本书是在《计算机硬件技术基础》的基础上编著出版的“十一五”国家级规划教材。
本书内容的选取以教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导分委员会“十五”期间发布的“白皮书”中关于计算机硬件技术基础的“较高要求”为主要依据,同时充分体现了作者多年来的课程教学改革经验。全书以目前流行的Pentium系列PC为切入点,首先较系统地介绍了现代高档微机系统及其各大组成部分的硬件结构与工作原理,以及汇编级指令系统和应用编程,然后着重介绍了几种典型的可编程接口芯片和一些常用外设、多媒体设备、模拟I/O器件及其接口。
本书非常适合作为电子信息类、自动化类和机电/光电控制类等理工科专业的本科生教材,对其他专业、其他层次的学生和广大从事计算机应用系统研制开发的工程技术人员则是一本很好的、既先进又实用的参考书。
本书最初是以“九五”期间本人编著的国家教委工科计算机基础课程统编示范性教材《计算机硬件技术基础》为基础,依据教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程“教指委”“十五”期间发布的“白皮书”中关于计算机硬件技术基础的“较高要求”,作为清华大学出版社“新坐标大学本科电子信息类专业系列教材”的项目之一而编写的。在即将出版时,以本书稿做成的讲义,申报“十一五”国家级规划教材获得评审通过,于是我们又对它进行了再次修改。
本书编写的主要指导思想之一,是更好地处理先进性和教学适用性的关系,既尽量反映国内外计算机系统及其接口技术发展的最新水平与趋势,又重视遵循教学规律,更好地体现“基础性、系统性、实用性和先进性”的统一; 主要指导思想之二,是努力体现素质教育与创新教育的思想,注重理论与实践的结合,原理、技术与应用的结合,硬件与软件的结合,将大量科研经验和应用实例融会于基础知识说明中,以更好地支持案例教学,培养和开发学生的创新思维和分析解决实际问题的能力; 主要指导思想之三,是紧紧抓住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,坚持“淡内强外”的原则,即无论对微型计算机还是各种外围芯片、外部设备,都应适当淡化内部原理,而强化外部接口及应用,着重介绍外设、外围芯片与CPU的接口原理、方法,以及如何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。总之,在编写过程中认真贯彻了我们在多年教学改革和教学实践中形成的“围绕一条主线(以微型计算机系统及其各大组成部分的硬件结构及工作原理为主线),突出两个结合(硬件与软件结合,理论与实践结合),狠抓三个基本(基本概念、基本原理、基本技能),坚持淡内强外(淡化内部原理,强化外部接口及应用),锐意改革创新,注重教学实效”的课程教学理念。
本书以目前流行的Pentium系列PC为切入点,介绍现代高档微机系统的硬件结构及其蕴涵的先进计算机技术,旨在体现整体内容的先进性和实用性。但是,由于Pentium系列PC毕竟是在8086 PC的基础上一步步发展而来的,所以Pentium系列处理器与其前辈处理器一样,均内含一种8086实地址操作模式,从而向上保持了与8086处理器的兼容性,以此为核心构建的各类Pentium系列PC也一如既往地遵循了PC/AT时代形成的AT技术标准,因此在介绍计算机各大组成部分原理与接口技术时,实际上仍主要基于8086 CPU和PC/AT进行。如指令系统,仍主要讲述整数运算指令,而基本不讲浮点运算指令; 可编程接口芯片,仍只讲8259、8255、8254、8250等PC/AT中看得见、摸得着的芯片,而不讲将它们甚至更多功能集于一身的更大规模集成芯片。我们认为,这样处理可能更有利于阐明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。
本书是在原全国统编教材《计算机硬件技术基础》的基础上改写而成的。邹逢兴任主编,提出了全书编写指导思想和三级目录。全书共分10章,第1章介绍微机系统基本组成原理; 第2~6章分别介绍微机四大组成部分——微处理器、存储器、I/O接口和总线,以及指令系统及应用编程; 第7章介绍几种典型可编程接口芯片; 第8~10章则分别介绍常用外设、模拟器件、多媒体设备及其接口。其中第1章、第6章、第9章和第10章由邹逢兴编写,第2~5章由陈立刚编写,第7章和第8章由邹逢兴和李春一起编写,全书由邹逢兴统稿。全书编写过程中,得到本单位胡德文、郑志强、李云钢、李杰、徐晓红、李治斌、薛小波、滕秀梅、李红等同事的大力支持和帮助; 本书从策划立项到编辑出版,中国科学技术大学的刘振安教授和清华大学出版社的有关人员付出了大量心血。在此,对他们一并表示衷心感谢!
