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全书共11章，主要内容包括：微型计算机系统导论，数值的表示和运算，存储器的分类和原理，软件开发工具的下载、安装和应用，指令集架构，中央处理单元的架构，协处理器的架构，汇编语言的程序设计和实现，中断与异常的原理和实现，C语言的程序设计和分析，以及异步串口原理和通信的实现。本书侧重于对构成微型计算机系统的硬件和软件要素原理的介绍，目的是使读者掌握设计与分析计算机系统硬件和软件要素的一般方法，这些分析方法对于基于其他架构的计算机系统或嵌入式系统同样适用。通过对C语言、汇编语言和机器指令三者之间关系的深度分析，使读者能够将计算机系统的“软件”和“硬件”进行系统化深度融合。

目录
第1章微型计算机系统导论
1.1微型计算机的概念
1.2主流的处理器架构
1.2.1LoongArch架构
1.2.2x86架构
1.2.3PowerPC架构
1.2.4Arm架构
1.2.5MIPS架构
1.2.6RISC-V架构
1.3龙芯处理器基础知识
1.3.1龙芯处理器发展历程
1.3.2龙芯处理器核的种类和性能
1.3.3龙芯产品分类
1.4龙芯1B处理器的构成要素
1.4.1计算机系统的构成要素
1.4.2龙芯1B处理器架构
1.4.3龙芯1B处理器的时钟系统
1.5计算机系统评价指标和方法
1.5.1计算机系统评价的背景
1.5.2计算机宏观评价指标
1.5.3处理器的评价指标
第2章数值的表示和运算
2.1数的十进制表示方法
2.1.1十进制整数的表示方法
2.1.2十进制纯小数的表示方法
2.1.3十进制小数的表示方法
2.2整数的二进制表示方法
2.2.1使用二进制数表示正整数
2.2.2使用二进制数表示负整数
2.2.3二进制整数的加法运算规则
2.2.4二进制整数的减法运算规则
2.2.5二进制整数的乘法运算规则
2.2.6二进制整数的除法运算规则
2.3小数的二进制表示方法
2.3.1定点二进制数格式
2.3.2定点二进制小数的运算
2.3.3浮点二进制数格
2.4十六进制数的表示方法
2.5八进制数的表示方法
第3章存储器的分类和原理
3.1存储器的分类
3.1.1易失性存储器
3.1.2非易失性存储器
3.2SRAM存储器原理
3.2.1SRAM存储器结构
3.2.2SRAM访问时序
3.2.3SRAM的扩展实例
3.3DRAM存储器原理
3.3.1基本感应放大器的电路结构和原理
3.3.2SDRAM的控制信号
3.3.3SDR SDRAM实例
3.3.4DDR SDRAM实例
3.3.5DDR2 SDRAM实例
3.3.6SDRAM的扩展
3.4Flash存储器原理
3.4.1浮栅MOSFET的原理
3.4.2NOR闪存
3.4.3NAND闪存
第4章软件开发工具的下载、安装和应用
4.1软件开发工具的下载和安装
4.1.1MSYS工具的下载和安装
4.1.2龙芯集成开发环境的下载和安装
4.1.3驱动程序的重新安装
4.1.4GNU工具链的下载和安装
4.2龙芯集成开发环境基本设计流程
4.2.1启动集成开发环境
4.2.2配置开发环境参数
4.2.3GNU工具链原理及配置
4.2.4建立新的设计工程
4.2.5修改C语言源文件
4.2.6编译设计和编译设置
4.2.7调试设计
4.3小结
第5章指令集架构
5.1字节顺序和端
5.1.1大端顺序
5.1.2小端顺序
5.2指令集架构的概念
5.3指令的基本概念
5.3.1指令通道的概念
5.3.2指令的内容
5.3.3指令长度 
5.3.4代码密度
5.4MIPS指令架构的发展和特征
