高檔微機(jī)原理與技術(shù)

前言

如果問20世紀(jì)最偉大的發(fā)明是什么？那么計(jì)算機(jī)無疑是答案之一。在現(xiàn)代社會中，計(jì)算機(jī)已經(jīng)作為一個(gè)主要的數(shù)據(jù)計(jì)算與信息處理工具被應(yīng)用到各行各業(yè)中，已經(jīng)作為一個(gè)必要的商品進(jìn)入到千家萬戶。如果問什么樣的計(jì)算機(jī)最多？那么微機(jī)無疑是大多數(shù)用戶的首選。事實(shí)上，個(gè)人家庭或者日常辦公使用的計(jì)算機(jī)大多數(shù)都是微機(jī)（或者習(xí)慣于稱為電腦）。如果我想再進(jìn)一步問一個(gè)問題：“你知道電腦是如何工作的嗎？”可能大多數(shù)用戶會說不知道。對于一般的用戶而言，這的確不是一個(gè)問題，因?yàn)樗麄冑徺I一臺電腦和購買一臺電視機(jī)或冰箱沒什么兩樣，只要會簡單使用就好了。然而，對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，可能這樣的問題就需要認(rèn)真思考了。假如你大學(xué)畢業(yè)后還對普遍使用的微機(jī)的工作原理不清楚，那么你不應(yīng)該算是一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)專業(yè)的畢業(yè)生。不可回避，現(xiàn)在的大學(xué)教育越來越“軟化”了，許多計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生在硬件基礎(chǔ)方面十分薄弱，由于缺乏對計(jì)算機(jī)工作機(jī)理的本質(zhì)認(rèn)識，已經(jīng)喪失了計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生具有的優(yōu)勢。簡單地說，計(jì)算機(jī)編程不是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的“專利”，在如今的信息社會里，其他專業(yè)都在擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的編程技術(shù)到它們的專業(yè)培養(yǎng)中，一些相關(guān)的專業(yè)（如信息系統(tǒng)、計(jì)算數(shù)學(xué)等）可能在軟件能力的培養(yǎng)上一點(diǎn)也不比計(jì)算機(jī)專業(yè)差。因此，對于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)問題需要教育工作者認(rèn)真去思考。我們一直在抱怨目前計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的“重軟輕硬”情況，這種情況一度被認(rèn)為是“市場需求”導(dǎo)致的。但事實(shí)并非如此，現(xiàn)在具有計(jì)算機(jī)硬件和軟件綜合能力的畢業(yè)生在市場上是“稀有人才”，是很受市場歡迎的。因此，作為計(jì)算機(jī)教育工作者，可能需要我們重新從自身去尋找問題。我們認(rèn)為，硬件課程教學(xué)的理念和內(nèi)容上的落后對于加重這種“重軟輕硬”現(xiàn)象具有不可推卸的責(zé)任。一方面，大多數(shù)學(xué)校的“微機(jī)原理”相關(guān)的課程內(nèi)容陳舊，跟我們目前使用的微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)相差太遠(yuǎn)，直接導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的下降。例如，許多學(xué)校只講Intel8086微處理器。其實(shí)，講解8086的基本原理本身沒有錯(cuò)，但是不加擴(kuò)展、不和現(xiàn)代微機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對接就可能帶來嚴(yán)重的問題。另一方面，普遍迫于課時(shí)緊張的壓力，硬件課程的課時(shí)一再壓縮、缺乏系統(tǒng)性。例如，有的學(xué)校為了在有限課時(shí)內(nèi)保證內(nèi)容的先進(jìn)性，干脆就直接講解Pentium處理器（沒有將8086和80x86作為基礎(chǔ)）。這種做法也是值得商榷的。我們在教學(xué)實(shí)踐中，也嘗試過類似的辦法，其中暴露的主要問題是學(xué)生的接受難度增大、知識學(xué)習(xí)不系統(tǒng)等。這樣的兩種截然不同的態(tài)度應(yīng)該說都不是理想的解決辦法。也許，我們需要轉(zhuǎn)變一下教與學(xué)的觀念。