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以及基于扩展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以及接口技术相关课程教学内容组织以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，更好地达到培养学生理解计算机软件工作原理的目标； 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、装载到运行的过程。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以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以及存储系统管理策略，包括内部存储器的组织结构、数据访问方式以及管理策略，Cache存储器的基本原理以及读写、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控制器的构成以及如何利用DMA控制器实现接口数据交换，并介绍典型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，集中在第1章； 第二部分为计算机基本原理部分，包括第2章~第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章~第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以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。

编著者2014年4月于华中科技大学