本书以当前国内外广泛使用的16/32/64位微处理器为背景,追踪主流系列高性能微机的技术发展方向,抓住关键技术发展的主线,全面、系统、深入地讨论了计算机的基础知识、微处理器系统结构与技术、指令系统与汇编语言程序设计、存储器系统、浮点部件、输入输出与中断技术、常用可编程接口芯片、主板及其I/O接口、多媒体外部设备及接口卡,其中包括受到普遍关注的嵌入式计算机系统基础知识及多媒体技术基础等内容。
本书结构新颖,内容先进,实用性强,便于教学和自学。它可以作为高等学校非计算机专业特别是非机电类专业的教材和成人高等教育的培训教材、自学读本,也可供广大科技工作者参考。
计算机硬件技术基础(第2版)《计算机硬件技术基础》教材于2007年2月出版后,受到许多普通高等院校和军事院校的好评与选用,并被评为2008年度“十一五”国家级规划教材的精品教材。
根据普通高等教育“十二五”规划教材的申报条件与要求,并参照中国高等院校计算机基础教育改革课题研究组对计算机基础教育课程体系2006的设计要点,以及在教材使用中所获得的反馈信息,特对原教材做进一步精细增补、删减与修改(如由原9章增加为10章等),使修订的教材能迅速跟进计算机硬件技术的最新发展(如Pentium 4后系列、嵌入式系统等),进一步满足对教材实用性的需求(如主板技术、多媒体外设等),便于教学选材。
本次再版修改的主要内容包括以下4方面:
(1) 增补或修改“浮点部件”、“主板及其I/O接口”和“多媒体外部设备及接口卡”3章,以及“存储管理技术”、 "Pentium 4 微处理器及其主要性能指标简介”、“高速缓存cache”等多节内容。
(2) 删除“新一代64位微处理器--Itanium" 、“时钟发生器8284A" 、 "Pentium 4微机系统组成原理”、“中断服务子程序设计”和附录A (80286~Pentium系列微处理器的指令系统)等。
(3) 优化或精简“微型计算机系统的组成”、“微机硬件系统结构基础”、“微处理器的结构概述”(如80286、80386、80486 CPU) 、“内存的技术发展”以及“外部存储器”和“现代主流微型计算机硬件技术的发展”等内容与结构。
(4) 进一步贯彻“少而精”和文图创新原则(如Pentium 4 CPU的内部功能结构框图、Pentium超标量流水线分级结构组成的图解、显示系统的基本工作过程示意图等).
本教材的主要特点如下:
(1) 定位准确,内容先进。本教材定位在高校本科非计算机专业,特别是兼顾非机电类各专业的层面上。根据多年来对国内外计算机硬件技术及其相关教材发展演变的动态跟踪与改革趋势分析,对教材编著模式与内容做了重要的更新,不仅适应于计算机硬件教学与科研的需要,也体现了先进性与实用性相结合的现代化教材改革方向。
(2) 结构严谨,特色突出。结构符合中国高等院校计算机基础教育课程体系2006的设计要求,同时还兼顾了硬件技术的最新发展;反映了8086~Pentium系列微处理器结构、编程及接口的主流模式,将16位与32位和最新的Pentium 4系列及硬件技术的最新发展有机地结合起来。
(3) 条理分明,实用性强。本书保持“以16位机为基础、追踪32位和64位主流系列高性能微型计算机的技术发展方向”这一基本特色,抓住计算机硬件关键技术发展的主线,使教材做到全局优化、基础扎实、更新迅速、实用性强。
(4) 选材精练,篇幅适中。进一步贯彻“少而精”的原则,文字流畅,深入浅出,有利于教师将微机硬件知识的精华在有限时间里教给学生。
计算机硬件技术基础(第2版)本书共分10章。第1章为计算机的基础知识,描述计算机的组成与工作原理以及计算机的运算基础。第2章为微处理器系统结构与技术,主要介绍CISC与RISC技术、典型的16位与80x86 32位微处理器的系统结构、Pentium的体系结构与技术特点、Pentium系列及相关技术的发展。第3与第4章分别介绍典型的和应用普遍的Intel系列微处理器的指令系统和CPU的扩展指令集以及汇编语言程序设计基础。第5章为存储器系统,在介绍传统存储器系统及其接口的基础上,对高速缓存cache技术、内存的技术发展、外部存储器、存储器分层结构等都有精辟的解析。第6章为浮点部件,在简要介绍80x86微处理器的浮点部件的基础上,主要介绍Pentium微处理器的浮点部件及其流水线操作。第7章为输入输出与中断技术,对中断响应过程进行了清晰的解析。第8章为可编程接口芯片,较详尽地分析了8253、8255、8250、0809、0832等芯片。第9章为主板及其I/O接口,介绍了主板设计中的一些技术特点,主板上的芯片组、多种插槽以及主板的I/O接口。第10章为多媒体外部设备及接口卡,介绍常见的多媒体输入输出设备和接口卡。
本书由李继灿教授主编,负责全书的大纲拟定、编著与统稿。长江大学计算机科学学院沈疆海副教授参与了有关存储器、微处理器以及习题等部分章节内容的修订;长江大学工程技术学院郭麦成教授对本书结构优化和内容精选提出了宝贵建议,并参与了汇编程序设计部分内容的文字加工;重庆理工大学电子学院张红民教授参与了有关总线等部分内容的文字加工;李爱珺女士参与了主板及其I/O接口和多媒体外部设备及接口卡等部分内容的文字加工。