我們認(rèn)為，可以嘗試去打破幾十年慣用的知識灌輸型教學(xué)方式，研究對應(yīng)的知識探索性方式，將微機(jī)系統(tǒng)的原理和技術(shù)放在一個(gè)歷史發(fā)展坐標(biāo)上去演繹，力求將知識的演變過程重現(xiàn)給學(xué)生，力求將微機(jī)的進(jìn)步看做是一系列的技術(shù)創(chuàng)新演變的結(jié)果。這樣，我們就可以精選出關(guān)鍵的微機(jī)系統(tǒng)對應(yīng)的技術(shù)點(diǎn)來連貫課程內(nèi)容，而不去過多地拘泥于技術(shù)細(xì)節(jié)。因此，在有限的課時(shí)內(nèi)，能提高課程的技術(shù)含量、知識濃度，也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。當(dāng)然，這對于教師和教材來說，提出了更多挑戰(zhàn)性問題。教師要有一個(gè)相對廣的知識面，對微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展有一個(gè)較全面的認(rèn)識；對于計(jì)算機(jī)這樣的應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科來講，教師要能正確地把握技術(shù)的發(fā)展方向，能提出符合技術(shù)發(fā)展的問題，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生思考和解決問題。教材的內(nèi)容體系要相對完整，符合微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展過程和趨勢；教材應(yīng)該有利于學(xué)生自學(xué)，可以用于學(xué)生課后擴(kuò)展知識和提供足夠高的參考價(jià)值。基于上面的理念，本書力求追尋微機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史，增量式地論述微機(jī)發(fā)展所依附的主要設(shè)計(jì)原理與創(chuàng)新技術(shù)，選擇具有里程碑意義的產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)剖析。從主要內(nèi)容上看，本書涵蓋16位、32位以及多核微機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，內(nèi)容本身的知識含量和先進(jìn)性毋庸置疑。從編寫的思路上看，本書按照技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行相關(guān)原理與技術(shù)的講述，追求體系的完整性，力求內(nèi)容多而不亂，緊密聯(lián)系最新的微機(jī)發(fā)展技術(shù)，使讀者真正了解微機(jī)技術(shù)的演變過程，掌握具有通用性的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)。作為長期從事相關(guān)課程教學(xué)的一線教師，作者期望該書成為計(jì)算機(jī)以及相關(guān)專業(yè)的理想教材。因此，在編制過程中充分考慮了不同學(xué)校在學(xué)生基礎(chǔ)、課程安排以及教師能力上的差異，力求各章節(jié)內(nèi)容相對獨(dú)立，便于教師根據(jù)課時(shí)或?qū)W生情況進(jìn)行裁減。我們相信，本書不僅是一本理想的計(jì)算機(jī)本科生教材，也可以作為研究生教材使用。此外，一些企業(yè)或公司的技術(shù)人員也會對這樣的書籍感興趣，因?yàn)楸緯峁┝丝勺x性很強(qiáng)的原理歸納和濃縮的技術(shù)資料，可以用于他們的實(shí)際工程實(shí)踐和知識擴(kuò)展上。本書共分5章和4個(gè)附錄。第1章“緒論”，主要闡述微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展以及必要的基礎(chǔ)性名詞與結(jié)構(gòu)解釋，并且從讀者的角度說明了本書使用中應(yīng)該注意的問題。第2章“微處理器與相關(guān)技術(shù)”，以微處理器發(fā)展歷程為索引，闡述微處理器設(shè)計(jì)的基本原理與依附的技術(shù)，并且選擇Intel8086、80386、Pentium和雙核微處理器進(jìn)行剖析，對通用的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的講解。第3章“微機(jī)存儲系統(tǒng)”，以微機(jī)存儲系統(tǒng)的需求為索引，闡述多級存儲系統(tǒng)對應(yīng)的技術(shù)問題與解決方法，對內(nèi)存的設(shè)計(jì)與管理技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，選擇Cache、虛擬存儲等現(xiàn)代存儲技術(shù)進(jìn)行解釋。