《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》以冯·诺依曼计算机模型为起点，系统地介绍了计算机系统的组成，以及各硬件组件的基本原理、工作方式和相互之间的连接与协作原理，为读者构建了完整的计算机硬件知识体系。《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》分为6章，主要内容包括计算机的组成与结构、二进制形式信息表示及其运算、中央处理器及其系统结构、指令系统与指令执行过程、存储器组织结构、输入/输出系统、中断系统及外部接口等。《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》在内容选材上注重科学性与先进性，紧跟计算机硬件技术的发展趋势，确保读者能够掌握最新的硬件知识和技术。在内容组织上遵循模块化、结构化和总体优化的编写原则，阐述深入浅出，衔接紧凑，便于读者理解和掌握。此外，《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》还配备了丰富的教学资源，如教学视频、PPT、实验教学案例及习题虚拟仿真实验指导等，以帮助读者更好地学习和掌握教材内容。《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》可作为高等院校非计算机专业的通识课程教材，也可作为高职高专学校计算机专业的教学用书，同时适合计算机爱好者自学。它旨在帮助读者系统地掌握计算机硬件技术的基础知识，为后续学习和工作打下坚实基础。

《计算机硬件技术基础（第2版）（微课版）》以“计算机的工作过程”为主线，逐步引导学生了解计算机工作过程中各硬件设备的工作原理及相关技术，以提高学生的计算机使用和开发能力为培养目标，是普通高等学校理工科专业的一门重要的计算机类公共基础课程。本教材配套有PPT课件、动画、案例、课程网站、教学录像等内容丰富的资源，为读者呈现了立体化的学习模式，尤其是本课程部署在中国大学MOOC网站的配套课程在2020年分别被评为国家级线上一流精品课程及国家一流本科课程，能够更好地服务于广大教师和学生，满足开放共享的现代化教学需要。

　　《计算机硬件技术基础(第2版)(微课版)》是面向理工科非电类专业开设的一门计算机公共基础课程。本书为该课程的配套教材，同时也是中国大学MOOC平台国家级线上一流本科课程的配套教材。教材内容涵盖计算机组成、二进制信息表示、加法器与运算器设计、寄存器与控制器结构、处理器与指令系统、存储设备及输入/输出接口等核心内容，旨在为读者提供一个全面、系统、深入的计算机硬件技术知识体系，帮助读者掌握计算机硬件的主要功能、组成结构以及基本原理。

　　本书共分为6章，内容主要按计算机硬件系统各功能部件进行组织介绍。第1章介绍计算机的系统组成，包括物理组成和逻辑组成。第2章阐述计算机中信息的二进制表示方法，以及二进制数据的运算和数字电路的基本实现方式。第3章解析中央处理器(CPU)和指令系统，详细讨论了中央处理器的一般结构及各结构部件的具体功能，介绍了与处理器相关的指令体系，指令格式、寻址方式、指令流水线等相关概念。第4章探讨计算机系统中的存储器组织，按存储器的分级管理模式分别介绍半导体主存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器、外存储器、网络存储等，并介绍了存储技术的新发展。第5章分析计算机系统中的数据传送，包括输入/输出接口、数据传送方式及中断技术。第6章讲解计算机与外部设备的通信接口、通信协议、常用接口技术及常见接口芯片。

　　本书由柳秀梅副教授担任主编并负责统稿，徐彬、张昱、张恩德、李封、焦明海担任副主编。具体分工：第1章和第3章由柳秀梅编写；第2章由李封编写；第4章由徐彬编写；第5章由张昱编写；第6章由张恩德和焦明海编写。在此，谨向参与编写及出版本书的各位老师、编辑及工作人员致以诚挚的谢意！

　　与第1版相比，本版在保持原知识体系完整性的基础上进行了以下修订；包括更新了部分过时的硬件技术和产品，补充了最新的硬件技术动态；优化了部分章节的结构和内容，使其更加符合读者的学习需求；新增以中央处理器为核心的虚拟仿真实践项目，包括加法器与运算器设计、寄存器组与控制器设计、指令系统分析及程序设计、存储器实验、I/O接口及设备测试实验等，帮助读者更好地理解硬件与软件的协同关系。实验项目指导可通过教材所提供的电子资源获取。

　　本版的修订编写工作得到了全国高校计算机基础教育研究会和东北大学的立项支持，在此也要向他们表示深切的谢意！

　　由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请读者给予批评指正，不胜感激。

　　　编 者

柳秀梅，博士，副教授。长期从事计算机基础教育的研究与教学工作，所主讲的“计算机硬件技术基础”课程2020年分别被评为国家级线上一流精品课程及辽宁省一流本科课程。主持并参与多个省部级教改项目，并多次获奖。作为第一作者在国内外公开发行的刊物上教学论文多篇，并先后主持并参与出版多部计算机基础类教材。

