计算机硬件技术基础

《计算机硬件技术基础》是面向理工科非电专业开设的一门计算机公共基础课程的配套教材，也是中国大学MOOC平台上*精品在线开放课程“计算机硬件技术基础”的配套教材,配套资源包括教学视频、PPT、教学实验案例及习题等。

《计算机硬件技术基础》共分为8章，以冯·诺依曼计算机模型作为教学起点。第1章介绍计算机的系统组成，包括物理组成和逻辑组成。第2章介绍计算机系统的运算功能，包括算术运算与逻辑运算。第3章介绍CPU的功能及组成，剖析了Intel 80×86、Pentium系列及Core系列微处理器的体系结构与关键技术，解析了8086/8088的编程结构、引脚信号与功能、系统工作模式、存储器与I/O组织以及系统的时序操作。第4章介绍处理器的指令系统及汇编程序，讲解了RISC和CISC两大指令集的派系、常用汇编指令及基本汇编程序设计方法。第5章介绍计算机系统中的存储器，按存储器的分级管理模式分别介绍半导体主存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器，并介绍了新的内存技术及外存技术的发展。第6章介绍计算机系统中的数据传送，包括输入/输出接口、数据传送方式，并详细介绍了计算机系统中的中断技术及中断控制器8259A。第7章介绍计算机系统中的定时计数装置8253，以及其内部结构、工作模式和其在计算机系统中的应用。第8章介绍接口芯片，讲解了各种接口技术及常用接口芯片。 通过对《计算机硬件技术基础》的学习，可以使学生从计算机的组成原理和系统结构角度，完整分析和说明计算机的工作过程，并编写出更加高效的程序，为分析、设计、开发和使用计算机系统奠定基础。

　　目    录

第1章  计算机系统组成 1
1.1  计算机的发展概况及应用领域 1
1.1.1  计算机的发展历史 1
1.1.2  CPU的发展与制造简介 3
1.1.3  计算机的应用领域 5
1.2  计算机系统的物理组成及特点 7
1.3  计算机系统的逻辑组成及特点 8
1.3.1  计算机系统的层次结构 8
1.3.2  冯·诺依曼体系结构 9
1.3.3  计算机系统的两大功能——
控制与运算 11
1.3.4  计算机程序的执行过程 12
1.4  计算机系统的主要性能指标 12
1.4.1  计算机的主要性能指标 12
1.4.2  CPU的主要性能指标 13
本章小结 15
复习思考题 15
第2章  计算机系统的运算功能 18
2.1  数值信息与文本信息的表示 18
2.1.1  计算机中常用的计数制 18
2.1.2  数值信息 21
2.1.3  文本信息 25
2.2  算术运算 28
2.2.1  进借位 28
2.2.2  溢出 29
2.3  逻辑运算 31
2.4  运算的电路实现 33
2.4.1  门电路 33
2.4.2  典型逻辑器件 35
本章小结 41
复习思考题 41
第3章  中央处理器 43
3.1  CPU的功能和组成 43
3.1.1  CPU的功能 43
3.1.2  CPU的内部组成 44
3.2  8086/8088的编程结构 47
3.2.1  执行单元 48
3.2.2  总线接口单元 49
3.3  Intel 80×86微处理器的演进之路 51
3.3.1  80286微处理器 51
3.3.2  80386微处理器 52
3.3.3  80486微处理器 53
3.3.4  Intel Pentium系列微处理器 55
3.3.5  Core系列处理器 58
3.4  Itanium 64位微处理器 58
3.5  8086/8088的寄存器 59
3.6  8086/8088 CPU的引脚及其功能 63
3.6.1  8086/8088的引脚信号 63
3.6.2  8086/8088的小模式 65
3.6.3  8086/8088的模式 69
3.7  8086/8088存储器组织与I/O组织 73
3.7.1  8086/8088的存储器组织 73
3.7.2  8086/8088的I/O组织 78
3.8  8086/8088的CPU时序 78
3.8.1  总线操作周期 78
3.8.2  总线读操作周期 79
3.8.3  总线写操作周期 82
3.8.4  空闲周期 84
3.8.5  中断响应周期 84
3.8.6  系统复位和启动 85
本章小结 86
复习思考题 87

