计算机组成原理与接口技术：基于MIPS架构 pdf下载

本书汇集华中科技大学电子信息与通信学院基于FPGA平台的“微机原理与接口技术”课程教学改革的成熟经验，以MIPS微处理器为背景，全面阐述计算机组成原理与接口技术。全书介绍了两类计算机编程语言：汇编语言有助于读者深刻理解计算机内部工作机制；C语言用于撰写各类接口驱动程序。通过对计算机系统结构及高级语言编程控制相关内容的论述，力求帮助读者建立从数字电路到计算机系统软、硬件协同工作的知识体系。

作为经典图书升级版本，本书配套极为丰富。对于各章节部分重难点内容提供实践教学演示视频在线资源；同时还提供慕课资源、精美课件、工程源码、习题答案和大量补充阅读材料。本书实践性强，读者在学习过程中还可以充分利用上述资源及配套的《计算机组成原理与接口技术实验教程——基于MIPS架构》（第2版）（ISBN: 9787302512622）进行实践。

　　华中科技大学电子信息与通信学院基于FPGA平台的“微机原理与接口技术”课程教学改革已进行数载，作者在总结教学经验基础上，对《计算机组成原理与接口技术》进行了修订，以MIPS微处理器为背景，全面阐述了计算机组成原理与接口技术。
　　《计算机组成原理与接口技术：基于MIPS架构（第2版）/高等学校电子信息类专业系列教材》同时配有丰富的教学资源，适合作为“计算机组成原理”“微机原理与接口技术”等课程的教材，并可作为从事计算机应用技术的工程技术人员的参考用书。
　　华中科技大学电子信息与通信学院基于FPGA平台的“微机原理与接口技术”课程教学改革已进行数载，在总结教学经验基础上，编者对《计算机组成原理与接口技术》（第1版）进行了修订，以MIPS微处理器为背景，全面阐述了计算机组成原理与接口技术。
　　《计算机组成原理与接口技术：基于MIPS架构（第2版）/高等学校电子信息类专业系列教材》同时配有丰富的资源，请到清华大学出版社网站《计算机组成原理与接口技术：基于MIPS架构（第2版）/高等学校电子信息类专业系列教材》页面下载。

左冬红，博士、华中科技大学湖北省智能互联网技术重点实验室教师，主要研究领域为无线网络技术、流媒体分发技术、嵌入式家庭媒体网关设备等。历年承担“微机原理与接口技术” “数字电子技术”等课程的教学工作，多次承担华中科技大学“微机原理与接口技术”课程相关的教学改革研究项目。发表相关教学改革研究论文多篇。

《计算机组成原理与接口技术（第2版）》基于MIPS架构介绍计算机组成原理和工作机制，并以功能强大的可编程器件为课程实验平台，要求学生从使用他人的计算机到自己设计一个简单计算机并完成指定任务，开辟了微机原理课程教学的新途径，为嵌入式系统设计打下了坚实基础。

——张林 湖北省名师工作室主持人

Xilinx很荣幸能与本书作者和其所在的华中科技大学电信学院在课程改革和学生能力培养校企合作多年，深深被其严谨的治学态度和精益求精的作风折服，获益良多。本书是长期合作中的又一成果。本书能帮助读者建立从数字电路到计算机系统软、硬件协同工作的知识体系，帮助读者在系统中学习微机原理与接口。同时，《计算机组成原理与接口技术（第2版）》配套了丰富的视频教案、习题资料以及拓展阅读，更加立体地帮助读者学习，是一本不可多得的好书！

——陆佳华 Xilinx学术与创新生态高级经理

《计算机组成原理与接口技术（第2版）》是教育部-DIGILENT产学合作协同育人项目与华中科技大学合作的优秀成果，基于业界广泛使用的MIPS架构，将理论原理与工程技术充分融合，与时俱进的同时加入了大量帮助读者深入理解基本原理的例题、思考题以及练习题。本书还配套有《计算机组成原理与接口技术实践教程（第2版）》，将理论充分联系实践，与MOOC资源等立体性内容形成了“新工科”背景下建设“一流”课程的标杆性资源，同样适用于兄弟高校教师以及社会学习者阅读。

