微机原理

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第1章数据在计算机中的运算与表示形式

1.1进位计数制

1.1.1进位计数制及其基数和权

1.1.2几种常用的进位计数制

1.2不同进位制数之间的转换

1.2.1二进制数转换为十进制数

1.2.2十进制数转换为二进制数

1.3二进制数的算术运算和逻辑运算

1.3.1二进制数的算术运算

1.3.2二进制数的逻辑运算

1.3.3移位运算

1.4数据在计算机中的表示形式

1.4.1机器数与真值

1.4.2常见的机器数表示形式

1.4.3数的定点表示与浮点表示

1.4.4二十进制编码

1.5二进制信息的计量单位

习题1

第2章计算机的基本结构与工作过程

2.1计算机的基本结构

2.1.1冯·诺依曼计算机基本结构

2.1.2计算机的基本组成框图及功能部件简介

2.2计算机的工作流程

2.2.1指令与程序

2.2.2计算机的基本工作流程

2.3计算机系统的组成

2.3.1硬件与软件

2.3.2计算机系统的基本组成

2.4微型计算机的分类及主要技术指标

2.4.1微型计算机的分类

2.4.2微型计算机的主要技术指标

2.5微型计算机的基本结构及系统组成

2.5.1微型计算机基本结构

2.5.2微型计算机的系统组成

习题2

第3章计算机的核心部件——微处理器

3.1微处理器的工作模式

3.1.1实模式

3.1.2保护模式

3.1.3虚拟8086模式

3.2微处理器的编程结构

3.2.1程序可见寄存器

3.2.280x86/Pentium处理器的寄存器模型

3.3微处理器的寻址机制

3.3.1存储器分段技术

3.3.2实模式下的存储器寻址

3.3.3堆栈

3.4微处理器的内部组成结构及相关技术

3.4.1总线接口单元

3.4.2指令Cache与数据Cache

3.4.3超标量流水线结构

3.4.4动态转移预测及转移目标缓冲器

3.4.5指令预取器和预取缓冲器

3.4.6指令译码器

3.4.7执行单元

3.4.8浮点处理单元

3.4.9控制单元

3.5微处理器的外部功能特性

3.5.1微处理器的外部引脚信号

3.5.2微处理器的总线时序

习题3

第4章寻址方式与指令系统

4.1寻址方式

4.1.1数据寻址方式

4.1.2转移地址寻址方式

4.2指令编码

4.2.1指令编码格式

4.2.2指令编码举例

4.38086指令系统

4.3.1数据传送指令

4.3.2算术运算指令

4.3.3逻辑运算与移位指令

4.3.4串操作指令

4.3.5转移指令

4.3.6处理器控制指令

4.480286~Pentium指令系统

习题4

第5章汇编语言的基本语法

5.1汇编语言的特点

5.2汇编语言程序结构和基本语法

5.2.1示例程序

5.2.2基本概念

5.2.3指令语句

5.2.4伪指令语句

5.2.5宏指令

5.2.6简化段定义

5.3ROM BIOS中断调用和DOS系统功能调用

5.3.1ROM BIOS中断调用

5.3.2DOS系统功能调用

5.4汇编语言程序的上机调试

5.4.1建立源文件

5.4.2汇编

5.4.3连接

5.4.4运行

5.4.5调试

习题5

第6章汇编语言程序设计及应用

6.1汇编语言程序设计的基本方法

6.1.1程序设计的基本步骤

6.1.2程序的基本结构形式

6.1.3子程序设计

6.2汇编语言的编程应用

6.2.1I/O与通信

6.2.2声音与时钟

6.2.3乐曲程序

6.2.4键盘I/O

6.2.5鼠标器编程

6.2.6图形显示

6.3Windows环境下汇编语言程序设计

6.3.1Windows API函数

6.3.2动态链接库

6.3.3指令集选择

6.3.4工作模式选择

6.3.5函数的原型定义

6.3.6Windows应用程序的基本结构框架

6.3.7Win32汇编语言应用程序实例

6.3.8MASM 32汇编与连接命令

6.4汇编语言与高级语言的混合编程

6.4.1内嵌汇编

6.4.2在C程序中直接调用汇编子程序

6.4.3汇编语言程序调用C函数

习题6

第7章存储器及其接口

7.1概述

7.1.1存储系统的层次结构

7.1.2内存储器的基本结构及其数据存储格式

7.2半导体存储器的结构及工作原理

7.2.1可读写存储器RAM

7.2.2只读存储器ROM

7.3存储器接口

7.3.1存储器接口中的片选控制

7.3.2存储器接口分析与设计举例

7.3.3双端口存储器

7.4高速缓存(Cache)