第4章  处理器的指令系统与汇编
程序 90
4.1  指令集的派系 90
4.2  机器语言、汇编语言与高级语言
指令 92
4.3  汇编指令 93
4.3.1  汇编指令格式 94
4.3.2  操作数寻址方式 95
4.3.3  常用指令介绍 99
4.4  汇编语言程序设计 116
4.4.1  伪指令 116
4.4.2  操作数的基本组成 126
4.4.3  基本的结构化程序设计 129
本章小结 133
复习思考题 133
第5章  计算机系统中的存储器 135
5.1  概述 135
5.1.1  存储器的分类 136
5.1.2  存储器的主要性能指标 137
5.1.3  存储器的分层管理 138
5.2  半导体主存储器 140
5.2.1  半导体主存储器的组成
及单元结构 140
5.2.2  存储器的扩展 141
5.2.3  RAM和ROM 143
5.3  高速缓冲存储器 147
5.4  虚拟存储器 156
5.5  内存技术的发展 161
5.6  外存技术的发展 164
本章小结 169
复习思考题 169
第6章  计算机系统中的数据传送 172
6.1  输入/输出接口 172
6.1.1  输入/输出接口的概念
和基本功能 173
6.1.2  输入/输出端口及编址
方式 176
6.2  数据传送方式 177
6.2.1  无条件传送方式 177
6.2.2  软件查询传送方式 178
6.2.3  中断传送方式 180
6.2.4  DMA传送方式 183
6.2.5  I/O通道控制方式 185
6.3  数据传送的物理通路——总线 186
6.3.1  总线分类 187
6.3.2  三芯片结构和双芯片结构 188
6.4  中断技术 189
6.4.1  中断的基本概念 189
6.4.2  中断的工作过程 190
6.4.3  中断优先级及嵌套 192
6.4.4  8259A中断控制器简介 193
本章小结 202
复习思考题 202
第7章  可编程定时器/计数器8253 205
7.1  概述 205
7.1.1  定时/计数系统 205
7.1.2  定时/计数信号的产生
方法 206
7.2  可编程定时器/计数器的原理 207
7.2.1  可编程定时器/计数器内部
结构 207
7.2.2  8253的内部结构和引脚
信号 208
7.2.3  8253的控制寄存器和控制
字格式 212
7.2.4  8253的初始化编程原则 213
7.3  8253的工作模式 215
7.4  8253的基本应用 220
本章小结 224
复习思考题 224
第8章  接口芯片 226
8.1  常见外部接口 226
8.1.1  数字接口和模拟接口 226
8.1.2  串行接口与并行接口 228
8.1.3  物理标准接口 229
8.2  串行通信与串行接口芯片 230
8.2.1  串行通信 231
8.2.2  串行通信接口 237
8.2.3  串行接口芯片8251A 239
8.3  并行通信与并行接口芯片 255
8.3.1  并行通信和并行接口 255
8.3.2  8255A的内部结构和引脚
信号 257
8.3.3  8255A控制字 259
8.3.4  8255A的工作模式 262
8.3.5  8255A的应用 273
8.4  模拟信号的输入与输出 279
8.4.1  概述 279
8.4.2  A/D转换器 280
8.4.3  D/A转换器 289
本章小结 297
复习思考题 297
参考文献与链接 299
　　
　　
　　

前    言
　　《计算机硬件技术基础》是面向理工科非电专业开设的一门计算机公共基础课程的配套教材，也是中国大学MOOC平台上精品在线开放课程“计算机硬件技术基础”的配套教材，主要讨论单机系统范围内计算机各部件的组成及其内部工作机制。通过学习，学生将了解计算机各大部件的工作原理、组成方法以及相互关系，掌握计算机系统的层次化结构概念，熟悉典型的计算机结构，理解硬件与软件直接的接口界面，终建立起计算机系统的整机概念，为后续的学习提供硬件方面的基础知识。
　　本书定位准确、内容先进，结构严谨、特色突出，条理清晰、实用性强，选材精练、篇幅适中。
　　本书由柳秀梅副教授担任主编，徐彬、张昱、张恩德、李封、焦明海担任副主编。其中，第1、2章由李封编写，第3章由徐彬编写，第4章由张昱编写，第5、7章由柳秀梅编写，第6章由焦明海编写，第8章由张恩德编写。柳秀梅、张恩德负责全书的统稿。在此对参与编写及出版的各位老师表示深切谢意。
　　本书为立体化教材，提供配套教学视频、PPT、教学实验案例及习题，请在中国大学MOOC平台“计算机硬件技术基础”(https://www.icourse163.org/course/NEU-1002125002)课程网站查看下载。由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请读者给予指正。
　　
　　
　　编  者