书中错误之处,敬请读者、专家及时指正。
邹逢兴〖〗2007年1月于国防科大
第1章微型计算机系统基本组成原理
1.1微型计算机系统组成结构
1.1.1总的系统结构
1.1.2各大组成部分概述
1.2 微型计算机的算术运算基础
1.2.1计算机中数的表示方法
1.2.2计算机中有符号数的运算
1.2.3计算机中无符号数的运算
1.2.4计算机中的乘除法运算
1.3微型计算机基本工作原理
1.3.1计算机工作的实质
1.3.2指令与程序的概念
1.3.3指令与程序的执行过程
1.4目前主流微机系统的硬件配置与主板结构
1.4.1主流系统配置
1.4.2主板结构及其芯片组
1.5微机系统的性能指标和专业术语
1.5.1主要性能指标
1.5.2常用专业技术术语
思考题与习题1
第2章微处理器和指令系统
2.1Intel 系列微处理器概述
2.28086/8088微处理器
2.2.1内部结构
2.2.2指令流水线和存储器分段管理机制
2.3Pentium 微处理器
2.3.1内部结构与外部引脚
2.3.2内部寄存器
2.3.3Pentium 的工作方式
2.4Pentium 微处理器指令系统
2.4.1基本数据类型
2.4.2操作数寻址方式
2.4.3Pentium 指令系统概述
2.4.4数据传送类指令
2.4.5算术运算类指令
2.4.6逻辑运算和移位指令
2.4.7串操作类指令
2.4.8控制转移类指令
2.4.9其他指令
思考题与习题2
第3章汇编语言及编程
3.1汇编语言程序结构与汇编语句
3.1.1源程序结构
3.1.2汇编语言的语句
3.2伪指令语句
3.2.1程序结构伪指令语句
3.2.2符号定义伪指令
3.2.3数据定义伪指令
3.2.4过程与宏定义伪指令
3.2.5其他伪指令
3.3汇编语言编程环境
3.3.1源程序编辑
3.3.2源程序汇编
3.3.3目标文件连接
3.3.4调试与运行
3.4DOS/BIOS 功能调用
3.4.1概述
3.4.2DOS 功能调用
3.4.3BIOS 功能调用
3.5三种基本结构程序的设计
3.5.1顺序结构程序设计
3.5.2分支结构程序设计
3.5.3循环结构程序设计
3.6子程序设计与调用
3.6.1主程序与子程序的接口
3.6.2主程序与子程序间的参数传递3.7实用程序设计举例
思考题与习题3
第4章总线和总线技术
4.1总线与总线操作
4.1.1总线及总线信号分类
4.1.2总线操作及控制
4.1.3总线的主要性能指标
4.2总线操作控制
4.2.1总线仲裁控制
4.2.2总线握手控制
4.2.3Pentium 处理器的总线操作时序
4.3目前主流微机系统中的常用总线标准
4.3.1标准总线概述
4.3.2ISA 总线
4.3.3PCI 总线
4.3.4USB 总线
4.3.5IEEE 1394总线
4.3.6SCSI 总线
4.3.7AGP 总线
思考题与习题4
第5章存储器
5.1现代高档微机系统的存储器体系结构
5.1.1分级存储器结构
5.1.2虚拟存储器结构
5.2半导体存储器的分类与选用原则
5.2.1半导体存储器的分类
5.2.2半导体存储器的选用原则
5.3存储器芯片与存储条的接口特性
5.3.1各类存储器芯片的接口共性
5.3.2DRAM芯片与存储条的接口特性
5.4主存储器系统的构成原理
5.4.1存储器结构的确定
5.4.2存储器芯片的选配
5.4.3存储器接口的设计
5.5高速缓冲存储器基本原理
5.5.1cache 的基本结构和工作原理
5.5.2cache 与内存的映像关系
5.5.3cache 的读/写操作
5.6外存储器
5.6.1硬盘
5.6.2移动硬盘
5.6.3U 盘
5.7虚拟存储器管理机制
5.7.1分段分页管理机制
5.7.2虚拟地址向物理地址的转换原理
5.7.3保护机制
思考题与习题5
第6章I/O接口
6.1I/O 接口的基本功能与结构
6.1.1接口的基本功能
6.1.2接口的基本结构和典型结构
6.2I/O 端口的编址方式
6.2.1存储器映像方式
6.2.2隔离I/O方式
6.2.3Intel系列处理器I/O编址方式