——李甫成 美国DIGILENT科技大中华区总经理

第1章计算机基础

1.1计算机发展简史

1.2计算机系统构成

1.2.1中央处理器CPU

1.2.2总线

1.2.3存储器

1.2.4输入/输出接口

1.2.5输入/输出设备

1.3计算机工作原理

1.4计算机系统结构模型

1.5计算机系统中的信息表示

1.5.1不同数制及其相互转换

1.5.2整数在计算机中的表示

1.5.3小数在计算机中的表示

1.5.4字符在计算机中的表示

1.6计算机运算基础

1.6.1无符号数运算

1.6.2符号数运算

1.6.3浮点数运算

1.7计算机系统中数据的存储

1.7.1存储字节序

1.7.2C语言数据

本章小结

思考与练习

第2章汇编语言

2.1计算机语言

2.2计算机指令架构

2.3MIPS汇编指令一般格式

2.4MIPS指令操作数

2.4.1寄存器操作数

2.4.2存储器操作数

2.4.3立即数

2.5MIPS指令编码

2.5.1R型指令

2.5.2I型指令

2.5.3J型指令

2.6常用MIPS汇编指令

2.6.1数据传送指令

2.6.2算术运算指令

2.6.3位运算指令

2.6.4程序控制类指令

2.7子程序原理

2.7.1子程序相关指令

2.7.2栈

2.7.3子程序嵌套调用

2.7.4程序的存储映像

2.8字符数据处理

2.9寻址原理

2.9.1操作数寻址

2.9.2指令寻址

2.10编译、汇编、链接、装载过程

2.10.1编译

2.10.2汇编

2.10.3链接

2.10.4装载

2.11汇编程序设计

2.11.1伪指令

2.11.2宏指令

2.11.3系统功能调用

2.11.4汇编程序设计举例

2.12Intel x86微处理器指令集简介

本章小结

思考与练习

第3章微处理器

3.1微处理器基本结构

3.2单周期简单指令集MIPS微处理器设计

3.2.1简单指令集MIPS微处理器数据通路

3.2.2简单指令集MIPS微处理器控制器

3.2.3简单指令集MIPS微处理器典型指令执行过程

3.3微处理器新技术

3.3.1流水线技术

3.3.2超标量技术

3.3.3多核处理器

3.4微处理器异常处理机制

3.4.1异常事件识别

3.4.2断点保存和返回

3.4.3异常处理程序进入方式

3.5微处理器外部接口

3.5.1Intel x86微处理器外部接口示例

3.5.2嵌入式微处理器外部接口示例

3.6MicroBlaze微处理器简介

3.6.1指令架构

3.6.2寄存器

3.6.3外部接口

3.6.4最小系统

本章小结

思考与练习

第4章存储系统

4.1分级存储系统

4.2高速缓存

4.2.1映射策略

4.2.2读策略

4.2.3写策略

4.2.4替换策略

4.3虚拟存储器

4.3.1内存分段管理

4.3.2内存分页管理

4.3.3内存段页式管理

4.3.4分页虚拟存储器管理

4.4存储系统分级协同

4.5实例

本章小结

思考与练习

第5章总线技术

5.1计算机总线结构

5.1.1单总线结构

5.1.2双总线结构

5.1.3多总线结构

5.2总线技术基础

5.2.1分类

5.2.2性能指标

5.2.3总线通信流程

5.2.4仲裁策略

5.2.5信息传输与错误检测

5.2.6定时方式

5.2.7操作类型

5.3AXI片内总线

5.3.1AXI总线结构

5.3.2AXI总线信号

5.3.3AXI总线操作时序

5.4PCI局部总线

5.4.1PCI总线信号

5.4.2PCI总线时序

5.5常见外部总线简介

5.5.1SATA总线

5.5.2USB通用串行总线

5.5.3UART通用异步串行通信总线

5.5.4SPI串行外设总线

5.5.5I2C总线

本章小结

思考与练习

第6章半导体存储器接口

6.1半导体存储芯片分类

6.2典型存储芯片

6.2.1异步SRAM存储芯片

6.2.2NOR Flash存储芯片

6.2.3NAND Flash存储芯片

6.2.4同步SSRAM存储芯片

6.2.5SDRAM存储芯片

