计算机硬件技术基础（第3版）

计算机技术已经成为21世纪科技创新和创业的重要基础，人工智能技术已给我们的工作和生活带来颠覆式的变化，正在深刻影响着每个人的生活方式。全球各国以互联网、物联网、人工智能、5G技术、区块链为标志的新型信息技术革命已经悄然展开，中国经济已进入高质量发展的新时代，同时，中国的科技水平也正在日新月异地发展。当前，我国政府正在大力推行面向互联网、4G、5G一体化的信息化基础建设，因此，国内计算机智能硬件（笔记本计算机、智能手机、手持平板电脑、可穿戴设备等）市场高速发展，目前以计算机智能芯片为核心的高科技产品（例如计算机设备、笔记本计算机、iPad手持终端产品等）已经得到广泛普及。
随着“十三五”期间计算机智能软件的使用人数逐年增长，以及未来对5G应用场景（例如虚拟增强、增强现实）应用的预测，对硬件应用技术的人才需求呈几何递增趋势，近几年，国内各高等院校及社会培训机构都陆续开设了计算机硬件技术和智能化开发的课程，但与之相对应的教材建设却相对滞后，读者十分需要多样化的计算机硬件系统的教材。根据*提出的大学计算机教学改革的精神，针对非计算机类各专业计算机基础课程的“大学计算机基础”“计算机技术基础”“计算机应用基础”三个层次的教学模式，本书符合“计算机技术基础”层次的基本要求，起到承上启下的作用。
本书深入研究非计算机专业本科生学习计算机硬件和智能化开发的课程特点，总结前两版的撰写经验，在第3版修订内容的安排上更加偏重基础学习和实践能力的螺旋式递进，全书以理论知识和案例教学相结合，注重学生的课堂知识学习和慕课在线自主学习，重在培养学生的创新能力和实践能力。另外，本书的第1版内容是辽宁省教学成果一等奖的重点研究成果，教学平台也获得第十届全国多媒体课件大赛二等奖。本书的第2版作为大学生创新创业的实践成果教材，受益学生已经参与并获得了多项竞赛奖项。为了满足工业领域、企事业单位对计算机硬件和智能技术的应用需求，也使读者更快掌握硬件与智能技术开发相结合的方法和工具，本书重新组织内容。全书分为三部分，分别为计算机硬件的核心知识、计算机硬件的编程技术、计算机硬件的智能应用。重点考虑了第2章~第4章中的智能计算机硬件知识与传统硬件逻辑理论知识；充分考虑知识学习的实践性，读者可以应用第5章~第6章的汇编语言知识进行编程；考虑读者学习智能硬件的开发知识，撰写了第7章的嵌入式程序开发内容；为了能够实践硬件的开发应用，本书也结合实际的应用场景撰写了第8章~第11章中各种典型硬件芯片的具体实例应用，分析解决本专业及相关专业领域问题的思维方法和实践训练；后一章增加了传感器和智能传感网络的知识。
全书共分12章，主要介绍了计算机基础知识、中央处理器、存储器、总线和接口、汇编语言指令系统及程序设计、嵌入式系统程序开发、中断控制智能应用、数据传输控制智能应用、可编程接口芯片的智能应用、A/D和D/A转换、物联网、传感器及智能传感网络等内容。
本书被列入辽宁省教学改革和教学成果奖资助项目。
本书由焦明海、柳秀梅、张恩德编著，全书由焦明海统稿并主审。
在编写本书时，作者力求结构合理、语言叙述通俗易懂，但由于作者水平和经验有限，书中难免有错误和疏漏之处，敬请业内同仁和读者批评指正，以使本书质量得到进一步完善和提高。

编者2020年6月

新编教材第三版将对计算机信息化和人工智能技术发展的*知识和应用技术进行跟踪和更新，结合近几年的教改成果，借鉴同行教材的优点，增加计算机硬件智能传感器芯片技术的编程实例应用，增加智能传感器技术的介绍，增加配套实验的实训内容和电路软件仿真应用，建立自助学习测试习题库。在教材的内容布局上以“厚基础、重实践、继发展、突创新”为原则，以学生“自主学习”为中心，*终打造为精品课程和精品教材。