第4章“微機(jī)的總線及接口技術(shù)”，從總線的應(yīng)用需求和發(fā)展歷程出發(fā)，剖析微機(jī)主板的體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，對微機(jī)系統(tǒng)常見的外設(shè)接口進(jìn)行必要的解釋。第5章“微機(jī)的指令系統(tǒng)與尋址方式”，以Intel系列微處理器的指令系統(tǒng)發(fā)展為范例，講述微機(jī)指令系統(tǒng)以及尋址方式對應(yīng)的通用性原理，剖析Intel系列微處理器的指令系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展過程和解決問題的方法。后面的附錄A-D，是Intel系列微處理器的指令系統(tǒng)對應(yīng)的技術(shù)資料，供讀者在工程使用中或者學(xué)習(xí)中查閱。它們在組織上仍然堅(jiān)持“增量式”學(xué)習(xí)思想，從8086、80x86到Pentium處理器逐步展開，摒棄不必要的冗余內(nèi)容，為讀者提供一個(gè)濃縮的、具有很高使用價(jià)值的技術(shù)文檔。本書由毛國君進(jìn)行內(nèi)容選擇和組織設(shè)計(jì)，毛國君編寫第1-3章，方娟編寫第4章和第5章，最后由毛國君統(tǒng)稿完成。特別感謝北京工業(yè)大學(xué)本科教學(xué)督導(dǎo)組成員的教授們，他們在本書的編寫過程中給出了許多有價(jià)值的建議。感謝北京工業(yè)大學(xué)進(jìn)行相關(guān)教學(xué)的易小琳、朱文軍、魯鵬程等教師，他們在教學(xué)中的許多討論為本書的編寫提供了技術(shù)素材。感謝北京工業(yè)大學(xué)參加過相關(guān)課程學(xué)習(xí)的各類學(xué)生，他們的許多意見使本書的針對性和可讀性得到加強(qiáng)。感謝參加本書最后文字潤色的研究生（王欣、徐花芬等），他們的工作提高了本書的內(nèi)容編排質(zhì)量。同時(shí)第一作者也感謝其他作者及其家人，我們的合作是愉快的，你們家人的支持是保證本書順利出版的必要前提，相信通過我們出色而卓有成效的工作將為讀者提供一本有價(jià)值的專業(yè)書。

內(nèi)容概要

　　《高檔微機(jī)原理與技術(shù)》共分5章，從原理擴(kuò)展和技術(shù)創(chuàng)新角度對微機(jī)系統(tǒng)、微處理器、存儲系統(tǒng)、主板及指令系統(tǒng)等進(jìn)行敘述和歸納?！陡邫n微機(jī)原理與技術(shù)》詳細(xì)介紹微機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、面對的問題以及相關(guān)背景知識；微處理器發(fā)展、微處理器的評價(jià)，16位、32位和多核處理器在結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新等方面的核心設(shè)計(jì)原理與技術(shù)；微機(jī)存儲系統(tǒng)的發(fā)展、典型技術(shù)以及對應(yīng)的內(nèi)存設(shè)計(jì)與管理技術(shù)；總線以及微機(jī)主板的體系結(jié)構(gòu)；微機(jī)系統(tǒng)的指令系統(tǒng)在功能、設(shè)計(jì)以及對應(yīng)的尋址方式等方面的原理與技術(shù)。書中給出的實(shí)例和附表可以作為技術(shù)資料供檢索和查閱。　　《高檔微機(jī)原理與技術(shù)》可作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生或者研究生教材，也可以作為從事計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)人員的參考資料。

作者簡介

毛國君，教授，博士，北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系主任。多年從事系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)與研究工作。主持國家自然科學(xué)基金等國家級項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表論文70余篇，被SCI、EI檢索30余篇次，是教育部一微軟精品課程“計(jì)算機(jī)組成原理”負(fù)責(zé)人。方娟，副教授，博士，北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系副主任。主要從事系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)與研究工作。