7.4.1Cache基本原理

7.4.2Cache的组织方式

7.4.3Cache的更新方式及替换算法

7.5虚拟存储器

7.5.1虚拟存储器的工作原理

7.5.280x86的虚拟存储技术

习题7

第8章I/O接口技术

8.1I/O接口概述

8.1.1I/O接口的基本功能

8.1.2I/O接口的基本结构

8.1.3I/O端口的编址方式

8.1.4I/O接口的地址译码及片选信号的产生

8.1.5I/O指令

8.2I/O控制方式

8.2.1程序控制方式

8.2.2中断控制方式

8.2.3DMA方式

8.3DMA技术

8.3.1DMA控制器的基本功能

8.3.2DMA控制器的一般结构

8.3.3DMA控制器的工作方式

8.3.4DMA工作过程

8.3.5可编程DMA控制器8237

8.4中断系统

8.4.1基本概念

8.4.280x86实模式的中断系统

8.4.3可编程中断控制器8259A

8.4.4中断服务程序设计

习题8

第9章并行通信及其接口电路

9.1可编程并行接口的组成及工作过程

9.1.1可编程并行接口的组成及其与CPU和外设的连接

9.1.2可编程并行接口的数据输入输出过程

9.2可编程并行接口8255A

9.2.18255A的性能概要

9.2.28255A芯片引脚分配及引脚信号说明

9.2.38255A内部结构框图

9.2.48255A的控制字

9.2.58255A的工作方式

9.2.68255A的状态字

9.2.78255A应用举例

习题9

第10章串行通信及其接口电路

10.1串行通信

10.1.1串行通信的特点

10.1.2串行通信涉及的常用术语和基本概念

10.2串行通信接口标准

10.2.1RS232C

10.2.2RS485

10.3可编程串行通信接口8251A

10.3.1USART

10.3.28251A的基本功能和工作原理

10.3.38251A的对外接口信号

10.3.48251A的编程

10.3.58251A应用举例

习题10

第11章计数/定时技术

11.1概述

11.2可编程计数器/定时器8253

11.2.18253的主要功能

11.2.28253的结构框图

11.2.38253的引脚

11.2.48253的工作方式

11.2.58253的初始化编程

11.2.68253的读出操作

11.38253的应用

习题11

第12章总线技术

12.1概述

12.1.1总线

12.1.2总线的分类

12.1.3总线标准

12.1.4总线仲裁

12.2PCI总线

12.2.1概述

12.2.2PCI总线的结构及特点

12.3USB总线

12.3.1USB概述

12.3.2USB的拓扑结构

12.3.3USB线缆及连接器

12.4高速总线接口IEEE 1394

12.5高速图形端口AGP

习题12

第13章高性能微处理器的先进技术及典型结构

13.1高性能微处理器所采用的先进技术

13.1.1指令级并行

13.1.2超标量技术

13.1.3超长指令字结构

13.1.4超级流水线技术

13.1.5RISC技术

13.2高性能微处理器举例

13.2.164位处理器Alpha 21064

13.2.2Itanium处理器——IA64架构的开放硬件平台

13.3多核处理器简介

13.3.1复杂单处理器结构所遇到的挑战

13.3.2多核处理器的出现

13.3.3多核处理器结构的主要特点

13.4现代PC主板典型结构

13.4.1芯片组、桥芯片及接口插座

13.4.2Pentium PC主板结构

13.4.3Pentium 4 PC主板的I/O组织结构

习题13

第14章嵌入式系统与嵌入式处理器