焦明海，男，副教授。研究领域与方向：人工智能深度学习、云计算大数据应用、互联网络智能集成应用、数据科学。负责《计算机硬件技术基础》课程；讲授“计算机硬件技术基础”“高级语言程序设计”“计算机DIY及维护””数码照片Photoshop处理技术”“计算机文化基础”“数据库技术基础”和“VB语言程序设计”等多门计算机课程。参与“高级语言程序设计”和“大学计算机基础”精品课程网站策划和建设。

部分计算机硬件的核心知识
第1章计算机基础知识3
1.1计算机的产生3
1.2微处理器发展概述4
1.2.14位微处理器4
1.2.28位微处理器4
1.2.316位微处理器5
1.2.432位微处理器5
1.2.564位微处理器7
1.3微型计算机系统8
1.3.1微型计算机的硬件组成8
1.3.2微型计算机的软件组成10
1.3.3智能可穿戴计算机系统的组成11
1.4计算机数制及算术运算13
1.4.1数制及数制转换13
1.4.2算术运算16
1.5计算机数字电路22
1.5.1逻辑代数22
1.5.2门电路24
1.5.3典型逻辑器件26
习题31
第2章中央处理器34
2.1CPU的功能和组成34
2.1.1CPU的功能34
2.1.2CPU的内部组成35
2.28086/8088的编程结构38
2.2.1执行单元38
2.2.2总线接口单元40
2.2.38086/8088的寄存器42
2.2.48086/8088的总线周期概念46
2.38086/8088 CPU的引脚及其功能47
2.3.18086/8088的引脚信号47
2.3.28086/8088的小模式49
2.3.38086/8088的模式52
2.48086/8088的存储器组织与I/O组织57
2.4.18086/8088的存储器组织57
2.4.28086/8088的I/O组织62
2.58086/8088的CPU时序62
2.5.1总线读操作周期62
2.5.2总线写操作周期65
2.5.3空闲周期66
2.5.4中断响应周期67
2.5.5系统复位和启动69
2.6典型CPU举例70
2.6.1Intel 80486微处理器及体系结构70
2.6.2多核微处理器技术75
2.6.3典型嵌入式处理器技术78
2.7典型GPU举例81
2.7.1深度学习的运算核心——GPU81
2.7.2GPU运算原理和体系结构82
习题83

