《汇编语言与接口技术》

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《汇编语言与接口技术》为北京理工大学“十三五”规划教材。教材内容新颖，组织架构合理，理论与实践结合。参加《汇编语言与接口技术》编写的均为多年工作在教学和科研第一线、有着丰富经验的教师，《汇编语言与接口技术》适合用作高等院校计算机与信息类专业的课程教材。

内容简介

《汇编语言与接口技术》将汇编语言与接口技术结合起来，在对CPU、硬件底层充分了解的基础上掌握汇编语言程序设计的基本方法和接口技术的基本原理，培养学生的硬件组成与设计思维，再结合典型的接口电路实例，通过汇编语言实现其典型应用，在宏观上勾画出计算机硬件系统与接口框架的同时，结合汇编语言编程技术，使学生对现代计算机系统有更全面深入的了解。

本规划教材的编写将遵照循序渐进的原则，注重理论基础到实践应用的过渡。教材第一章、第二章主要讲述微处理器及计算机系统的硬件结构基础知识；第三章主要讲述CPU保护模式下的编程模式，包括内存管理、任务和保护等知识；第四章至第六章则从指令、编程、与C语言相结合等方面系统性的讲述汇编语言编程的基本方法与实际应用；第七章则系统的讲述存储器体系及其接口技术；第八章为总线与可编程接口芯片相关基础知识及其汇编应用；第九章为中断技术及其汇编编程应用。《汇编语言与接口技术》基本涵盖了汇编语言与接口技术的常规内容，参与编写的几位老师均为站在教学和科研第一线、有着丰富教学经验的教师，该书编写完成后适合用作工科计算机与信息类专业的课程教材。

作者简介

李元章1978年生，北京理工大学计算机学院数据存储技术团队，讲师、硕士生导师，主要研究领域为信息安全、嵌入式技术等。主讲课程：汇编语言程序设计（本科）、计算机接口技术（本科）、嵌入式技术（研究生）。