5.4.1指令架构的发展
5.4.2加载和存储架构
5.5MIPS寄存器集
5.5.1CPU通用寄存器
5.5.2CPU特殊寄存器
5.6MIPS指令类型
5.6.1R型指令
5.6.2I型指令
5.6.3J型指令
5.7MIPS指令寻址方式
5.7.1寄存器寻址
5.7.2立即数寻址
5.7.3基地址寻址
5.7.4PC相对寻址
5.7.5伪直接寻址
5.8MIPS32指令集
5.8.1算术类指令
5.8.2移位指令
5.8.3逻辑指令
5.8.4移动指令
5.8.5加载和保存指令
5.8.6插入和提取指令
5.8.7指令控制指令
5.8.8分支和跳转指令
5.8.9陷阱指令
第6章中央处理单元的架构
6.1冯·诺依曼结构和哈佛结构
6.1.1冯·诺依曼结构
6.1.2哈佛结构
6.2存储器系统的分层结构和访问类型
6.2.1存储器系统的分层结构
6.2.2存储器系统的访问类型
6.3龙芯处理器高速缓存的映射及管理
6.3.1高速缓存的背景
6.3.2高速缓存的优势和问题
6.3.3高速缓存的结构与操作
6.3.4指令高速缓存
6.3.5数据高速缓存
6.3.6缓存算法和缓存一致性属性
6.3.7缓存的维护
6.4存储器管理单元的结构和管理
6.4.1处理器模式
6.4.2基本概念
6.4.3物理结构
6.4.4虚拟地址到物理地址的转换
6.4.5TLB操作指令
6.4.6命中、未命中和多次匹配
6.4.7固定映射MMU
6.5GS232处理器内核原理和关键技术
6.5.1算术逻辑单元
6.5.2流水线的原理
6.5.3分支预测机制
6.5.4静态分支预测
6.5.5动态分支预测
6.5.6流水线的实现
6.6处理器系统的地址分配和映射
6.6.1一级AXI交叉开关上模块的地址空间
6.6.2AXI MUX下各个模块的地址空间
6.6.3APB各个模块的地址空间分配
第7章协处理器的架构
7.1协处理器0的功能
7.2协处理器0中的寄存器
7.3协处理器0指令格式及功能
7.4协处理器0操作实例
第8章汇编语言的程序设计和实现
8.1汇编语言程序框架
8.1.1汇编语言中的段
8.1.2汇编语言中的伪指令
8.2汇编语言语法格式
8.2.1空白
8.2.2注释
8.2.3标识符
8.2.4常数
8.2.5段和重定位
8.2.6符号
8.2.7表达式
8.2.8汇编器命令
8.2.9公共宏
8.3汇编器支持的伪指令格式和功能
8.4MIPS相关特性
8.5链接脚本文件
8.6汇编语言实例一：冒泡排序算法的实现和分析
8.7汇编语言实例二：通用输入和输出端口的驱动
8.7.1引脚复用的原理
8.7.2GPIO寄存器功能
8.7.3MUX寄存器功能
8.7.4GPIO驱动和控制的硬件设计
8.7.5GPIO驱动和输入的程序设计
8.8汇编语言实例三：看门狗定时器的应用
8.8.1看门狗定时器的原理
8.8.2看门狗定时器的寄存器功能
8.8.3看门狗机制的应用
第9章中断与异常的原理和实现
9.1基本概念
9.1.1事件的定义
9.1.2异常和中断的优势
9.1.3MIPS支持的中断模式
9.1.4中断向量的概念
9.2中断原理
9.2.1处理器采纳中断的条件
9.2.2向量中断模式
9.2.3为向量中断生成异常向量偏移
9.2.4龙芯1B处理器的中断控制器
9.3异常原理
9.3.1异常向量的位置
9.3.2通用异常处理
9.3.3异常处理过程
9.4中断触发和处理的实现
9.4.1异常/中断入口的定位
9.4.2中断的初始化
9.4.3中断句柄的功能
9.5定时器原理和中断的实现
9.5.1定时器中断的原理