6.3I/O 同步控制方式
6.3.1程序查询式控制
6.3.2中断驱动式控制
6.3.3DMA 式控制
6.3.4延时等待式控制
6.4I/O 接口中的中断技术
6.4.1中断的基本概念与分类
6.4.2中断优先级与中断嵌套
6.4.3中断响应条件
6.4.4中断服务判决
6.4.5中断处理过程
6.5I/O接口中的DMA技术
6.5.1DMA操作的一般过程
6.5.2DMA操作控制器
6.6I/O 接口中的数据缓存技术
6.6.1单级数据缓存器
6.6.2FIFO多级数据缓存器
6.6.3双口SRAM批量数据缓存器
6.7接口的分类
6.7.1不同外设性质的接口
6.7.2并行与串行接口
6.7.3可编程与不可编程接口
思考题与习题6
第7章典型可编程接口芯片及应用
7.1可编程中断控制器芯片8259
7.1.1基本功能
7.1.2内部结构与外部引脚
7.1.3中断工作过程
7.1.4端口寻址与读/写控制
7.1.5命令字格式与编程
7.1.68259在PC系列机中断系统中的应用
7.2可编程定时器/计数器芯片8254
7.2.1基本功能
7.2.2内部结构与外部引脚
7.2.3端口寻址与读/写控制
7.2.46种工作方式
7.2.5应用编程
7.2.68254在PC系列机定时系统中的应用
7.3可编程并行接口芯片8255
7.3.1基本功能
7.3.2内部结构与外部引脚
7.3.3端口寻址与读/写控制
7.3.4控制字格式与编程
7.3.5三种工作方式
7.4可编程串行接口芯片INS 8250
7.4.1基本功能
7.4.2内部结构与外部引脚
7.4.3端口寻址与读/写控制
7.4.4初始化与应用编程
7.4.58250在PC系列机串行接口中的应用
7.5可编程DMA控制器芯片8237
7.5.1基本功能
7.5.2内部结构与外部引脚
7.5.3端口寻址与读/写控制
7.5.4初始化编程
7.5.58237在 PC系列机中的应用
思考题与习题7
第8章常用交互设备及接口
8.1键盘及其接口
8.1.1键盘概述
8.1.2非编码键盘的接口功能
8.1.3行/列扫描式键盘接口方法
8.1.4PC 系列机键盘及接口
8.2显示器及其接口
8.2.1显示器概述
8.2.2显示器一般接口方法
8.2.3PC 系列机显示适配器
8.3打印机及其接口
8.3.1打印机及其控制原理
8.3.2Centronics 并行接口标准
8.3.3并行打印机接口方法
8.4鼠标器及其接口
8.4.1鼠标器概述
8.4.2鼠标器接口
8.5扫描仪及其接口
8.5.1扫描仪概述
8.5.2扫描仪接口
8.6网络接入设备及其接口
8.6.1一般局域网适配器——网卡
8.6.2一般广域网适配器——调制解调器
思考题与习题8
第9章模拟I/O 器件及接口
9.1D/A与A/D 转换器原理
9.1.1D/A 转换器原理
9.1.2A/D 转换器原理
9.1.3D/A、A/D 转换器主要性能指标
9.2典型D/A与A/D转换器集成芯片
9.2.1典型D/A转换器芯片
9.2.2典型A/D转换器芯片
9.3D/A、A/D 转换器与MPU的接口
9.3.1DAC芯片与MPU 的接口技术
9.3.2ADC 芯片与MPU的接口技术
9.4模拟I/O通道
9.4.1模拟输入通道的结构形式
9.4.2模拟输出通道的结构形式
9.4.3模拟多路开关与采样保持器
思考题与习题9
第10章多媒体设备及接口
10.1多媒体计算机系统概述
10.1.1多媒体和多媒体技术
10.1.2多媒体计算机系统及其基本组成
10.1.3典型多媒体计算机系统
10.2声频设备及其接口
10.2.1主要声频设备
10.2.2声频接口一般原理
10.2.3目前流行声卡的功能、结构及性能
10.3视频设备及其接口
10.3.1视频概述
10.3.2主要视频设备
10.3.3视频接口一般原理
10.3.4目前流行视频卡的功能、结构及性能
10.4光盘存储器及其接口
10.4.1光盘存储器及其分类
10.4.2光驱的组成结构及工作原理
10.4.3光驱的性能指标
10.4.4光驱的接口
思考题与习题10参考文献