内容简介
《全国计算机等级考试四级教程:计算机组成与接口(2016年版)》是根据教育部考试中心颁布的《全国计算机等级考试四级计算机组成与接口考试大纲(2013年版)》的要求编写的。教材内容紧扣考试大纲要求,力求做到简明扼要,在介绍基本概念的同时,把四级计算机组成与接口考试所要求的硬件知识贯穿在教材中。教材的知识包含三部分内容:计算机基本知识;汇编语言程序设计方法和计算机接1:3程序设计技术。前两部分内容是学好第三部分的基础。本教材的内容是计算机组成与接口的基础知识,主要包括微型计算机的基本构成、数据的表示方法、存储器的工作原理和CPU的连接方法、I/O接口芯片的工作原理和程序设计方法以及总线类型等。深入理解和熟练掌握本教材内容,是成为一名优秀的硬件开发工程师所必需的。
《全国计算机等级考试四级教程:计算机组成与接口(2016年版)》除作为四级计算机组成与接口考试参考用书外,也可作为高等院校计算机专业“微机原理与应用”课程的教材,同时可作为电子信息、物联网、通信、自动化、测控专业“微机原理”课程的教材。
内页插图
目录
第一章 计算机系统概述
1.1 计算机的基本组成
1.1.1 硬件系统
1.1.2 软件系统
1.1.3 计算机系统层次结构
1.2计算机硬件的主要技术指标
1.2.1 机器字长
1.2.2 主存容量
1.2.3 运算速度
1.3 数据信息的表示
1.3.1 常用记数制及其相互转换
1.3.2 真值和机器数
1.3.3 二一十进制编码
1.3.4 ASCII码
1.3.5 定点数的表示
1.3.6 浮点数的表示
1.4 CPU的基本结构和工作机理
1.4.1 CPU的基本结构
1.4.2 指令和指令周期
1.4.3 指令流水线技术
1.4.4 8086 CPU
1.4.5 Pentium微处理器
第二章 存储器
2.1 概述
2.1.1 存储器的分类
2.1.2 存储器的层次结构
2.1.3 高速存储技术
2.1.4 虚拟存储技术
2.1.5 地址映像技术
2.1.6 替换策略
2.1.7 保护模式下Pentium微处理器的存储管理
2.2 主存储器
2.2.1 主存储器的基本结构和指标
2.2.2 随机存取存储器
2.2.3 只读存储器
2.2.4 存储器与CPU的连接
2.3 辅助存储器
2.3.1 硬磁盘存储器
2.3.2 光盘存储器
第三章 汇编语言程序设计
3.1 概述
3.1.1 机器语言和汇编语言
3.1.2 数据表示
3.2 8086微处理器的寻址方式
3.2.1 立即数寻址
3.2.2 寄存器寻址
3.2.3 直接寻址
3.2.4 寄存器间接寻址
3.3 8086汇编指令系统
3.3.1 可执行指令
3.3.2 不可执行指令
3.4 汇编程序
3.4.1 汇编程序的设计方法
3.4.2 流程图的基本结构
3.4.3 汇编程序基本结构
3.4.4 顺序程序结构
3.4.5 分支程序结构
3.4.6 循环程序结构
3.4.7 子程序结构
3.4.8 中断程序结构
第四章 计算机中断技术
4.1 中断的基本概念
4.1.1 中断的类型
4.1.2 中断的优先级
4.1.3 中断嵌套
4.1.4 中断类型码和中断向量
4.1.5 中断响应和处理过程
4.2 Pentium微处理器的中断
4.3 中断控制器8259A芯片简介
4.3.1 8259A引脚结构
4.3.2 8259A芯片功能
4.3.3 8259A芯片的编程结构
4.3.4 8259A的中断响应过程
4.3.5 8259A编程
4.3.6 8259A应用举例
第五章 计算机和外设的数据交换技术
5.1 概述
5.2 CPU和外设之间的数据传送方式
5.2.1 程序传送方式
5.2.2 中断传送方式
5.2.3 DMA传送方式
5.3 串行通信
5.3.1 基本概念
5.3.2 可编程串行通信接口8251A
5.3.3 825lA的编程
5.3.4 825lA应用举例
5.4 并行通信
5.4.1 可编程并行通信接口8255A
5.4 .2 8255A的编程
5.4.3 8255A应用举例
5.5 计数器/定时器接口电路8253
5.5.1 8253的编程
5.5.2 8253应用举例
第六章 D/A和A/D转换
6.1 基本概念
6.1.1 计算机的模拟接口
6.1.2 运算放大器的原理及应用
6.1.3 AD7501芯片简介
6.2 D/A转换器
6.2.1 基本工作原理
6.2.2 D/A转换电路常用的参数和术语
6.2.3 DAC0832数/模转换器