6.2.6DDR2 SDRAM存储芯片

6.3存储器接口设计

6.3.1存储容量扩展

6.3.2存储空间映射

6.3.3存储器组织结构

6.3.4多类型数据访问存储器接口

6.4存储控制器

6.4.1AXI EMC存储控制器

6.4.2DRAM存储控制器

6.5内存条简介

本章小结

思考与练习

第7章I/O接口

7.1接口基本概念

7.1.1接口功能

7.1.2接口构成

7.1.3I/O接口数据传送方式

7.1.4接口电路数据传送控制方式

7.2I/O寻址

7.2.1独立I/O寻址

7.2.2存储器映像I/O寻址

7.3端口读写指令及函数

7.3.1端口读写汇编指令

7.3.2Standalone BSP C语言端口读写函数

7.4I/O接口总线控制逻辑

7.4.1地址总线

7.4.2数据总线

7.4.3控制总线

7.5常用数字并行I/O设备接口

7.5.1独立开关接口

7.5.2独立发光二极管接口

7.5.3矩阵键盘接口

7.5.4七段数码管接口

7.5.5LED点阵接口

7.6模拟设备并行I/O接口

7.6.1ADC1210简介

7.6.2ADC1210接口

7.7通用并行I/O接口

7.7.1GPIO IP核

7.7.2Standalone BSP GPIO宏定义

7.7.3GPIO应用示例

7.8外设控制器

7.8.1AXI总线EPC

7.8.2EPC应用示例

本章小结

思考与练习

第8章中断技术

8.1中断控制器构成

8.1.1中断请求信号保持与清除

8.1.2中断源识别

8.1.3中断优先级

8.1.4中断控制

8.2中断控制器AXI INTC

8.2.1基本结构

8.2.2中断处理流程

8.2.3中断信号时序

8.2.4应用电路

8.2.5编程控制

8.3微处理器中断响应过程

8.3.1微处理器中断响应一般过程

8.3.2MicroBlaze中断响应过程

8.3.3中断控制程序

8.4中断控制相关C语言程序设计基础

8.4.1mbgcc编译器中断服务程序定义

8.4.2Standalone BSP MicroBlaze中断相关API函数

8.4.3Standalone BSP INTC相关宏定义

8.4.4AXI INTC普通中断模式中断控制程序设计

8.4.5AXI INTC快速中断模式中断控制程序设计

8.5中断应用示例

8.5.1GPIO中断

8.5.2定时器中断

8.5.3SPI总线接口中断

8.5.4多中断源应用示例

本章小结

思考与练习题

第9章DMA技术

9.1DMA传输基本原理

9.1.1DMA传输系统

9.1.2DMA传输方向

9.1.3DMA传输模式

9.1.4DMA传输流程

9.1.5DMA响应条件

9.2DMA控制器

9.2.1AXI CDMA结构

9.2.2AXI CDMA控制流程

9.2.3Standalone BSP CDMA宏定义

9.3CDMA应用示例

9.3.1UARTLite IP核简介

9.3.2简单DMA传输

9.3.3分散/聚集DMA传输

本章小结

思考与练习题

第10章人机接口

10.1图形显示输出设备

10.1.1液晶显示器

10.1.2液晶显示屏接口

10.1.3液晶显示器接口标准

10.1.4显示设备标准

10.2VGA接口控制器

10.2.1VGA时序

10.2.2VGA控制器

10.2.3VGA控制器设计

10.2.4AXI TFT控制器

10.2.5显示应用示例

10.3键盘及鼠标输入设备

10.3.1键盘

10.3.2鼠标

10.4PS/2协议

10.4.1PS/2设备到计算机的通信

10.4.2计算机到PS/2设备的通信

10.4.3PS/2控制器

10.4.4键盘控制程序示例

10.4.5鼠标控制程序示例

本章小结

思考与练习

附录常用MIPS整数指令编码

参考文献

第2版前言

华中科技大学电子信息与通信学院基于FPGA平台的“微机原理与接口技术”课程教学改革已进行数载，在总结教学经验基础上，编者对《计算机组成原理与接口技术》（第1版）进行了修订。第2版除梳理第1版教学内容之外，同时做了以下改进：

