计算机硬件技术基础（第2版）

本书以80X86系列计算机为背景，从软件开发和计算机应用的角度出发，将多门计算机硬件课程的核心内容融合到一起，全面、系统、深入地讲述计算机的硬件技术基础。本书不追求计算机硬件内部的设计细节，突出实用性和培养学生解决实际问题的能力。全书共10章，首先介绍计算机的运算基础和计算机中使用的主要数字逻辑部件，然后进一步讨论计算机系统的硬件组成和工作原理，包括CPU结构、指令系统、汇编语言程序设计、存储器系统和输入/输出系统，力求反映当前计算机硬件的*技术。本书内容新颖、丰富，深入浅出、易教易学，可作为软件工程、电子商务、信息管理、电子技术、通信、机械等专业计算机硬件技术相关课程的教材或参考书，也适合需要学习和了解计算机硬件知识的广大工程技术人员自学。

闫宏印，男，太原理工大学计算机学院教授，1984年起任教，曾3次获太原理工大学优秀教师称号，出版多部教材。

目 录

第1章 计算机系统概述 （1）
1.1 计算机发展概述 （1）
1.1.1 计算机的发展历史 （1）
1.1.2 微型计算机的发展 （2）
1.1.3 计算机的发展趋势 （2）
1.2 计算机系统的组成和工作原理 （4）
1.2.1 计算机的硬件 （4）
1.2.2 计算机的软件 （7）
1.2.3 计算机的硬件和软件的
关系 （9）
1.2.4 计算机的工作原理 （9）
1.3 计算机的性能指标 （11）
1.3.1 基本字长 （11）
1.3.2 存储容量 （11）
1.3.3 运算速度 （12）
1.3.4 系统可靠性 （13）
1.3.5 外设和软件的配置 （13）
习题1 （13）
第2章 计算机运算基础 （15）
2.1 带符号数的编码 （15）
2.1.1 原码 （15）
2.1.2 补码 （16）
2.1.3 反码 （18）
2.1.4 移码 （18）
2.1.5 4种机器码的比较 （18）
2.2 定点数据表示 （20）
2.2.1 定点整数表示 （20）
2.2.2 定点小数表示 （21）
2.2.3 无符号数表示 （22）
2.3 浮点数据表示 （22）
2.3.1 浮点数据表示的格式和
特点 （22）
2.3.2 浮点数的表示范围和
规格化 （23）
2.3.3 IEEE 754标准 （25）
2.3.4 浮点数表示和定点数表示的
比较 （26）
2.4 补码的加减运算及溢出判断 （26）
2.4.1 补码加法运算 （26）
2.4.2 补码减法运算 （27）
2.4.3 溢出判断 （28）
2.5 移位运算 （30）
2.5.1 算术移位 （30）
2.5.2 逻辑移位 （30）
2.6 浮点运算 （31）
2.6.1 浮点加减运算 （31）
2.6.2 浮点乘除运算 （32）
习题2 （33）
第3章 数字逻辑基础 （35）
3.1 逻辑代数的三种基本运算 （35）
3.1.1 逻辑与运算 （35）
3.1.2 逻辑或运算 （36）
3.1.3 逻辑非运算 （37）
3.2 逻辑代数的基本公式和运算
规则 （37）
3.2.1 逻辑代数的基本公式 （38）
3.2.2 逻辑代数的三个重要运算
规则 （39）
3.2.3 逻辑函数的化简 （40）
3.2.4 逻辑函数的变换 （42）
3.3 基本逻辑电路 （42）
3.3.1 基本门电路 （43）
3.3.2 复合门电路 （43）
3.3.3 三态门电路 （46）
3.4 组合逻辑电路 （47）
3.4.1 组合逻辑电路的分析与
设计 （47）
3.4.2 译码器 （48）
3.4.3 编码器 （49）
3.4.4 数据选择器 （49）
3.4.5 加法器 （50）
3.5 时序逻辑电路 （52）
3.5.1 时序逻辑电路的分析与
设计 （52）
3.5.2 触发器 （53）
3.5.3 寄存器 （55）
3.5.4 计数器 （55）
习题3 （57）
第4章 中央处理器 （59）
4.1 中央处理器的组成 （59）
4.1.1 运算器 （59）
4.1.2 控制器 （60）
4.1.3 寄存器组 （62）
4.2 8086 CPU （62）
4.2.1 8086 CPU的功能结构 （62）
4.2.2 8086 CPU的寄存器 （64）
4.2.3 8086 CPU的引脚信号及
功能 （67）
4.2.4 8086 CPU对存储器的
访问 （71）
4.3 现代CPU采用的新技术 （74）
4.3.1 流水线计算机 （74）
4.3.2 超标量计算机 （77）
4.3.3 向量计算机 （78）
4.3.4 多核计算机 （79）
4.3.5 超长指令字计算机 （80）
4.4 Pentium系列CPU （81）
4.4.1 Pentium系列CPU内部
结构 （82）
4.4.2 Pentium系列CPU的
特点 （83）
4.5 申威系列CPU及超级
计算机 （84）
4.5.1 申威26010 CPU （84）
4.5.2 超级计算机 （85）
习题4 （86）
第5章 指令系统 （88）
5.1 指令系统概述 （88）
5.1.1 指令的基本格式 （88）
5.1.2 指令的操作码 （89）
5.1.3 指令的地址码 （89）
5.2 80X86寻址方式 （90）
5.2.1 指令寻址 （90）
