本书是由教育部非计算机专业计算机基础课程教学指导委员会推荐的计算机基础课程系列教材之一，可作为高等学校理工科类个专业的本科生和研究生教材。

本书是面向2l世纪课程教材、教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导委员会推荐教材。  本书是在第一版的基础上，根据近几年来计算机及其应用技术的新发展，以及教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导委员会新发布的"白皮书"精神和课程教学基本要求，结合作者所在课程组近期教学改革和教材研究的成果(2001年先后获得军队级教学成果一等奖和国家级教学成果二等奖)，总结提高修订而成的。  本书在保持原有体系结构基本不变的情况下，更新了部分内容，使之更具先进性和实用性，也更符合教育教学规律。全书以Pentium系列微机为主要背景机，系统全面地介绍了计算机的硬件技术基础，内容包括微机原理、微机接口、微机应用三部分。其中：原理部分介绍了微机系统组成及工作原理、微处理器及指令系统、汇编语言程序设计、存储器、I／0接口、总线和总线标准、中断与中断控制、定时器／计数器电路；接口部分介绍了并行接口与串行接口、基本人机交互设备接口和模拟I／0接口；应用部分介绍了最能反映计算机硬件技术本质的微机在测控系统中的应用。本书在附录中还对每部分的教学实验安排提出了建议。本书可作为高等学校理工科各专业的本科生或研究生教材。对于从事各类微机应用系统设计开发工作的科技人员，本书也是一本实用参考价值很强的参考书。

第一部分 微机原理篇

第一章 微机系统组成及工作原理…………(3)

 1.1 微机系统概述…………………………(3)

1.1.1 微机系统的三个层次……………(3)

1.1.2 微机系统的主要性能指标………(3)

 1.2 微机系统的硬件结构…………………(5)

1.2.1 三总线结构及分类………………(5)

1.2.2 微机各大组成部分的基本结构及功能……(7)

 1.3 微机运算基础………………………(11)

1.3.1 计算机中数的表示方法………(11)

1.3.2 计算机的运算…………………(16)

 1.4 微机基本工作原理…………………(20)

1.4.1 计算机工作过程的本质………(20)

1.4.2 指令与程序概念………………(20)

1.4.3 指令类别………………………(21)

1.4.4 指令与程序的执行……………(21)

1.4.5 程序执行过程举例……………(22)

 1.5 PC系列微机系统……………………(24)

1.5.1 PC系歹(J微机系统概述…………(24)

1.5.2 基本系统配置………………………(25)

1.5.3 非基本系统配置………………(26)

1.5.4 现代主流微机的主板结构及其芯片组………(27)

 思考题与习题一……………………………(36)

第二章 微处理器和指令系统………………(39)

2.1 Intel系列微处理器…………………(39)

 2.1.1 8086／8088微处理器……………(39)

 2.1.2 80486微处理器…………………(42)

 2.1.3 Pentium微处理器………………(43)

 2.1.4 Pentium Pro微处理器…………(44)

 2.1.5 PentiumⅡ微处理器……………(45)

 2.1.6 PentiumⅢ微处理器……………(46)

 2.1.7 Pentium 4微处理器……………(46)

 2.2 Pentium微处理器……………………(47)

2.2.1 内部结构与外部引脚…………(47)

2.2.2 内部寄存器……………………(53)

2.2.3 Pentium的四种工作方式………(63)

 2.3 Pentium微处理器指令系统…………(66)

 2.3.1 基本数据类型…………………(66)

 2.3.2 操作数寻址方式………………(68)

 2.3.3 Pentium指令系统概貌…………(76)

 2.3.4 通用整数指令及应用…………(78)

 思考题与习题二…………………………(117)

第三章 汇编语言程序设计………………(124)

3.1 汇编语言的基本语法………………(124)

 3.1.1 汇编语言源程序结构…………(124)

 3.1.2 汇编语言的语句格式…………(126)

 3.1.3 汇编语言的数据………………(127)

 3.1.4 表达式与运算符………………(128)

3.2 伪指令语句…………………………(132)

 3.2.1 方式选择伪指令………………(132)

 3.2.2 逻辑段定义伪指令……………(133)

 3.2.3 数据伪指令语句………………(138)

 3.2.4 模块定义伪指令………………(141)

 3.2.5 过程与宏定义伪指令…………(141)

 3.2.6 结构定义伪指令………………(144)

3.3 汇编语言程序设计入门……………(146)

 3.3.1 汇编语言程序的开发过程……(146)

 3.3.2 基本结构程序设计……………(147)