目录

第1章微型计算机硬件系统

　1.1微处理器

　　1.1.1微处理器概述

　　1.1.280x86系列CPU发展

　　1.1.3CPU的微结构

　　1.1.4微处理器性能指标

　　1.1.5微处理器软件特性

　　1.1.6多核技术

　1.2主板

　　1.2.1主板结构

　　1.2.2芯片组

　　1.2.3主板插槽

　　1.2.4外部接口

　1.3内存

　　1.3.1基本概念

　　1.3.2存储器访问

　1.4扩展卡

　习题1

第2章微处理器管理模式

　2.1微处理器的基本结构

　2.2CPU工作模式

　　2.2.1实模式

　　2.2.2保护模式

　　2.2.3虚拟8086模式

　　2.2.464位CPU的工作模式

　2.3寄存器

　　2.3.1程序可见寄存器

　　2.3.2保护模式下的寄存器

　2.4内存管理

　　2.4.1实模式下分段管理

　　2.4.2保护模式下分段管理

　　2.4.3页式内存管理

　2.5任务

　　2.5.1任务执行环境

　　2.5.2任务状态段

　　2.5.3门

　　2.5.4任务切换

　2.6保护

　　2.6.1数据访问保护

　　2.6.2对程序的保护

　　2.6.3输入输出保护

　习题2

第3章指令系统

　3.1数据寻址方式

　　3.1.1CPU操作数寻址

　　3.1.2存储器操作数寻址

　3.2数据运算指令

　　3.2.1数据传送指令

　　3.2.2算术运算指令

　　3.2.3位运算指令

　3.3程序控制指令

　　3.3.1转移指令的寻址方式

　　3.3.2转移指令

　　3.3.3循环指令

　　3.3.4子程序调用与返回指令

　　3.3.5中断调用与返回指令

　3.4　处理机控制指令

　　3.4.1　标志操作指令

　　3.4.2常用处理机控制指令

　3.5　块操作指令

　　3.5.1块操作指令格式

　　3.5.2块操作指令示例

　习题3

第4章汇编语言程序开发

　4.1汇编语言基本知识

　　4.1.1汇编语言概述

　　4.1.2汇编语言编程环境

　　4.1.3汇编语言语句格式

　4.2常用伪指令

　　4.2.1数据定义伪指令

　　4.2.2符号定义伪指令

　　4.2.3操作符伪指令

　　4.2.4框架定义伪指令

　4.3汇编源程序格式

　　4.3.1用户界面

　　4.3.2控制台界面的汇编源程序

　　4.3.3Windows界面的汇编源程序

　　4.3.4输入/输出有关的WindowsAPI函数

　4.4分支与循环程序设计

　　4.4.1分支程序设计

　　4.4.2循环程序设计

　4.5浮点运算

　　4.5.1浮点数的表示与存储

　　4.5.2浮点寄存器

　　4.5.3浮点指令及其编程

　4.6程序优化

　　4.6.1运行时间优化

　　4.6.2占用空间优化

　习题4

第5章子程序设计

　5.1子程序基本知识

　　5.1.1　子程序定义

　　5.1.2　堆栈

　　5.1.3　子程序的返回地址

　5.2参数传递

　　5.2.1　C语言函数的参数传递方式

　　5.2.2　汇编语言子程序的参数传递方式

　　5.2.3　带参数子程序的调用

　　5.2.4　子程序中的局部变量

　5.3　子程序的特殊应用

　　5.3.1　子程序嵌套

　　5.3.2　子程序递归

　　5.3.3　缓冲区溢出

　5.4　模块化程序设计

　　5.4.1　模块化设计基本概念

　　5.4.2　模块间的通信

　5.5　C语言模块的反汇编

　　5.5.1　基本框架

　　5.5.2　选择结构

　　5.5.3　循环结构

　　5.5.4　变量定义

　　5.5.5　指针

　　5.5.6　函数

　5.6　C语言和汇编语言的混合编程

　　5.6.1　直接嵌入

　　5.6.2　C程序调用汇编子程序

　　5.6.3　汇编调用C函数

　　5.6.4　C++与汇编的联合编程

　习题5

第6章存储系统与技术

　6.1　高速缓冲存储器

　　6.1.1　Cache工作原理

　　6.1.2　Cache一致性协议

　6.2　内部存储器

　　6.2.1　内存分类

　　6.2.2　主要技术指标和参数

　　6.2.3　内存模组

　6.3　辅助存储器

　　6.3.1　硬盘概述

　　6.3.2　HDD原理和主要技术指标

　　6.3.3　ATAPI标准

　　6.3.4　ATA接口的编程模型

　　6.3.5　ATA设备寄存器

　　6.3.6　硬盘读写方式

　　6.3.7　串行ATA

　　6.3.8　固态硬盘

　习题6

第7章总线技术

　7.1总线概述

　　7.1.1　总线的分类

　　7.1.2　总线技术指标

　7.2　PCI总线

　　7.2.1　PCI总线特点

　　7.2.2　PCI总线的体系结构

　　7.2.3　PCI总线引脚信号定义

　　7.2.4　PCI总线命令

　　7.2.5　PCI总线协议

　　7.2.6　PCI总线数据传输过程

　　7.2.7　总线仲裁

　　7.2.8　PCI总线配置

　7.3　PCI-E总线

　　7.3.1　PCI-E概述

　　7.3.2　PCI-E的协议层次

　7.4　USB总线

　　7.4.1　USB的起源和发展

　　7.4.2　USB接口的硬件特性

　　7.4.3　USBOTG技术及其扩展

　　7.4.4USB通信协议

　7.5　I2C总线

　　7.5.1　I2C概述

　　7.5.2　I2C接口访问EEPROM

　习题7

第8章接口技术

　8.1　串行接口及应用

　　8.1.1　串行通信概述

　　8.1.2　可编程串行通信接口

　8.2　定时与计数技术

　　8.2.1　定时与计数概述

　　8.2.2　可编程定时器芯片

　　8.2.3　微机系统中的定时

　8.3　红外

　　8.3.1　红外技术概述

　　8.3.2　IrDA协议分析

　　8.3.3　IrDA建立连接的过程

　8.4　Wi-Fi

　　8.4.1　WLAN的组成

　　8.4.2　WLAN的结构

　　8.4.3　IEEE802.11协议

　习题8

第9章中断技术

　9.1中断概述

　　9.1.1中断基本原理

　　9.1.2中断和异常

　　9.1.3中断服务程序

　9.2实模式的中断处理

　　9.2.1中断向量表

　　9.2.2中断处理过程

　　9.2.3写中断向量表

　9.3保护模式的中断处理

　　9.3.1中断描述符表

　　9.3.2中断和异常的处理过程

　9.4可编程中断控制器8259

　　9.4.1内部结构

　　9.4.28259中断过程

　　9.4.38259的级联

　　9.4.48259的编程

　　9.4.58259在PC中的应用

　9.5高级可编程中断控制器

　　9.5.1APIC概述

　　9.5.2LAPIC

　　9.5.3IOAPIC

　习题9

附录VisualStudio2017编写汇编语言程序步骤

参考文献

前言/序言

　汇编语言与计算机接口技术是各高等学校计算机及信息类专业学生必修的专业基础课程。汇编语言的显著特点是可以直接控制硬件并充分发挥计算机硬件的功能，对于编写高性能的系统软件和需实时响应的应用软件具有不可忽视的作用；微机接口技术则侧重于计算机硬件的结构和I/O系统的组成，是实现高性能的存储与网络设备、提升计算机硬件性能所必须研究与解决的核心技术。