9.5.2定时器中断的初始化
9.5.3定时器中断句柄的功能
第10章C语言的程序设计和分析
10.1基本数据类型的表示
10.2基本数据类型的扩展
10.2.1bool数据类型
10.2.2定宽整数类型
10.3复杂数据类型的表示
10.3.1数组数据类型
10.3.2指针数据类型
10.3.3结构数据类型
10.3.4联合数据类型
10.3.5枚举数据类型
10.4描述语句
10.4.1条件指令
10.4.2开关语句
10.4.3循环语句
10.5函数调用和返回
10.5.1寄存器的使用规则
10.5.2堆栈帧
10.6内嵌汇编
第11章异步串口原理和通信的实现
11.1RS-232协议规范
11.1.1RS-232传输特点
11.1.2RS-232数据传输格式
11.1.3RS-232电气标准
11.1.4RS-232参数设置
11.1.5RS-232连接器
11.2龙芯1B处理器中UART模块原理
11.2.1UART寄存器组的基地址
11.2.2UART寄存器组的功能
11.3PuTTY工具的下载和安装
11.4异步串口通信的设计和实现
11.4.1串口通信的汇编语言设计和实现
11.4.2串口通信的C语言设计和实现
11.4.3总结

推荐序
“软硬适配”是构建信息社会的基础，人才是实现“软硬适配”的关键前提。围绕应用牵引，在“信创”向多行业领域推广的过程中，面对多种国产处理器和国产操作系统的开发需求，要求工程师具有软/硬件的迁移适配能力，掌握处理器运行原理的核心技能，形成可重构的开发能力。
高校作为人才培养的主战场，在新时期，既需要培养应用型人才和工程型人才，更需要培养“软硬适配”的复合型人才。面向未来的产学协同育人应该是：有质量的融汇与合作，多方主体的多元协同，搭建一个教育界与产业界的桥梁，让学校及时了解企业的需求，调整人才培养的方式与重点，同时也可以将学校的科研成果及时向产业传递。
我国的电子信息和计算机教学，尤其是原理与实验教学的融合，长期以来一直无法摆脱基于国外处理器构建的软/硬件教学体系的影响。在电子信息和计算机领域，通过我国的自主技术来支撑高校的认知教学、原理教学和实验教学，一直是广大师生翘首以盼的事情。我在东南大学执教多年，曾多次将不同技术路径的国产处理器引入教学，深感国产软/硬件技术推广的不易。
何宾老师编写的《微型计算机系统原理及应用：国产龙芯处理器的软件和硬件集成（基础篇）》一书，符合电子信息和计算机产业对掌握应用迁移能力的、原理-技能贯通型人才的培养需求；同时也为“微型计算机原理”这门承上启下的课程带来了新的建设思路。全书融合了思政教育与技术内容，贯穿了产业应用引导原理学习的先进教学思想，为有志于将国产软/硬件技术应用于课堂的一线教师提供了很好的参考。全书以软/硬件结合的形式对处理器原理进行了深度分析，反映了龙芯体系结构系列课程的优质成果，体现了与后续“嵌入式技术”“操作系统”“嵌入式软/硬件接口”等核心课程的连贯教学思路。
在自主技术的产业应用与教学紧密结合方面，《微型计算机系统原理及应用：国产龙芯处理器的软件和硬件集成（基础篇）》是一个很好的开端，将对构建产业人才培养体系与我国自主技术生态建设的协同发挥积极的作用。

国家专用集成电路系统工程技术研究中心主任时龙兴
2022年6月1日
前言