6.3 A/D转换器
6.3.1 基本工作原理
6.3.2 A/D转换电路常用的参数和术语
6.3.3 ADC0809芯片简介
第七章 人机接口
7.1 鼠标
7.2 键盘
7.2.1 简单的按键电路
7.2.2 个人计算机键盘原理
7.3 显示
7.3.1 发光二极管
7.3.2 七段数码显示器
7.3.3 液晶显示器
7.4 打印机
7.4.I针式打印机
7.4.2 喷墨打印机
7.4.3 激光打印机
7.4.4 打印机接口
第八章 总线
8.1 概述
8.1.1 总线结构
8.1.2 总线分类
8.1.3 总线的特性
8.1.4 总线的性能指标
8.2 总线的基本功能
8.2.1 总线仲裁控制
8.2.2 总线通信控制
8.2.3 总线数据传送模式
8.2.4 总线驱动及出错处理
8.3 流行PC总线
8.3.1 系统总线
8.3.2 外部总线
附录1 全国计算机等级考试四级
计算机组成与接口考试大纲(2013年版)
附录2 全国计算机等级考试四级
计算机组成与接口样卷及
参考答案
参考文献
《现代计算机体系结构:从原理到实践》 简介: 本书旨在为读者系统性地梳理现代计算机体系结构的核心概念、设计原理及其在实践中的应用。不同于侧重特定考试大纲的教材,本书将目光聚焦于计算机系统最基础、最核心的组成部分,深入剖析其工作机制,并拓展至对现代处理器、存储系统、输入输出设备以及软硬件接口的深入理解。本书的目标是培养读者对计算机系统整体运作的深刻认知,而非应试技巧。 第一章:数字逻辑基础与逻辑门电路 本章将从最基本的数字信号和二进制表示法入手,为理解计算机底层工作原理奠定基础。我们将详细介绍逻辑门(AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR)的功能、真值表及其基本逻辑运算。在此基础上,我们将探讨组合逻辑电路的设计,如编码器、译码器、多路选择器和加法器,理解它们如何实现基本的算术和逻辑功能。此外,还会介绍触发器、时序逻辑电路等基本存储单元,为理解寄存器和内存的构成提供理论依据。本章将通过大量图示和示例,帮助读者直观地理解这些基础概念。 第二章:数据的表示与运算 本章深入探讨计算机如何内部表示和处理数据。我们将详细介绍不同数据类型(整数、浮点数)的二进制表示方法,包括原码、反码、补码以及 IEEE 754 标准的浮点数表示。在此基础上,我们将分析各种算术运算(加、减、乘、除)在二进制下的实现方式,以及如何利用硬件电路(如ALU)高效地执行这些运算。我们还会讨论溢出检测、舍入误差等问题,并探讨它们对计算精度的影响。本章将通过对不同数值表示法的比较和算术运算的模拟,加深读者对数据处理过程的理解。 第三章:中央处理器(CPU)结构与指令集 本章将聚焦于计算机的核心——中央处理器(CPU)。我们将剖析CPU的内部结构,包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、通用寄存器、算术逻辑单元(ALU)以及控制单元。我们将详细讲解指令周期的各个阶段:取指令、指令译码、执行指令、写回结果。接着,我们将深入探讨指令集架构(ISA),介绍RISC(精简指令集计算)和CISC(复杂指令集计算)两种主要的设计哲学,并分析它们的优缺点。我们将通过讲解不同类型的指令(数据传输、算术逻辑、控制转移、输入输出)及其编码格式,阐述CPU如何理解和执行程序。此外,还将介绍流水线技术、分支预测等提高CPU性能的关键技术。 第四章:存储器层次结构与内存管理 本章将详细阐述计算机存储系统的层次化设计。我们将从CPU内部的寄存器开始,逐级向下介绍高速缓存(Cache)的原理、工作方式(直接映射、组相联映射、全相联映射)及其对程序性能的影响。接着,我们将深入探讨主存储器(RAM)的结构和工作原理,包括DRAM和SRAM的区别,以及内存控制器在数据访问中的作用。最后,我们将介绍虚拟存储器技术,包括页式存储管理、段式存储管理以及它们如何扩展物理内存,提高内存利用率和系统安全性。本章将通过分析缓存命中率、缺页中断等概念,帮助读者理解存储器访问的性能瓶颈和优化策略。 第五章:输入输出(I/O)系统与接口技术 本章将关注计算机与外部设备之间的通信机制。我们将介绍I/O设备的基本分类及其工作原理,如键盘、鼠标、显示器、硬盘等。接着,我们将详细讲解I/O控制器在协调CPU与I/O设备之间数据传输中的作用。我们将深入分析不同的I/O传输模式:程序控制I/O、中断驱动I/O、直接内存访问(DMA)。