计算机硬件技术基础（第3版）目录第3章存储器88
3.1存储系统概述88
3.1.1存储器的分类88
3.1.2存储器的主要性能指标89
3.1.3存储系统的层次结构90
3.2半导体存储器92
3.2.1随机存储器与只读存储器92
3.2.2DDR系列存储器92
3.3主存储器95
3.3.1主存储器的基本组成与结构95
3.3.2主存储器的容量扩展98
3.3.3存储器与CPU的连接101
3.3.4高速缓冲存储器103
3.4计算机中的内存管理105
3.4.1DOS下的内存管理105
3.4.2Windows下的内存管理106
3.4.3Linux系统的内存管理107
3.5外存储设备111
3.5.1外存储设备概述111
3.5.2硬盘存储器111
3.5.3固态硬盘117
3.6计算机中的文件管理119
习题123
第4章计算机硬件的接口和总线126
4.1输入输出接口126
4.1.1接口技术的基本知识126
4.1.2输入输出传送方式128
4.1.3I/O端口的寻址方式136
4.1.4I/O接口读写136
4.1.5串行接口和并行接口137
4.2总线140
4.2.1总线的概念140
4.2.2总线分类及特性141
4.2.3总线结构对计算机系统性能的影响147
4.2.4ICH和MCH(GMCH)147
习题149
第二部分计算机硬件的编程技术
第5章8086汇编语言指令系统155
5.18086汇编语言指令的语句格式155
5.2操作数的寻址方式156
5.2.1立即数寻址157
5.2.2寄存器寻址157
5.2.3直接寻址157
5.2.4寄存器间接寻址158
5.2.5相对寄存器间接寻址160
5.3堆栈概念与堆栈操作162
5.48086指令系统165
5.4.1数据传送指令165
5.4.2算术运算指令171
5.4.3逻辑运算和移位指令177
5.4.4串操作指令181
5.4.5控制转移指令183
5.4.6中断指令187
5.4.7DOS和BIOS调用188
5.4.8处理器控制指令192
5.5指令系统的发展192
5.5.1对指令系统的要求192
5.5.2CISC与RISC193
习题194
第6章汇编语言程序设计199
6.1汇编语言源程序的基本结构和语法199
6.1.1常用伪指令200
6.1.2简化段定义伪指令207
6.1.3常量、变量和表达式209
6.2汇编语言程序设计213
6.2.1结构化程序设计213
6.2.2EXE文件和COM文件216
6.2.3汇编语言与高级语言的混合设计217
习题220
第7章嵌入式系统程序开发224
7.1嵌入式开发入门224
7.1.1ARM架构入门知识224
7.1.2Thumb指令集227
7.1.3NEON知识240
7.1.4选择合适的智能处理器244
7.2嵌入式开发应用245
7.2.1嵌入式程序开发245
7.2.2嵌入式程序调试248
7.2.3编写优化C程序252
习题255
第三部分计算机硬件的智能应用
第8章中断控制的智能应用261
8.1中断的概念261
8.1.1中断源261
8.1.2中断过程262
8.1.3中断优先级及嵌套264
8.1.48086/8088中断系统264
8.2中断控制器8259A268
8.2.18259A的引脚功能268
8.2.28259A的内部结构及工作方式269
8.2.38259A的命令字272
8.2.48259A级联274
8.3中断控制器应用编程276
8.3.1认识中断控制程序276
8.3.2键盘字符智能控制283
习题287
第9章数据传输控制的智能应用291
9.1数据传输控制的概念291
9.2数据传输控制器8237的原理及应用292
9.2.1引脚及功能292
9.2.2工作时序294
9.2.3工作方式295
9.2.4内部寄存器297
9.2.5寻址及连接301
9.3数据传输控制器应用编程304
9.3.1数据传输控制初始化304
9.3.2数据的自动传送实例306
习题308
第10章可编程接口芯片的智能应用310
10.1并行接口芯片8255A310
10.1.1并行通信和并行接口310
10.1.2内部结构和引脚信号311
10.1.3控制字格式313
10.1.4工作模式316
10.1.58255A的智能应用实例325
10.2串行通信接口芯片8251A331
10.2.1串行接口与串行通信331
10.2.2基本工作原理340
10.2.38251A的智能应用实例351
10.3可编程计数器/定时器8253356
10.3.1定时信号356
10.3.2基本工作原理357
10.3.3编程结构358
10.3.4工作模式  364
10.3.58253的智能应用实例371
10.4可编程芯片智能应用综合实例374
10.4.1乐曲自动演奏应用程序375
10.4.2交通灯自动控制应用程序379
习题383
第11章A/D和D/A转换387
11.1A/D转换和D/A转换概述387
11.2A/D转换器388
11.2.1A/D转换的基本原理388
11.2.2A/D转换的主要技术指标391
11.2.3A/D转换器ADC0809的结构392
11.3D/A转换器398
11.3.1D/A转换的基本原理398
11.3.2D/A转换器的主要性能参数400
11.3.3D/A转换器DAC0832的结构401
11.4计算机的ADC/DAC应用实例——信号的采集转换403
习题407
第12章物联网、传感器及智能传感网络409
12.1物联网409
12.1.1物联网的概念409
12.1.2物联网的基本框架410
12.1.3物联网支撑技术411
12.2传感器415
12.2.1传感器的概念415
12.2.2传感器的性能指标416
12.2.3常见传感器的工作原理417
12.2.4智能传感器的特点及应用421
12.3智能传感网络423
12.3.1智能传感网络的基本结构423
12.3.2智能传感网络的核心技术424
习题426
附录ASCII编码表428
参考文献429

新编教材第三版将对计算机信息化和人工智能技术发展的*知识和应用技术进行跟踪和更新，结合近几年的教改成果，借鉴同行教材的优点，增加计算机硬件智能传感器芯片技术的编程实例应用，增加智能传感器技术的介绍，增加配套实验的实训内容和电路软件仿真应用，建立自助学习测试习题库。在教材的内容布局上以“厚基础、重实践、继发展、突创新”为原则，以学生“自主学习”为中心，*终打造为精品课程和精品教材。

焦明海，男，副教授。研究领域与方向：人工智能深度学习、云计算大数据应用、互联网络智能集成应用、数据科学。负责《计算机硬件技术基础》课程；讲授“计算机硬件技术基础”“高级语言程序设计”“计算机DIY及维护””数码照片Photoshop处理技术”“计算机文化基础”“数据库技术基础”和“VB语言程序设计”等多门计算机课程。参与“高级语言程序设计”和“大学计算机基础”精品课程网站策划和建设。