5.2.2 数据寻址 （91）
5.2.3 80X86寻址方式的特点 （93）
5.3 80X86 CPU的常用指令 （93）
5.3.1 数据传送指令 （94）
5.3.2 堆栈操作指令 （96）
5.3.3 输入/输出指令 （97）
5.3.4 算术运算指令 （98）
5.3.5 逻辑运算指令 （102）
5.3.6 移位运算指令 （104）
5.3.7 程序控制指令 （105）
5.3.8 其他指令 （112）
5.4 CISC和RISC （116）
5.4.1 计算机指令系统的发展 （117）
5.4.2 CISC技术 （118）
5.4.3 RISC技术 （118）
习题5 （119）
第6章 汇编语言程序设计 （122）
6.1 汇编语言概述 （122）
6.1.1 汇编语言程序的处理
过程 （122）
6.1.2 汇编语言语句的类型和
格式 （122）
6.1.3 汇编语言的数据项和
表达式 （123）
6.2 80X86汇编语言伪指令 （127）
6.2.1 数据定义伪指令 （127）
6.2.2 符号定义伪指令 （128）
6.2.3 段和过程定义伪指令 （129）
6.3 80X86汇编语言程序结构 （131）
6.3.1 顺序程序 （132）
6.3.2 分支程序 （134）
6.3.3 循环程序 （136）
6.3.4 子程序 （138）
6.4 系统功能调用和程序的动态
调试 （140）
6.4.1 系统功能调用 （140）
6.4.2 动态调试程序DEBUG （142）
习题6 （146）
第7章 存储系统 （149）
7.1 存储系统概述 （149）
7.1.1 存储器的分类 （149）
7.1.2 存储系统的层次结构 （151）
7.1.3 存储器的主要技术指标 （152）
7.2 随机存储器RAM （152）
7.2.1 静态MOS存储器 （153）
7.2.2 动态MOS存储器 （155）
7.3 只读存储器ROM （157）
7.3.1 掩模只读存储器 （157）
7.3.2 可编程只读存储器 （158）
7.3.3 可擦可编程只读存储器 （158）
7.3.4 闪存 （159）
7.4 主存储器容量的扩充 （161）
7.4.1 位扩展 （161）
7.4.2 字扩展 （162）
7.4.3 字位同时扩展 （163）
7.4.4 存储器模块 （164）
7.5 提高存储系统性能的技术 （165）
7.5.1 高速缓存 （166）
7.5.2 虚拟存储器 （170）
7.5.3 并行存储器 （171）
7.6 外存储器 （174）
7.6.1 硬盘存储器 （174）
7.6.2 光盘存储器 （178）
7.6.3 U盘存储器 （179）
7.6.4 固态硬盘存储器 （180）
习题7 （180）
第8章 总线技术 （183）
8.1 总线概述 （183）
8.1.1 总线的类型 （183）
8.1.2 总线的组成 （185）
8.1.3 总线的性能指标 （185）
8.2 总线的数据传送 （186）
8.2.1 总线数据传送的过程 （186）
8.2.2 总线数据传送的控制
方式 （187）
8.3 常见总线 （188）
8.3.1 总线标准 （188）
8.3.2 ISA总线和EISA总线 （189）
8.3.3 PCI总线 （189）
8.3.4 PCI Express总线 （192）
8.3.5 USB总线 （194）
8.4 主板 （196）
8.4.1 主板的结构 （196）
8.4.2 主板上的主要芯片 （197）
8.4.3 主板上的插座、插槽和外设
接口 （198）
习题8 （199）
第9章 输入/输出接口与中断技术 （201）
9.1 输入/输出接口概述 （201）
9.1.1 I/O接口的基本功能 （201）
9.1.2 I/O接口的类型 （202）
9.2 中断技术 （204）
9.2.1 中断概述 （204）
9.2.2 中断的过程 （206）
9.2.3 80X86中断系统 （210）
9.3 CPU与外设数据传送的
方式 （212）
9.3.1 程序查询传送方式 （213）
9.3.2 程序中断传送方式 （214）
9.3.3 DMA传送方式 （215）
9.4 可编程接口 （216）
9.4.1 可编程并行接口8255A （216）
9.4.2 可编程串行接口8251A （220）
9.4.3 可编程定时/计数器
接口8253 （225）
9.4.4 可编程中断接口8259A （228）
9.4.5 可编程模拟接口 （233）
习题9 （237）
第10章 常用外部设备 （239）
10.1 外部设备概述 （239）
10.1.1 外部设备的类型 （239）
10.1.2 外部设备的功能 （241）
10.1.3 外部设备发展趋势 （241）
10.2 输入设备 （242）
10.2.1 键盘 （242）
10.2.2 鼠标 （245）
10.2.3 触摸屏和触摸板 （246）
10.2.4 扫描仪 （247）
10.2.5 其他输入设备 （247）
10.3 输出设备 （248）
10.3.1 显示器 （249）
10.3.2 打印机 （252）
习题10 （254）
参考文献 （255）