 3.3.3 子程序设计与调用技术………(160)

3.3.4 D0s／BIOS功能调用…………(169)

 思考题与习题三…………………………(177)

第四章 存储器……………………………(180)

 4.1 现代高档微机系统的存储器体系结构……………(180)

 4.1.1 分级存储器结构………………(180)

 4.1.2 虚拟存储器结构………………(181)

 4.2 半导体存储器的分类与选用原则 …(182)

4.2.1 半导体存储器的分类…………(182)

4.2.2 存储器芯片的选用原则………(183)

 4.3 存储器芯片和存储条的接口特性…(185)

4.3.1 各类存储芯片的接口共性……(185)

4.3.2 DRAM的接口特殊性…………(189)

 4.4 内存储器系统的构成原理…………(193)

4.4.1 存储器结构的确定……………(194)

4.4.2 存储器芯片的选配……………(195)

4.4.3 存储器接口的设计……………(198)

 4.5 高速缓冲存储器基本原理…………(204)

4.5.1 高速缓冲存储器结构…………(204)

4.5.2 高速缓存器与内存的映像方式…………(205)

4.5.3 高速缓存器的读／写过程……(205)

4.5.4 分级Cache·结构与平均访存周期的估算…………………………(206)

 4.6 虚拟存储器基本原理………………(207)

4.6.1 基本思想………………………(207)

4.6.2 虚拟存储器的管理与保护机制……………………………(208)

 4.7 PC系列微机的内存配置及其管理…………………………………(213)

 思考题与习题四…………………………(215)

第五章 I／0接口…………………………(218)

 5.1 I／0接口的基本概念………………(218)

5.1.1 I／0设备与I／O接口…………(218)

5.1.2 接口的基本功能………………(219)

5.1.3 接口的基本结构………………(219)

 5.2 I／0 端口的编址方式………………(221)

5.2.1 存储器映像方式………………(221)

5.2.2 隔离I／0方式…………………(222)

5.2.3 80X86系列处理器的I／0编址方式……………………………(223)

5.3 I／O同步控制方式…………………(226)

 5.3.1 概述….-…………………………(226)

 5.3.2 程序查询式控制………………(227)

 5.3.3 中断驱动式控制………………(229)

 5.3.4 直接存储器存取式控制………(230)

 5.3.5 延时等待式控制………………(234)

 5.4 I／0接口中的数据缓存技术………(234)

 5.4.1 单一字节数据缓存器…………(234)

 5.4.2 (I(0数据缓存器……………(235)

 5.4.3 双口SRAM数据缓存器………(237)

思考题与习题五…………………………(238)

第六章 总线和总线标准…………………(241)

6.1 有关总线的基本概念………………(241)

 6.1.1 总线与总线模块………………(241)

 6.1.2 总线操作及控制………………(242)

 6.1.3 总线的功能和性能指标………(243)

 6.1.4 总线周期与指令周期、时钟周期的关系…………………………(243)

6.2 总线仲裁方法………………………(244)

 6.2.1 "菊花链"仲裁…………………(244)

 6.2.2 并行仲裁………………………(246)

 6.2.3 并串行二维仲裁………………(247)

6.3 总线握手方法………………………(248)

6.3.1 同步总线握手…………………(248)

6.3.2 异步总线握手…………………(249)

6.3.3 半同步总线握手………………(250)

 6.4 Pentium处理器的典型总线操作时序…………………………………(250)

6.4.1 非流水线式读／写周期的总线时序……………………………(250)

6.4.2 突发式读／写周期的总线时序……………………………(251)

6.4.3 流水线式读／写周期的总线时序……………………………(252)

 6.5 PC系列微机中的常用标准总线…(254)

 6.5.1 标准总线概述…………………(254)

 6.5.2 目前常用模块级内部扩展总线……………………………(255)

 6.5.3 目前常用系统级外部总线……(264)

 思考题与习题六…………………………(271)

第七章 中断与中断控制…………………(274)

7.1 有关中断的基本概念………………(274)

 7.1.1 中断与中断类型………………(274)

 7.1.2 中断优先级与中断嵌套………(277)

 7.1.3 CPU响应中断的条件…………(277)

 7.1.4 中断处理过程…………………(278)

7.2 多中断请求的服务判决……………(279)

 7.2.1 程序查询式判决………………(279)

 7.2.2 中断向量式判决 ……………(280)

7.3 8259A可编程中断控制器…………(281)

 7.3.1 功能概述………………………(281)

 7.3.2 内部结构与外部引脚…………(282)