提起编写微型计算机系统原理及应用（简称微机原理）这本教材，有一个故事与读者分享。从这个故事中，读者也能够深刻思考很多问题。众所周知，目前国内高校给学生讲授微机原理和接口技术课程时，采用的仍然是美国Intel（中文称英特尔）公司20世纪80年代的8086微处理器芯片，自该处理器诞生距今已经40多年了，虽然是x86架构中的经典之作，但是已经远远落后于微处理器技术的发展潮流，国内高校对该课程进行教学改革的呼声日益高涨，但是始终没有找到合适的替代平台。在几年前，作者曾经联系过英特尔中国大学计划的负责人，希望英特尔公司提供相关的教学资源，以便重新编写一本基于英特尔x86架构的微机原理教材，但是由于知识产权等诸多因素，最终未能实现这个愿望。
作者久闻龙芯中科技术股份有限公司（简称龙芯）已经量产了商业化的国产处理器芯片，并且广泛用于国内很多领域。由于国际局势的发展，作者也听说新一届教育部电子信息类专业教学指导委员会希望将国产芯片引入国内本科电子信息类专业课程教学中。因此，作者想进一步评估将龙芯国产处理器芯片引入微机原理课程教学中的可行性，但是一直未能联系到龙芯大学计划的负责人。
很多事情都是在希望即将破灭的时候迎来转机。在2020年10月，经过业界朋友的牵线，有幸结识了龙芯中科技术股份有限公司大学计划负责人叶骐宁经理，作者提出把龙芯处理器引入到微机原理相关课程教学的想法，并且希望龙芯能够推荐一款性能不是太高、结构不是太复杂，并且能够运行像Linux这样复杂操作系统的处理器芯片，经过探讨和谨慎的选择，双方同意将龙芯公司早期的龙芯1B处理器作为微机原理课程的教学平台，虽然这款处理器性能不算优秀，但是“麻雀虽小，五脏俱全”，内部结构不但简单且包含现代处理器的所有要素，而且能够运行像Linux这样的复杂操作系统，用于微机原理相关课程的教学和实训已经足够，这也是本书最终选用龙芯1B处理器作为授课平台的重要原因。对于教学而言，简单的就是最好的，因为能够将计算机系统的原理真正讲清楚。  
经过双方后续的沟通和交流，又共同申请和获批了教育部2021年的“产学合作，协同育人”中基于龙芯1B处理器的微机原理课程建设的项目。至此，正式开启了微机原理课程建设的序幕。
经过龙芯技术团队和龙芯第三方软件工具设计团队的共同支持，完成了课程教材的编写和配套案例的设计，以及其他教学资源的开发。应该说，该教材涵盖了一个完整计算机系统应该包含的硬件和软件知识，是产学融合，协同育人的重要成果，将对未来国内微机原理相关课程的教学改革提供新的思路。
本书共11章，以处理器指令架构、中央处理器单元、汇编语言程序设计、C语言程序设计，以及外设驱动和控制为主线，本着由纯硬件、纯软件到软件和硬件融合的思路，由浅入深、由易到难的原则，编排教材内容和组织架构，主要内容包括微型计算机系统导论，数值的表示和运算，存储器的分类和原理，软件开发工具的下载、安装和应用，指令集架构，中央处理单元的架构，协处理器的架构，汇编语言的程序设计和实现，中断与异常的原理和实现，C语言的程序设计和分析，以及异步串口原理和通信的实现。
作者的研究生罗显志前期查阅和整理了MIPS指令集和相关的技术文档资料，这些资料用于本书第5~8章的内容，对他的这些研究工作在此表示感谢。
教材的高质量完成得益于产学深度融合和协作，感谢龙芯中科技术股份有限公司和苏州市天晟软件科技有限公司的大力支持与帮助，使得国内高等学校电子信息类专业的学生能系统地学习计算机的硬件和软件知识，并且所学的内容又能和产业界接轨。
为了更好地帮助大家学习，书中所有设计实例源代码请读者登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载。书中教师教学所需要的教学资源（教学课件、教学大纲等）和配套硬件开发板的购买事宜请联系本书作者（hb@gpnewtech.com）。




作者
2022年6月于北京

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