在《電子學(xué)報(bào)》等重要期刊上發(fā)表論文30余篇，主持和參加相關(guān)項(xiàng)目多項(xiàng)，是北京工業(yè)大學(xué)精品課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”負(fù)責(zé)人。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 如何使用該書1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.2.1 正確理解主機(jī)與外設(shè)概念1.2.2 正確理解計(jì)算機(jī)多級存儲的概念1.2.3 正確理解計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的關(guān)系1.3 微機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)1.3.1 正確理解微機(jī)系統(tǒng)的大小、重量和價(jià)格等基本要求1.3.2 正確理解微機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成1.3.3 正確理解微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范疇與功能定位習(xí)題1第2章 微處理器與相關(guān)技術(shù)2.1 微處理器發(fā)展概論2.1.1 4位微處理器是微處理器技術(shù)的試驗(yàn)場2.1.2 8位微處理器成就了個(gè)人微機(jī)2.1.3 16位微處理器使微機(jī)的應(yīng)用看到希望2.1.4 32位微處理器創(chuàng)造了微機(jī)的輝煌2.1.5 爭議下誕生的多核微處理器2.1.6 炙手可熱的64位微處理器2.2 微處理器的評價(jià)2.2.1 衡量微處理器好壞的基本標(biāo)準(zhǔn)2.2.2 微處理器的計(jì)算性能評估2.3 Intel8086架構(gòu)與主要技術(shù)介紹2.3.1 Intel8086的指令級流水線2.3.2 Intel8086的基本體系架構(gòu)2.3.3 Intel8086工作模式與外部引腳2.3.4 Intel8086最小模式下的總線保持問題2.3.5 Intel8086最大模式下的總線讀寫周期2.3.6 Intel8086的中斷系統(tǒng)2.4 Intel80386技術(shù)構(gòu)架與主要技術(shù)2.4.1 Intel80386的體系結(jié)構(gòu)2.4.2 Intel80386流水線技術(shù)介紹2.4.3 80386工作模式2.4.4 80386的寄存器介紹2.4.5 80386的系統(tǒng)段及其描述符2.4.6 80386的引腳介紹2.4.7 Intel80386的保護(hù)機(jī)制介紹2.4.8 Intel80386的中斷介紹2.4.9 保護(hù)模式下任務(wù)的切換介紹2.5 奔騰微處理器技術(shù)構(gòu)架與主要技術(shù)2.5.1 IntelPentium的體系結(jié)構(gòu)2.5.2 IntelPentium的流水線技術(shù)2.5.3 IntelPentium的工作模式2.5.4 IntelPentium的引腳介紹2.5.5 高檔Pentium的新技術(shù)2.6 多核處理器2.6.1 正確理解多核處理器2.6.2 多核處理器面臨的問題與發(fā)展趨勢2.6.3 Intel雙核處理器介紹2.6.4 AMD雙核處理器介紹2.6.5 Core2Duo微處理器簡介習(xí)題2第3章 微機(jī)存儲系統(tǒng)3.1 微機(jī)存儲系統(tǒng)概論3.1.1 多級存儲系統(tǒng)3.1.2 存儲系統(tǒng)的性能評價(jià)3.2 內(nèi)存芯片的選擇與擴(kuò)充3.2.1 內(nèi)存芯片概述3.2.2 SRAM芯片的構(gòu)成3.2.3 DRAM存儲芯片介紹3.2.4 ROM存儲芯片3.2.5 芯片的容量擴(kuò)充技術(shù)3.2.6 內(nèi)存與CPU的連接問題3.3 內(nèi)存芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)3.3.1 FPMDRAM3.3.2 EDODRAM3.3.3 SDRAM3.3.4 其他先進(jìn)的內(nèi)存設(shè)計(jì)技術(shù)3.3.5 內(nèi)存條設(shè)計(jì)技術(shù)3.4 高速緩存技術(shù)3.4.1 微機(jī)系統(tǒng)的緩存配置方式介紹3.4.2 Cache的基本結(jié)構(gòu)與地址映像方式3.4.3 Cache與主存數(shù)據(jù)的一致性問題3.5 內(nèi)存的段式管理技術(shù)3.6 段頁式內(nèi)存管理技術(shù)3.7 虛擬存儲技術(shù)習(xí)題3第4章 微機(jī)的總線及接口技術(shù)4.1 總線分類與控制4.1.1 