 7.3.3 内部端口寻址与读／写控制…(284)

 7.3.4 8259A的中断工作过程………(285)

 7.3.5 命令字格式与应用编程………(286)

7.4 Pentium处理器的中断机理………(301)

 7.4.1 实地址方式下使用中断向量表…………………………(301)

 7.4.2 保护虚地址方式下使用中断描述符表………………………(302)

 7.4.3 中断向量号分配………………(302)

 7.4.4 中断／异常的检测、响应、处理过程………………………(304)

 7.5 微机系统开发中利用8259A扩展中断源的方法…………………………(305)

 7.5.1 使用级联线的扩展……………(305)

 7.5.2 不用级联线的扩展……………(306)

思考题与习题七…………………………(308)

第八章 定时器／计数器电路………………(311)

 8.1 计算机中的定时和计数……………(311)

8.1.1 实现定时、延时的控制方法…(311)

8.1.2 可编程定时器／计数器的典型结构和主要用途………………(311)

8.2 可编程定时器／计数器芯片8254…………………………(312)

 8.2.1 基本功能………………………(313)

 8.2.2 内部结构与外部引脚…………(313)

 8.2.3 内部端口寻址与读／写控制…(315)

 8.2.4 六种工作方式…………………(315)

 8.2.5 应用编程………………………(321)

8.3 8254在PC系列机定时系统中的应用…………………………………(326)

思考题与习题八…………………………(330)

第二部分 微机接口篇

第九章 并行接口与串行接口……………(335)

 9.1 并行接口与串行接口概述…………(335)

 9.2 简单的不可编程并行接口电路……(336)

 9.3 可编程并行接口芯片8255A一5…(336)

9.3.1 内部结构与外部引脚…………(336)

9.3.2 内部端口寻址与读／写控制…(338)

9.3.3 三种工作方式…………………(338)

9.3.4 控制字格式与初始化编程……(347)

9.4 串行通信的基本概念………………(351)

 9.4.1 数据传送方式…………………(351)

 9.4.2 波特率和收／发时钟…………(352)

 9.4.3 信号的调制和解调……………(352)

 9.4.4 误码率和串行通信中的差错控制……………………………(354)

 9.4.5 信道的多路复用………………(355)

 9.4.6 串行通信的基本方式…………(357)

 9.4.7 串行通信协议…………………(357)

 9.4.8 串行通信的实现方法…………(359)

9.5 异步串行通信接口标准：RS-232一C……………………………(359)

 9.5.1 信号连接规范…………………(360)

 9.5.2 主要电气技术指标及应用说明……………………………(363)

9.6 可编程串行接口芯片INS 8250 …(365)

9.6.1 内部结构与外部引脚…………(365)

9.6.2 内部寄存器与读／写控制……(368)

9.6.3 初始化与应用编程……………(374)

 思考题与习题九…………………………(381)

第十章 基本人机交互设备接口…………(385)

 10.1 键盘及其接口……………………(385)

10.1.1 编码键盘与非编码键盘……(385)

10.1.2 非编码键盘的接口功能……(386)

10.1.3 行／列扫描式键盘接口方法…………………………(386)

10.1.4 PC系列机键盘及接口………(389)

 10.2 显示器及其接口…………………(391)

10.2.1 LED显示器及接口…………(391)

10.2.2 CRT显示器及接口…………(396)

10.2.3 LCD显示器及接口…………(400)

 10.3 打印机及其接口…………………(403)

10.3.1 打印机及其控制原理………(403)

10.3.2 Centronics并行接口标准……(404)

10.3.3 并行打印机接口方法………(406)

 10.4 鼠标器及其接口…………………(408)

 10.4.1 鼠标器及其工作原理………(408)

 10.4.2 鼠标器的接口………………(409)

 思考题与习题十…………………………(410)

第十一章 模拟I／O接口…………………(414)

 11.1 DAC及其与MPU的接口…………(414)

11.1.1 D／A转换器原理……………(414)

11.1.2 DAC的基本参数……………(418)

11.1.3 典型的DAC集成芯片………(419)

11.1.4 DAC芯片与MPU的接口技术…………………………(425)

 11.2 ADC及其与MPU的接口…………(428)

11.2.1 A／D转换的四个步骤………(428)

11.2.2 A／D转换器原理……………(430)

11.2.3 ADC的性能参数……………(431)

11.2.4 典型的集成ADC芯片………(433)

11.2.5 ADC芯片与MPU的接口技术…………………………(441)

 思考题与习题十一………………………(446)