14.1嵌入式系统概述

14.1.1嵌入式系统简介

14.1.2嵌入式系统的组成

14.1.3嵌入式系统的分类

14.2嵌入式处理器

14.2.1ARM系列处理器

14.2.2Intel 8051系列微控制器

14.3ARM体系结构

14.3.1ARM处理器的工作状态

14.3.2ARM处理器的运行模式

14.3.3ARM处理器的内部寄存器

14.3.4ARM处理器的异常处理机制

14.4ARM指令系统

14.4.1ARM指令系统的主要特点

14.4.2ARM指令的基本格式

14.4.3ARM指令的寻址方式

14.4.4ARM指令简介

14.4.5ARM指令系统与Thumb指令系统的比较

14.5ARM汇编语言程序设计

14.5.1ARM伪操作

14.5.2ARM伪指令

14.5.3ARM汇编语言语句格式

14.5.4ARM汇编语言程序结构

14.5.5ARM汇编语言程序设计示例

习题14

附录ADOS功能调用(INT 21H)

附录BBIOS中断调用

附录C调试程序DEBUG的使用

部分习题参考答案

参考文献

前言



“微机原理”是高等学校理工科大学生的一门重要的计算机技术基础课程，也是理工科大学生学习和掌握计算机硬件技术基础、汇编语言程序设计及常用接口技术的入门课程。通过本课程的学习，学生可以从理论和实践上掌握计算机/微型计算机的基本组成和工作原理，建立微机系统整机概念，具备利用微机技术进行软、硬件开发的初步能力。学习本课程对于掌握现代计算机的基本概念和技术以及学习后续有关计算机课程(如计算机系统结构、操作系统、计算机网络、嵌入式系统等)均具有重要意义。本书是该课程使用的基本教材。
本书坚持“基础是根本”的教学理念，注重知识整合，精心选择课程的核心知识和关键技术。全书以80x86/Pentium 系列微型计算机为背景机，全面、系统地介绍现代微型计算机的基本结构、工作原理及典型接口技术。全书共分14章，从内容上可划分为4个知识单元：
(1) 计算机的基本结构及工作原理(第1、2、3、7章)；
(2) 指令系统及汇编语言程序设计(第4、5、6章)；
(3) I/O接口技术(第8、9、10、11、12章)；
(4) 高性能微处理器及嵌入式系统入门(第13和第14章)。
学习本书需要预先掌握数字电路及程序设计的一般知识。
本书可供60~70学时的课堂教学使用，有些章节的内容可根据不同的教学要求进行适当
取舍。每章后面列出的习题，主要供理解和复习本章基本内容使用，书后给出了部分习题的参考答案。
另外，鉴于“微机原理”课程是技术性、实践性较强的课程，因此在教学中应安排相应的实验及编程上机环节。教师可根据具体实验设备及上机条件，安排适当的接口实验及汇编程序上机内容。对于尚不具备专门的微机接口实验设备的教学环境，教师可结合PC上已配备的键盘、鼠标及显示器等基本I/O设备，组织相应的接口实验内容，如键盘输入、显示器输出编程、鼠标器编程等，以培养学生的I/O接口编程能力。关于这方面的内容，请参见第6章的介绍。
本书是在编者多年承担北京大学信息科学技术学院（计算机系、智能科学系、电子学系及微电子学系）本科生及北京大学理科实验班教学实践的基础上编写而成的，并参考和吸收了国外较新同类教材及国内兄弟院校优秀教材的有关内容，在此，特向有关作者一并致谢。
在本书的编写和出版过程中，承蒙北京大学信息科学技术学院及清华大学出版社的热情支持和指导，在此谨向他们表示衷心的感谢。
由于编者的水平所限，书中一定存在不少差错和疏漏，诚请广大读者及专家批评指正。
本书PPT课件及汇编程序上机工具包等课程教学资源可扫描前言下方二维码下载。
编者2020年5月于北京大学



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