（1） 与纸质教材配套，提供大量课外阅读资料，如IP核数据手册、集成芯片数据手册、补充读物等。

（2） 各章节部分重点、难点内容通过二维码形式提供实践教学演示视频在线资源，以期通过多媒体的方式帮助读者理解所学知识，掌握实践手段。

（3） 各章节例题及练习题涉及的硬件工程、程序代码提供在线资源，以便学习实践。

（4） 增加了大量的思考与练习题，并且大部分思考与练习题提供参考答案在线资源，以便检验所学知识。

（5） 调整了第4章存储器管理教学内容的组织方式，将内存分页、分段及段页式管理并入第4.3节，内存组织结构并入第6章，使得逻辑更加清晰。

（6） 新增第6章，增加常用并行半导体存储芯片接口的介绍。限于篇幅，教材中文字仅做简要介绍，读者可通过在线课外阅读资料获取部分典型并行半导体存储芯片接口控制的具体介绍。另外增加了大量的例题，阐述存储器接口的设计原理，同时还增加了DDR SDRAM存储器接口控制器MIG及其应用示例的介绍。

（7） 接口技术所涉章节（第7~10章）的接口控制程序统一采用端口读写函数编写，有利于读者理解接口控制的基本原理。接口驱动API函数及基于接口驱动API函数编写的控制程序可通过扫描教材中的二维码获取，这样有利于学有余力的读者掌握基于API函数编写控制程序的技术。

（8） 第8章介绍了中断控制器INTC的两种工作模式，即普通中断模式和快速中断模式，以便读者进一步理解不同中断处理方式的特点和流程。其中INTC快速中断对应硬件向量中断处理方式，普通中断对应软件中断处理方式。

（9） 第9章介绍了集中式DMA控制器CDMA的两种DMA处理方式： 简单DMA和分散/聚集DMA传输。简单DMA是指一次DMA传输仅针对一个I/O设备； 分散/聚集DMA是指一次DMA传输可以针对多个I/O设备，类似通道处理方式。

（10） 第10章增加了液晶显示屏及液晶显示器接口标准的介绍，同时也增加了基于硬件描述语言的VGA接口IP核及PS2接口IP核的设计。

（11） 增加了大量的例题，通过例题的讲解使读者进一步理解基本原理。

（12） 所有章节增加小结，通过小结再次串联本章所涉知识点，以求融会贯通。

本教材部分章节教学内容涉及知识面广、深，适合有一定基础的读者学习。编者根据48课内教学学时，提出如表1所示的教学建议。

本课程实践性较强，读者在学习过程中，可充分利用本教材提供的在线资源及与本教材配套的《计算机组成原理与接口技术实验教程——基于MIPS架构》（第2版）进行实践，这样能更好地掌握本教材所涉及知识。

本教材编写过程中得到了课程组组长罗杰老师及课程组杨明老师的大力支持，他们给教材的编写提供了很多宝贵的建议，在此表示感谢！同时也感谢清华大学出版社各位编辑为本教材的再版做出的努力！

鉴于编者水平及时间限制，教材内容难免存在不妥之处，欢迎读者来信探讨或提出宝贵意见： sixizuo@163.com。

编者

2019年8月于武汉

第1版前言

随着计算机技术的发展，各类嵌入式微处理器层出不穷，而且功能越来越强大，这动摇了以Intel x86微处理器为背景的“计算机组成原理与接口技术”作为信息学科基础课的根基。这是由于“计算机组成原理与接口技术”以Intel x86体系架构中8086为主要教学内容，已经滞后于时代需求。一方面，随着计算机技术的发展，仅介绍8086及基于扩展ISA总线的825x系列简单接口设计已经非常落后； 另一方面，以往教学内容注重介绍芯片使用，且内容的组织方式与课程体系中相关课程的联系不够紧密，不符合专业基础课教学要求。因此，课程改革势在必行，近年来国内很多高校都在对这门课程进行改革。

在调研国内外计算机组成原理和接口技术相关课程教学内容组织及教材建设的基础上，结合目前教育部计算机教学指导委员会提出的增强学生系统能力培养的目标，并根据目前国内大学计算机类课程教学改革需要，编写了此书。本书力求帮助读者建立从数字电路到计算机系统软、硬件协同工作的知识体系。本书以MIPS微处理器为背景，采用FPGA作为试验基础平台，一方面通过增加C语言典型数据类型以及常用语句在汇编语言级别的实现，增强计算机原理课程与高级程序设计语言课程之间的联系，更好地培养学生理解计算机软件工作原理的能力； 另一方面通过增加简单指令集微处理器设计的相关内容，增强计算机原理课程与数字逻辑电路设计课程之间的联系，以便学生更好地理解计算机硬件的基本工作原理，并在此基础上以Xilinx FPGA MicroBlaze软核微处理器为核心，辅以各类IP软核，帮助读者学会构建功能复杂的计算机系统。