DMA技术作为一种重要的I/O加速手段,将得到重点讲解,包括其工作原理和对系统性能的提升。此外,本章还会介绍通用I/O接口标准,如USB、PCIe等,以及它们在连接和管理外设方面的作用。 第六章:总线结构与通信协议 本章将深入探讨计算机内部各组件之间数据传输的“高速公路”——总线。我们将介绍不同类型总线(数据总线、地址总线、控制总线)的功能和工作方式。我们将分析串行总线和并行总线在传输速率、复杂度等方面的差异。此外,本章还将介绍总线仲裁机制,解决多个设备同时请求总线访问的冲突问题。我们还会探讨一些常见的总线标准,例如PCI、AGP(虽然已过时,但有助于理解发展演变)以及现代系统中的PCIe,并讲解它们在数据传输速率、带宽和拓扑结构上的特点。 第七章:指令流水线与并行处理 本章将聚焦于提升计算机执行效率的关键技术——指令流水线。我们将详细阐述指令流水线的概念,将其分解为取指令、译码、执行、访存、写回等多个阶段。我们将分析流水线可以带来的理论性能提升,并讨论可能出现的“流水线冒险”(结构冒险、数据冒险、控制冒险)及其解决方法,如指令重排、延迟槽、分支预测等。在此基础上,我们将进一步探讨更高级的并行处理技术,如超标量处理器、乱序执行、多线程等,以及多核处理器的基本概念,从而为理解现代高性能计算提供基础。 第八章:中断与异常处理机制 本章将深入探讨计算机系统处理突发事件和错误情况的关键机制:中断与异常。我们将区分硬件中断(如I/O设备请求)和软件中断(如系统调用),并详细讲解中断向量表、中断服务程序(ISR)的工作流程。我们将分析中断优先级、中断嵌套等概念,以及它们如何确保系统稳定高效地响应各种事件。同时,我们将讨论异常(如除以零、非法指令)的处理过程,以及它们如何保障程序的正确执行和系统的健壮性。本章将通过分析中断和异常处理流程图,帮助读者理解这些机制的精妙设计。 第九章:计算机系统性能评估与优化 本章将引导读者从系统整体层面思考计算机性能。我们将介绍衡量计算机性能的各种指标,如时钟频率、CPI(每条指令的时钟周期数)、指令吞吐率、内存访问延迟等。我们将讨论如何使用性能分析工具(如性能计数器、代码分析器)来识别性能瓶颈。在此基础上,我们将探讨一些常见的性能优化策略,包括算法优化、数据结构选择、指令集选择、缓存优化、I/O优化以及并行计算的应用。本章将鼓励读者将前几章学到的理论知识应用于实际的性能分析和改进。 第十章:现代处理器架构与发展趋势 本章将对前面章节的知识进行升华,探讨现代处理器架构的设计理念和前沿发展。我们将回顾和总结RISC-V等新兴指令集架构的特点和优势。我们将深入分析多核处理器、异构计算(如CPU+GPU)的集成,以及它们在提升并行处理能力方面的作用。此外,我们还将探讨功耗管理、指令集扩展(如SIMD指令集)、以及未来可能的技术发展方向,例如量子计算、神经形态计算等,为读者勾勒出计算机体系结构未来发展的宏伟蓝图。 本书力求在严谨的理论基础上,辅以丰富的实例和图解,帮助读者构建起扎实的计算机系统知识体系。无论您是计算机科学领域的初学者,还是希望深入理解计算机底层运作的专业人士,本书都将是您不可或缺的学习资源。
这本书给我最大的惊喜在于它对中断和DMA的讲解。我一直觉得这两个概念是计算机系统中非常核心但又容易混淆的部分,而这本书的处理方式简直是神来之笔。它没有直接抛出复杂的概念,而是从实际的应用场景出发,例如当键盘输入或者鼠标点击发生时,计算机是如何快速响应的。然后,它巧妙地引入了中断的概念,并详细解释了中断请求、中断向量表、中断服务程序等关键要素。书中用流程图的方式清晰地展示了中断处理的全过程,包括中断的触发、CPU的状态保存、中断向量的查找以及中断服务程序的执行,最后还有中断返回的处理。这个流程图真的是太直观了,让我一下子就明白了中断机制的精髓。更令我惊叹的是,它还详细讲解了不同类型的I/O接口,特别是那些支持DMA的接口。DMA(直接内存访问)的概念对于提高I/O效率至关重要,而书中对其原理的阐述,包括DMA控制器的工作流程、传输模式(如突发模式、单次模式)以及如何与CPU和内存协同工作,都进行了细致的分解。我尤其喜欢书中对DMA传输过程中数据如何在外设和内存之间进行无CPU干预的独立传输的描述,这让我对计算机的并行处理能力有了更深的认识。而且,书中还给出了一些实际的DMA应用案例,这有助于将抽象的理论知识与实际应用联系起来。总而言之,这本书在中断和DMA这两个关键的I/O和通信机制方面,提供了非常透彻的讲解,对于理解计算机的高效运作非常有帮助。