前    言
计算机科学技术发展得非常快，旧的硬件技术不断被淘汰，而新的硬件技术不断出现，教材也要适应这种变化。本教材在版的基础上进行修订，根据计算机硬件技术的发展，对一些章节的内容进行了增删；根据版教材使用过程中发现的问题和使用教材的老师、同学的意见，对一些章节的内容进行了改写。
软件工程作为计算机学科中的一个重要组成部分，其鲜明的专业特色是以软件开发为主，这就决定了软件工程专业没有更多的时间、也没有必要学习和掌握计算机学科中所有的硬件技术系列课程的内容。但对于软件工程专业的学生来说，学习和掌握计算机硬件的基础知识、了解计算机硬件技术的发展，有益于软件的开发和应用，是十分重要和必要的。正是从这一目的出发，我们组织多年从事计算机硬件技术系列课程教学的教师，将多门计算机硬件课程的核心内容融合到一起，编写了本教材。本教材在编写时，充分考虑软件工程及相近专业教学的实际情况和读者自学的需要，力求概念清晰、准确，内容新颖、易教易学；不追求计算机硬件内部的设计细节，而强调实用性和培养学生解决实际问题的能力；从基本的计算机硬件概念知识讲起，深入浅出，循序渐进，使读者通过本书的学习，可全面、系统地掌握计算机硬件的基础知识。
全书共10章，内容涉及计算机学科硬件核心课程中的数字逻辑、计算机组成与结构、汇编语言程序设计、计算机接口技术等课程的内容，反映了计算机硬件的技术，符合软件工程等专业的教学要求。
第1章讲述计算机系统的基本组成和性能指标，使读者对计算机硬件系统有一个清晰的总体认识。第2章介绍计算机运算基础，讲述计算机中的定点数据和浮点数据表示，以及实现各种运算的原理。第3章介绍数字逻辑基础，讲述计算机中常用的组合逻辑电路和时序逻辑电路。第4章以典型CPU为例，讲述CPU的功能结构和工作原理，介绍CPU设计中使用的新技术。第5章以80X86指令系统为背景，讲述计算机的指令系统。第6章介绍汇编语言程序设计基础，讲述汇编语言的程序设计和调试方法。第7章讲述计算机的高速缓存、主存、外存的工作原理和构成层次结构存储系统的方法。第8章介绍计算机总线技术和常用的标准总线。第9章介绍计算机的中断技术和输入/输出接口。第10章介绍计算机的常用外部设备。
本书第1章由郭晓红编写，第2章由张兴忠编写，第3、7、8章由闫宏印编写，第4章由武淑红编写，第5、6章由赵涓涓编写，第9章由廖丽娟编写，第10章由林福平编写，全书由闫宏印策划、修改、统稿。在本书的编写过程中，得到了许多专家和太原理工大学软件学院领导的大力帮助和支持，也得到了电子工业出版社刘瑀老师和多位编辑的大力支持，在此表示衷心的感谢。
由于水平有限，书中难免存在错误和不妥之外，敬请各位读者提出宝贵的意见和建议，我们将不胜感激。

编  者