微機(jī)的總線分類與結(jié)構(gòu)4.1.2 總線控制4.2 常見的微機(jī)總線介紹4.2.1 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線4.2.2 EISA總線4.2.3 PCI總線4.2.4 AGP總線4.2.5 USB總線4.2.6 SCSI總線4.3 主板4.3.1 主板外部結(jié)構(gòu)介紹4.3.2 主板內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖析4.3.3 常用的控制芯片組介紹4.4 常見的微機(jī)連接部件介紹4.4.1 CPU插槽4.4.2 內(nèi)存插槽4.4.3 PCI插槽4.4.4 AGP插槽4.4.5 IDE接口4.4.6 RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)4.4.7 USB接口4.4.8 IEEE-488并行接口標(biāo)準(zhǔn)4.4.9 IEEE1394接口習(xí)題4第5章 微機(jī)的指令系統(tǒng)與尋址方式5.1 指令系統(tǒng)概述5.1.1 指令和程序5.1.2 指令設(shè)計(jì)的原則5.1.3 指令格式5.2 主要的操作數(shù)尋址方式5.2.1 簡單的尋址方式5.2.2 操作數(shù)在內(nèi)存的尋址方式5.2.3 轉(zhuǎn)移類指令的尋址方式5.2.4 隱含尋址問題分析5.3 Intel處理器的指令系統(tǒng)5.3.1 8086指令系統(tǒng)的功能分類5.3.2 Intel系列微處理器在指令系統(tǒng)上的功能擴(kuò)充習(xí)題5附錄A Intel微處理器指令集描述符號附錄B 8086／8088指令集附錄C 80x86新增的指令集附錄D Pentium新增指令集參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 微處理器與相關(guān)技術(shù)2.2 微處理器的評價(jià)上一節(jié)簡單地介紹了微處理器的發(fā)展情況，在那里涉及到許多微處理器的質(zhì)量或者性能指標(biāo)。有的讀者可能直觀地理解了它們，有的可能還沒有很好地理解。其實(shí)，評價(jià)一個(gè)處理器的好壞，的確是一件艱苦的工作。因?yàn)椋粋€(gè)處理器的好壞除了取決于它本身的一些重要性能指標(biāo)外，也取決于整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的部件是否能協(xié)調(diào)地工作。當(dāng)然，較為系統(tǒng)地了解微處理器的主要性能指標(biāo)和評價(jià)方法，是進(jìn)一步了解微處理器的一個(gè)重要途徑，也對我們實(shí)際工作有益。2.2.1 衡量微處理器好壞的基本標(biāo)準(zhǔn)1.計(jì)算與傳輸速度反映CPU計(jì)算速度的最直接指標(biāo)是主頻。主頻實(shí)質(zhì)上是CPU中的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，即在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，CPU的內(nèi)部計(jì)算和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸是按照主頻來設(shè)計(jì)同步時(shí)序的。主頻是我們衡量微處理器速度的最直觀和最常用的一個(gè)性能指標(biāo)。如上所述，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，微處理器的主頻可以說是提高最快的指標(biāo)之一，因此，我們在購買和評價(jià)一個(gè)CPU時(shí)，經(jīng)常關(guān)注這個(gè)指標(biāo)。例如，標(biāo)識為Pentium 4 3.2GHz的CPU后面的數(shù)字3.2 GHz技術(shù)是指微處理器的主頻?？梢钥隙ǎ黝l和CPU的實(shí)際運(yùn)算速度有關(guān)。但是，從微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展看，不能把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度簡單地理解為就是主頻。例如，任何的計(jì)算機(jī)除了CPU內(nèi)部的工作外，還需要和CPU外部的其他部件（內(nèi)存、外設(shè)等）進(jìn)行信息交換。

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《高檔微機(jī)原理與技術(shù)》是由清華大學(xué)出版社出版。

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