的控制字 282
9.3 并行接口芯片8255A应用举例 288
9.3.1 PC机系统板上的8255A 288
9.3.2 PC/XT机中的并行打印机接口电路 290
9.3.3 PC/XT机中的微型计算机与键盘
的接口 295
9.3.4 8255A与32位CPU连接 298
本章小结 300
习题九 300
第10章 串行数据接口 303
本章学习目标 303
10.1 串行通信概述 303
10.1.1 串行通信的概念 303
10.1.2 串行通信的连接方式 305
10.1.3 同步通信和异步通信 306
10.2 串行接口标准RS-232C和可编程串行
接口芯片8251A 308
10.2.1 串行接口标准RS-232C 308
10.2.2 一般串行通信接口常见的几种
连接方式 312
10.3 串行接口芯片 315
10.3.1 串行接口芯片UART和USART 315
10.3.2 可编程串行接口芯片8251A 315
本章小结 326
习题十 326
第11章 8253可编程定时计数器 328
本章学习目标 328
11.1 概述 328
11.1.1 8253的结构框图 328
11.1.2 8253的引脚 329
11.2 8253的编程控制字和工作方式 330
11.2.1 8253的控制字 330
11.2.2 8253的工作方式 331
11.2.3 8253的读操作 335
11.2.4 PC/XT机中8253的应用 336
本章小结 336
习题十一 336
第12章 数/模、模/数转换器及其与CPU的
接口 338
本章学习目标 338
12.1 数/模转换器及其与CPU的接口 338
12.1.1 D/A转换器的基本原理及其转换
特性 338
12.1.2 D/A芯片的性能参数和术语 339
12.1.3 DAC和微处理器接口中需要考虑
的问题 340
12.1.4 D/A芯片简介 340
12.1.5 DAC与微处理器接口实例 341
12.2 模/数转换器及其与CPU的接口 344
12.2.1 采样、量化和编码 344
12.2.2 A/D的性能参数和术语 345
12.2.3 A/D与CPU接口中应注意的问题 345
12.2.4 A/D芯片简介 346
12.2.5 A/D与微处理器接口实例 347
本章小结 348
习题十二 348
第13章 计算机体系结构和网络设备简介 350
本章学习目标 350
13.1 计算机网络概述 350
13.1.1 计算机网络简介 350
13.1.2 网络体系结构 354
13.1.3 网络地址 357
13.2 为主机入网和访问网络提供服务的
DHCP和DNS 360
13.2.1 DHCP服务器的作用及原理 361
13.2.2 DNS的作用及原理 364
13.3 常见网络设备 368
13.3.1 网卡 368
13.3.2 以太网中网卡的应用 370
13.3.3 集线器 372
13.3.4 交换机 373
13.3.5 路由器 374
本章小结 381
习题十三 381
附录1 虚地址保护方式详述 384
附录2 ASCII码表 416
附录3 Pentium指令系统一览表 417
附录4 DOS功能调用 423

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