本书共分为9章。

第1章介绍计算机原理基础知识，包括计算机系统的发展历史、计算机系统的基本结构、计算机系统的基本工作原理、不同计算机系统结构模型，以及计算机系统中数据、信息的表示、存储、运算基础等，帮助读者建立对计算机系统构成、工作原理的初步认识。

第2章以MIPS微处理器汇编指令为原型介绍汇编指令结构、常用MIPS汇编指令应用、寻址方式、汇编程序设计、子程序实现原理和程序的编译、链接、装载、运行的过程。汇编语言是与硬件连接最紧密的程序设计语言，能够帮助读者透彻理解软件控制硬件工作的原理。

第3章介绍微处理器的基本构成，并以MIPS微处理器为例，介绍一个基于给定指令集的简单的类MIPS微处理器数据通路以及控制器的设计，同时介绍微处理器流水线技术、超标量技术和异常处理机制，最后介绍微处理器的外部接口及一个具体的微处理器——MicroBlaze软核微处理器的结构。

第4章介绍计算机系统中的存储系统构成及存储系统管理策略，包括内部存储器的组织结构、数据访问方式及管理策略，Cache存储器的基本原理及读写、替换策略，虚拟存储器技术的基本原理等。

第5章介绍总线技术的基本原理，包括计算机系统内的各级总线——片内总线、局部总线、外部总线等。

第6章介绍接口技术的基本原理，包括接口结构模型、寻址方式、通信方式、译码原理以及常用接口的设计——存储器接口设计、简单并行I/O接口设计等，帮助读者掌握基于总线技术的接口设计原理。

第7章介绍接口技术中的中断技术，包括中断系统的构成原理、中断控制器构成、中断的一般响应过程、不同类型微处理器中断处理系统的差别以及中断方式接口设计和中断服务程序设计原理。

第8章介绍接口技术中的DMA技术，包括具有DMA的计算机系统构成、DMA控制器的构成及如何利用DMA控制器实现接口数据交换，以及典型DMA控制器的使用，并在此基础上简单介绍通道技术的原理。

第9章介绍计算机系统常用的人机接口设备，包括显示器和鼠标、键盘的工作原理，以及这些设备与计算机系统交互信息常用的接口原理——VGA接口原理、PS/2接口原理。同时，也介绍显示器如何将计算机处理的结果以图形或文字的方式显示给用户； 用户如何通过鼠标和键盘输入计算机要处理的数据和控制命令等。

全书内容可以分为三部分： 第一部分为计算机基础知识部分，即第1章； 第二部分为计算机基本原理部分，包括第2~5章，通过学习这部分知识，可以自行构建一个简单的计算机原型系统，并且能够深刻理解计算机软件控制硬件工作的原理，同时也将具备一定的高级语言程序优化基础； 第三部分为计算机接口技术部分，包括第6~9章，通过学习这部分内容，可以基于计算机系统的各个硬件功能模块自行设计一个功能相对复杂的实际计算机硬件系统，并且可以采用C语言编写驱动程序以实现硬件系统的数据处理和输入/输出功能，达到从原型到现实的飞跃。

本教材是在华中科技大学电信系电路类课程改革的大潮下开始编写的，参与该类课程改革的教师对本书的编写工作提供了大量的宝贵意见，在此表示诚挚的谢意！为了本书的编写，编者曾多次参与国内相关的教学研讨会，在这些教学研讨会上吸取了部分高校相关课程改革的优秀经验，这为本书的编写提供了有益的帮助，在此感谢这些无私奉献课程改革经验的教师！本书还得到了赛灵思大学计划、依元素大学计划、德致伦公司多位工程师在实验验证上的帮助，在此一并表示感谢。

对所有审阅本书并提出改进意见及在编写出版过程中给予帮助和支持的专家学者，一并表示衷心的感谢！

限于编者水平和教材体系的改革创新，书中不妥之处在所难免，殷切希望使用本教材的广大读者给予批评指正。

编者

2014年4月于华中科技大学