本次修改的教材,既能与原“十一五”国家级精品教材很好地衔接,也能及时同步跟进计算机硬件技术的更新。诚恳期待使用本教材的广大师生和读者提出宝贵的意见和建议,以使本教材质量不断提高。
李继灿2010年12月
计算机硬件技术基础(第2版)第1章 计算机的基础知识1
1.1 计算机发展概述1
1.1.1 计算机的发展简史1
1.1.2 计算机的分类1
1.1.3 计算机的应用2
1.1.4 微处理器的发展简史与现状3
1.1.5 微型计算机的分类4
1.1.6 微型计算机硬件技术发展的特点与趋势5
1.2 微型计算机系统的组成6
1.3 微机硬件系统结构基础7
1.3.1 总线结构简介8
1.3.2 微处理器模型的组成10
1.3.3 存储器概述12
1.3.4 输入输出I/O接口概述14
1.4 微机的工作原理与程序执行过程14
1.5 计算机的运算基础20
1.5.1 二进制数的运算20
1.5.2 数制转换综合表示法24
1.5.3 二进制编码(代码)25
1.5.4 数的定点与浮点表示27
1.5.5 带符号数的表示法29
1.5.6 补码的加减法运算31
1.5.7 溢出及其判断方法32
本章小结33
习题134第2章 微处理器系统结构与技术36
2.1 CISC与RISC技术37
2.2 8086/8088微处理器38
2.2.1 8086/8088 CPU的内部功能结构38
2.2.2 8086/8088的编程结构39
2.2.3 总线周期的概念43
2.2.4 8086/8088微处理器的引脚信号与功能44
2.3 8086/8088系统的工作模式47
2.3.1 最小模式操作47
2.3.2 最大模式操作49
2.4 8086/8088的存储器及I/O组织51
2.4.1 存储器组织51
2.4.2 存储器的分段53
2.4.3 实际地址和逻辑地址53
2.4.4 堆栈54
2.4.5 “段加偏移”寻址机制允许重定位55
2.4.6 I/O组织55
计算机硬件技术基础(第2版)目录2.5 80x86微处理器56
2.5.1 80286微处理器56
2.5.2 80386微处理器57
2.5.3 80486微处理器59
2.6 Pentium微处理器61
2.6.1 Pentium的体系结构61
2.6.2 Pentium体系结构的技术特点62
2.7 Pentium系列微处理器及相关技术的发展64
2.7.1 Pentium II微处理器64
2.7.2 Pentium III微处理器64
2.7.3 Pentium 4微处理器简介65
2.7.4 Pentium 4 CPU系列的主要性能指标69
2.7.5 现代微处理器采用的新技术简述71
2.8 嵌入式计算机系统的应用与发展73
2.8.1 嵌入式计算机系统概述73
2.8.2 嵌入式计算机体系结构的发展74
2.8.3 自主计算的MPP体系结构75
2.8.4 自然计算的MPP体系结构76
本章小结76
习题278第3章 微处理器的指令系统81
3.1 8086/8088的寻址方式81
3.1.1 数据寻址方式82
3.1.2 程序存储器寻址方式87
3.1.3 堆栈存储器寻址方式87
3.1.4 其他寻址方式88 3.2 数据传送类指令88
3.2.1 通用数据传送指令88
3.2.2 目标地址传送指令92
3.2.3 标志位传送指令94
3.2.4 I/O数据传送指令94
3.3 算术运算类指令96
3.3.1 加法指令96
3.3.2 减法指令99
3.3.3 乘法指令101
3.3.4 除法指令103
3.3.5 十进制调整指令104
3.4 逻辑运算和移位循环类指令107
3.4.1 逻辑运算指令107
3.4.2 移位指令与循环移位指令107
3.5 串操作类指令108
3.5.1 MOVS目标串,源串109
3.5.2 CMPS目标串,源串110
3.5.3 SCAS目标串110
3.5.4 LODS源串111
3.5.5 STOS目标串111
3.6 程序控制类指令112
3.6.1 无条件转移指令112
3.6.2 条件转移指令115
3.6.3 循环控制指令117
3.6.4 中断指令118
3.7 处理器控制类指令119
3.7.1 对标志位操作指令119
3.7.2 同步控制指令119
3.7.3 其他控制指令120
3.8 CPU指令集121
本章小结122
习题3124第4章 汇编语言程序设计128
4.1 程序设计语言概述128
4.2 8086/8088汇编源程序129
4.2.1 8086/8088汇编源程序实例129
4.2.2 8086/8088汇编语言语句的类型及格式130
4.3 8086/8088汇编语言的数据项与表达式132
4.3.1 常量132
4.3.2 变量132
4.3.3 标号133
4.3.4 表达式和运算符133
4.4 8086/8088汇编语言的伪指令136
4.4.1 数据定义伪指令136
4.4.2 符号定义伪指令139
4.4.3 段定义伪指令140