　　随着高等学校教学改革的深入，将汇编语言与微机接口技术结合起来，以IEEE/ACMCS2013课程体系为指导，融合为一门新的计算机基础专业课程，已经为许多高校所采用。为了满足新形势下计算机与信息类专业课程建设和教学内容改革的需求，作者在多年承担汇编语言、微机接口技术教学实践的基础上，积极跟踪汇编语言与计算机接口技术的最新发展，按照高等学校课程体系的要求，对标国际一流大学及CS2013课程体系，在对国内外汇编语言与接口技术教材进行充分调研的基础上，结合在相关科研项目中所取得的研究成果，进行了本教材的编写。

　　教材的编写在强调理论的基础上，着力引导学生进行实践，激发学生的主动性及创新能力。与国内现有同类教材比较，本教材的特色及创新包括以下几点：

　　1.教材内容新颖

　　教材着眼于32位计算机的汇编语言与接口技术，大量增加了反映现代计算机领域内的先进技术的教学内容，体现计算机硬件技术的升级换代，淘汰了同类教材中比较陈旧的内容。在汇编语言程序设计方面，教材主要内容和实例程序以Windows操作系统及保护模式为主，对于学生了解现代计算机内部运行机制和操作系统细节、训练学生掌握最新的程序设计和调试技术等都具有重要的作用。在接口技术方面，去除传统的ISA、IDE等数据传输接口内容，增加了USB3.0、Wi-Fi等新的接口类型。相比于同类教材，本教材新增及加强的主要内容包括保护模式的原理及编程模型、多核技术、浮点运算寄存器结构及程序设计、高级可编程中断机制APIC、USB总线技术及应用等。

　　2.组织结构合理

　　在组织形式上，教材编写过程中放弃了传统的知识点简单堆叠、汇编指令的简单罗列及芯片手册似的技术介绍，在结合典型应用的基础上，将汇编语言和接口技术融合，在对CPU、硬件底层充分了解的基础上掌握汇编语言程序设计的基本方法和接口技术的基本原理，培养学生的硬件组成与设计思维，强调并介绍最新接口技术，并用汇编语言实现其典型应用。教材的编写遵循循序渐进的原则，注重从理论基础到实践应用的过渡，以微处理器、总线、外围接口为核心内容，将汇编语言与PCI、USB、DMA、中断机制、保护模式、无线接口等具体应用紧密结合，在宏观上勾画出计算机硬件系统架构的同时，结合具体的程序设计技术，

使学生对现代计算机系统具有更加全面深入的了解。

　　3.理论与实践结合

　　本教材贯穿了理论、实践应用于一体的思想，重点突出了理论与实践相结合。《汇编语言与接口技术》的大部分实例内容来自编者多年的科研总结和项目成果，是学生口中“有用的”技术，能够极大地激发了学生的学习兴趣。本教材在编写过程中，注重将计算机中的各种复杂抽象的原理实例化，在介绍功能及概念之后，结合实例说明它们的应用，通过这种方式，使读者在获得知识的同时，还能够学会灵活地运用这些知识。书中通过屏幕截图、运行实例程序等手段，将抽象的计算机部件的运行机制以易于理解的形式展现出来，便于学生学习和掌握。

　　4.开放式的实验环境

　　汇编与接口课程是实践性比较强的课程，需要通过实验加强学生对现代微机更深层次的理解，并且提高学生的动手能力。但是我们通过调研发现，大部分同类教材须依赖于某种实验箱或者实验设备才能搭建实验环境，使实验过程受到限制。同时，不同高校间由于实验设备的不同，不方便开展交流，且微机实验设备的更新换代需要大量投资等，为了解决这些问题，本教材采用开放式的实验环境和配套实验，只要有微机，就能开展接口实验，摆脱了实验箱的限制。本教材提供的实验均可以在基于Intel80x86系列的微机上进行，利用最接近实用的技术，采用目前主流微机的接口，直接在微机主板上开展实验，既具有最大的广泛性，有利于推广，又具有最大的实用性，能极大地激发学生的学习兴趣。

　　参加《汇编语言与接口技术》编写的均为多年工作在教学和科研第一线、有着丰富经验的教师，《汇编语言与接口技术》适合用作高等院校计算机与信息类专业的课程教材。《汇编语言与接口技术》由李元章组织编写，参加《汇编语言与接口技术》各章节包括习题和实验设计与编写的还有王娟、张全新、张华平和谭毓安。李元章、谭毓安统阅了全稿。

　　《汇编语言与接口技术》在编写过程中得到了北京理工大学教务处的大力支持，在此表示诚挚的谢意，并对所参考的国内外教材和资料的创作者致以衷心感谢。

　　由于计算机技术发展迅速，再加上作者水平有限，书中难免会有不足之处，殷切希望得到广大同仁和读者的批评指正。

　　编者