第三部分 微机应用篇

第十二章 微机在测控系统中的应用……(451)

 12.1 计算机测控系统概述……………(451)

12.1.1 计算机测控系统的一般结构…………………………(451)

12.1.2 测控系统的实时性概念……(452)

12.1.3 测控系统对计算机的要求…(453)

12.1.4 构成测控计算机系统的方案选择…………………………(454)

 12.2 实现计算机测控系统的关键技术………………………………(455)

12.2.1 传感器及测量………………(455)

12.2.2 模拟I／0通道建立…………(456)

12.2.3 数据处理……………………(469)

12.2.4 执行机构及驱动……………(478)

12.2.5 可靠性与抗干扰技术………(487)

12.3 计算机测控系统的设计与开发…(487)

12.4 实际测控系统举例………………(491)

思考题与习题十二………………………(507)

 附录…………………………………………(510)

附录A 关于本书配套的课内实验安排建议………………………(510)

附录B ASCII码表………………………(511)

 主要参考文献………………………………(512)

第一章微机系统组成及工作原理1．1微机系统概述1·1·1微机系统的三个层次

通常所说的"微电脑"、"微机"等，准确地讲应该叫微型计算机系统。微机系统中从局部到全局存在三个层次：微处理器一微机一微机系统。为了以后学习时不致混淆，首先有必要了解这三个层次的不同内涵。

1．微处理器 ． 微处理器(Micr。processor)也叫微处理机，它本身并不是计算机，但它是微机的核心部件。微处理器包括算术逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit)、控制部件(Control unit)和寄 存器组(Registers)三个基本部分，通常由一片或几片LSI、VISI器件组成。

2．微型计算机

微型计算机(Micro Computer，以下简称微机)是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器(ROM和RAM)、输入／输出接口和系统总线组成的。有的微机则是将这些组成部分集成在一个超大规模芯片上，则称之为单片微机，简称单片机。

3．微机系统

微机系统(Micr。Computer System)是以微机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微机工作的软件而构成的完整的计算系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。

要注意，在上述的三个层次中，单纯的微处理器不是计算机，单纯的微机也不是完整的计算系统，它们都不能独立工作。只有微机系统才是完整的计算系统，才具有实用意义，才司以正常工作。1·1．2微机系统的主要性能指标

微机系统和一般计算机系统一样，衡量其性能好坏的技术指标主要有以下五方面。

1．字长

字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。一般一台计算机的字长决定于它的通用寄存器、内存储器、ALu的位数和数据总线的宽度。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；因此在完成同样精度的运算时，则数据处理速度越高。然而，字长越长，计算机的硬件代价相应也增大。为了兼顾精度／速度与硬件成本两方面，有些计算机允许采用变字长运算。

一般情况下，CPU的内、外数据总线宽度是一致的。但有的cPU为了改进运算性能，加宽了CP[J的内部总线宽度，致使内部字长和对外数据总线宽度不一致。如I：ntel 8088／80188的内部数据总线宽度为16位，外部为8位。对这类芯片，称之为"准××位"CPU，因此Intel8088／80188被称为"准16位"CPU。 2．存储器容量 存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量大小的一个重要指标。存储二进制信息的基本单位是位(b，bit)。一般把8个二进制位组成的通用基本单元叫做字节(B，Byte)。微机中通常以字节为单位表示存储容量，并且将1 024 B简称为l KB，1 024 KB简称为1 MB(兆字节)，1 024 MB简称为1 GB(吉字节)，1 024 GB简称为1 TB(太字节)。

存储器容量包括内存容量和外存容量。内存容量又分最大容量和实际装机容量。最大容量由cPU的地址总线位数决定，如8位CPU的地址总线为16位，其最大内存容量为64KB；．Pentium处理器的地址总线为32位，其最大内存容量为4 GB。而装机容量则由所用软件环境决定，如现行PC系列机，采用windows环境，内存必须在4 MB以上；采用windows95，内存必须在8 MB以上；而采用w。indows 98，内存必须在32 MB以上等。

外存容量是指硬盘、软盘、磁带和光盘等的容量，通常主要指硬盘容量，其大小应根据实际应用的需要来配置。

目前市场上流行的Pentium系列微机大多具有几十至几百MB内存装机容量和几十、上百GB外存容量。

3．运算速度

计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令所需时间长度不同，因而运算速度的计算方法也不同。常用计算方法有：

(1)根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度。这时常用MIPs(Millions of Instr3action Per Second，即百万条指令／秒)作单位。