第1章 计算机系统组成1

1.1 计算机的发展概况及应用领域2

1.1.1 计算机的发展历史2

1.1.2 CPU的发展与制造简介4

1.1.3 计算机的应用领域7

1.2 计算机系统的物理组成及特点8

1.3 计算机系统的逻辑组成及特点10

1.3.1 计算机系统的层次结构10

1.3.2 冯·诺依曼体系结构11

1.3.3 计算机系统的核心功能——运算与控制13

1.3.4 计算机程序的执行过程14

1.4 计算机系统的主要性能指标15

1.4.1 计算机的基本性能指标15

1.4.2 CPU的主要性能指标16

本章小结17

复习思考题18

第2章 计算机系统的运算功能20

2.1 数值信息与文本信息的表示20

2.1.1 计算机中常用的计数制20

2.1.2 数值信息23

2.1.3 非数值信息26

2.2 算术运算29

2.2.1 进位与借位29

2.2.2 溢出30

2.3 逻辑运算31

2.4 运算的电路实现34

2.4.1 门电路34

2.4.2 典型逻辑器件35

本章小结41

复习思考题41

课程虚拟仿真实验43

第3章 中央处理器44

3.1 CPU的功能和组成45

3.1.1 CPU的功能45

3.1.2 CPU的内部组成45

3.2 指令系统51

3.2.1 指令集的派系51

3.2.2 指令的基本格式52

3.2.3 指令的操作类型54

3.2.4 指令的寻址方式56

3.3 指令周期61

3.4 指令的执行方案62

3.4.1 单指令周期方案63

3.4.2 多指令周期方案63

3.4.3 流水线方案63

3.5 CPU实例——Intel x86微处理器67

3.5.1 Intel 8086/808867

3.5.2 Intel x86微处理器的演进之路76

3.6 Intel x86指令系统82

3.6.1 指令系统概述82

3.6.2 常用指令介绍84

3.7 汇编语言程序设计99

3.7.1 伪指令99

3.7.2 操作数的基本组成108

3.7.3 基本的结构化程序设计111

本章小结115

复习思考题115

课程虚拟仿真实验119

第4章 计算机系统中的存储器120

4.1 概述121

4.1.1 存储器的分类121

4.1.2 存储器的主要性能指标122

4.1.3 存储器的分层管理123

4.2 半导体主存储器125

4.2.1 半导体主存储器的组成及单元结构125

4.2.2 存储器的扩展126

4.2.3 RAM和ROM128

4.3 高速缓冲存储器132

4.4 虚拟存储器141

4.5 内存技术的发展146

4.6 外存技术的发展149

4.7 新型存储技术的发展155

本章小结156

复习思考题156

课程虚拟仿真实验158

第5章 计算机系统中的数据传送159

5.1 输入/输出接口160

5.1.1 输入/输出接口的概念和基本功能160

5.1.2 输入/输出端口及编址方式163

5.2 数据传送方式164

5.2.1 无条件传送方式164

5.2.2 软件查询传送方式165

5.2.3 中断传送方式167

5.2.4 DMA传送方式170

5.2.5 I/O通道控制方式172

5.3 数据传送的物理通路——总线173

5.3.1 总线分类174

5.3.2 三芯片结构和双芯片结构175

5.4 中断技术177

5.4.1 中断的基本概念177

5.4.2 中断的工作过程178

5.4.3 中断优先级及嵌套179

5.4.4 中断控制器简介180

本章小结182

复习思考题183

第6章 常用外部接口芯片187

6.1 常见外部接口187

6.1.1 数字接口和模拟接口188

6.1.2 串行接口与并行接口190

6.1.3 有线接口和无线接口192

6.2 串行通信与串行接口芯片192

6.2.1 串行通信192

6.2.2 串行通信接口199

6.2.3 常用串行接口芯片201

6.3 并行通信与并行接口芯片211

6.3.1 并行通信和并行接口211

6.3.2 常用并行接口芯片212

6.4 模拟信号的输入与输出227

6.4.1 概述227

6.4.2 A/D转换器229

6.4.3 D/A转换器233

6.5 可编程定时器/计数器238

6.5.1 定时/计数系统238

6.5.2 定时/计数信号的产生方法239

6.5.3 可编程定时器/计数器的

原理240

本章小结256

复习思考题256

课程虚拟仿真实验258

参考文献259