4.4.4 过程定义伪指令143
4.5 8086/8088汇编语言程序设计基本方法143
4.5.1 顺序结构程序 143
4.5.2 分支结构程序146
4.5.3 循环结构程序147
4.5.4 DOS及BIOS中断调用149
本章小结160
习题4161第5章 存储器系统166
5.1 存储器的分类与组成166
5.1.1 半导体存储器的分类166
5.1.2 半导体存储器的组成167
5.2 随机存取存储器169
5.2.1 静态随机存取存储器169
5.2.2 动态随机存取存储器173
5.3 只读存储器175
5.3.1 只读存储器存储信息的原理和组成175
5.3.2 只读存储器的分类176
5.3.3 常用ROM芯片举例177
5.4 存储器的扩充及其与CPU的连接179
5.4.1 存储器芯片的扩充技术179
5.4.2 存储器与CPU的连接181
5.5 高速缓存cache184
5.5.1 高速缓存的工作原理184
5.5.2 高速缓存分级结构185
5.6 内存的技术发展187
5.7 外部存储器189
5.7.1 硬盘189
5.7.2 光驱驱动器193
5.8 存储器系统的分层结构195
本章小结196
习题5197第6章 浮点部件199
6.1 80x86微处理器的浮点部件概述199
6.1.1 iAPx86/88系统中的协处理器199
6.1.2 80387/80486系统中的浮点部件201
6.2 Pentium微处理器的浮点部件202
本章小结204
习题6204第7章 输入输出与中断技术205
7.1 输入输出接口概述205
7.1.1 CPU与外设间的连接205
7.1.2 接口电路的基本结构206
7.2 CPU与外设数据传送的方式207
7.2.1 程序传送207
7.2.2 中断传送213
7.2.3 直接存储器存取传送214
7.3 中断技术215
7.3.1 中断概述215
7.3.2 中断源的中断过程216
7.4 8086/8088的中断系统和中断处理219
7.4.1 8086/8088的中断系统219
7.4.2 8086/8088的中断处理过程225
7.4.3 中断响应时序228
7.5 中断控制器8259A229
7.5.1 8259A的引脚与功能结构229
7.5.2 8259A内部结构框图和中断工作过程230
7.5.3 8259A的工作方式233
7.5.4 8259A的控制字格式236
7.5.5 8259A应用举例241
本章小结242
习题7243第8章 可编程接口芯片246
8.1 接口的分类及功能246
8.2 可编程计数器/定时器8253-5247
8.2.1 8253-5的引脚与功能结构247
8.2.2 8253-5的内部结构和寻址方式248
8.2.3 8253-5的工作方式及时序关系249
8.2.4 8253-5应用举例252 8.3 可编程并行通信接口芯片8255A253
8.3.1 8255A芯片引脚定义与功能253
8.3.2 8255A寻址方式256
8.3.3 8255A的控制字256
8.3.4 8255A的工作方式258
8.3.5 8255A的时序关系264
8.3.6 8255A的应用举例266
8.4 可编程串行异步通信接口芯片8250268
8.4.1 串行异步通信规程268
8.4.2 8250芯片引脚定义与功能269
8.4.3 8250芯片的内部结构和寻址方式270
8.4.4 8250内部控制状态寄存器的功能及其工作过程272
8.4.5 8250通信编程276
8.5 数/模与模/数转换接口芯片278
8.5.1 DAC 0832数/模转换器279
8.5.2 ADC 0809模/数转换器283第9章 主板及其I/O接口292
9.1 主板概述292
9.1.1 主板的板型结构293
9.1.2 主板设计中的一些技术特点294
9.2 主板芯片组296
9.2.1 芯片组概述296
9.2.2 芯片组举例297
9.3 主板上的插座、插槽与外部接口299
9.3.1 CPU插座299
9.3.2 总线扩展槽301
9.3.3 内存条插槽302
9.3.4 主板上的功能芯片303
9.3.5 主板的I/O接口304
本章小结307
习题9307第10章 多媒体外部设备及接口卡308
10.1 输入设备308
10.1.1 字符输入设备--键盘308
10.1.2 图形输入设备310
10.1.3 图像输入设备312
10.1.4 智能输入装置317 10.2 图形图像输出设备318
10.2.1 显示器318
10.2.2 打印机320
10.3 输入输出复合设备321
10.3.1 传真机321
10.3.2 多功能一体机322
10.4 显卡323
10.4.1 显卡的分类323
10.4.2 显卡内部结构324
10.4.3 显卡的性能参数326
10.5 声卡327
本章小结328
习题10329附录A 软件调试技术330
A1 调试软件DEBUG330
A2 软件调试基本方法332参考文献333