(2)以执行时间最短的指令(如加法指令)为标准来估算速度。

(3)直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频一般以MHz为单位。

4．外设扩展能力

这主要指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。一台计算机允许配接多少外部设备，对于系统接口和软件研制都有重大影响。在微机系统中，打印机型号、显示屏幕分辨率、外存储器容量等，都是外设配置中需要考虑的问题。

5．软件配置情况

软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系到计算机性能

的好坏和效率的高低。例如是否有功能很强、能满足应用要求的操作系统和高级语言、汇编

语言，是否有丰富的、可供选用的工具软件和应用软件等，都是在购置计算机系统时需要考

虑的。

1．2微机系统的硬件结构 1．2．1 三总线结构及分类

目前的各种微机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机

(PC机)系统，以至超级微机和微巨机系统，从体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典

结构--冯·诺依曼结构。这种结构的特点是：

(1)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

(2)数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，

地址码也为二进制形式。

(3)控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器  (即指令地址计数器)控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的

动作流程。

由此可见，任何一个微型机系统都是由硬件和软件(程序)两大部分组成的。而其中硬

件又由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。图1．1给出了具有这种

结构特点的微机典型硬件组成框图。微处理器MPu中包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I／O外设及接口是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过地址总线AB、数据总线DB、控制总线cB联系在一起。

本书第一版出版至今已过去6年，期间计算机技术取得了飞速发展，我国的高等教育比计算机技术发展还快，教育教学改革热潮涌动、成果累累。为了与计算机技术的发展和教育教学改革的形势相适应，对第一版进行修订势在必行。

这次修订版是根据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新发布的"白皮书"的精神和课程教学基本要求，吸取国内同行使用第一版的反馈意见，结合作者所在课程组近期教学改革和教材研究的成果(2001年先后获得军队级教学成果一等奖和国家级教学成果二等奖)，总结提高而写成的，并作为面向21世纪课程教材、普通高等教育"十五"国家级规划教材和教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导委员会推荐教材而出版。

本书在保持原有体系结构和总体编写原则基本不变的情况下，主要在以下一些方面对内容作了增删、修改、更新：

(1)把讲述各知识单元和知识点的主要背景机由486微机变成了Penti。m系列机。

(2)在指令系统和汇编语言程序设计两个知识单元中增加了较多的实例，并且是边讲边举例，以帮助读者更好地理解、掌握基本指令和伪指令的功能及使用方法，以及基本程序设计的方法。

(3)对存储器一章按7个要点进行了内容重组，突出了基于半导体存储器接口特性的内存构成原理这个重点。

(4)将原"I／O接口与总线"一章分列为两章，使微机系统的几大硬件组成部分各成一覃。其中"I／0接口"一章，鉴于端口地址译码器和I／0数据缓存器是任何接口必不可少的两个组成部分，所以适当增加了相应的内容；"总线"一章则适当增加了对最新流行总线标准的简介，而对任何一种总线标准的规定细则都不予详述。

(5)对"基本人机交互设备接口"一章，增加了实际中应用越来越多的液晶显示器及其接口内容，而对CRT显示器和其他几种设备及其接口作了适当简化处理。

(6)对各种可编程接口芯片，为有利于读者更好地抓住这类芯片的规律性的东西，更好地理解和掌握他们的应用方法，都按基本功能、内部结构与外部引脚、内部端口寄存器寻址与读／写控制、初始化与应用编程几个层面去重组内容。

(7)对各知识单元和知识点，力求更好地突出基本原理、基本方法技术的提炼和阐明，而适当淡化、压缩在具体PC系列机中的应用说明。

(8)删除了原"486／586微机系统典型接口芯片"一章。

(9)更新了微机应用部分的一个集散式测控系统实例，将原架式制曲微机控制与管理一体化系统改为近年来研制的一个基于计算机测控的炮兵阵地训练与考核系统。

本书做出上述增删、修改、更新，目的是想使之更具先进性和实用性，也更符合教育教学规律，更有利于贯彻素质教育和创新教育的思想。但能否如愿，还有待于实践的检验。恳请专家、读者一如既往地给我们提出宝贵意见，对书中的错误和不妥提出批评。

本书修订时，除第二、三两章由陈立刚改写外，其余各章仍由邹逢兴完成。

在修订过程中，得到徐晓红、李春、滕秀梅、徐飞、鲁兴举、李治斌、薛小波等同事和我妻子罗智敏女士、高等教育出版社策划编辑陈红英女士等的大力支持和帮助，在此向他们表示衷心感谢。

邹逢兴 于国防科大

2004年9月