前    言
很久以前偶然看到一本书——以色列的管理学大师高德拉特的《目标》，它是一本关于生产过程管理的书。高德拉特以小说的形式来推理展开管理学的知识和思路，使读者从一开始就被书中的内容深深地吸引，以至于可能连吃饭都忘记了。几十年过去了，这本书的内容、情节、叙述方式、思考问题的方式依然清晰地印在我的脑海里。至今我会经常将它重新翻出来，再阅读一遍，就像读《三国演义》一样，百看不厌。其中修订版的作者序中关于科学与教育的探索中的一段话常常让我回味良久，我将原话抄录如下：
“我也希望借着本书探讨教育的意义，我诚心诚意地相信，唯有透过推导的过程，我们才能真正地学习。直接把最后的结论摆在我们面前，不是好的学习方式，充其量不过是训练我们的方式罢了。这是为什么我试图用苏格拉底的方式来呈现本书想表达的讯息。尽管钟纳（书中的人物）对于答案胸有成竹，但是他仍然不断以‘问号’，而不是‘惊叹号’，来激励罗哥（书中的人物）自行找到答案。我们相信运用这种方式，读者可以抢在罗哥之前，就推断出解答。假如你觉得这本书很有趣，那么或许你会同意，好的教育方式也应该如此，而且我们应该运用苏格拉底的方式来编撰教科书。我们的教科书不应该提供我们一堆最后的解答，而应该引导读者自己经历整个推论的过程。”
将近三十年授课的经历使我常常在幻想：如果教科书是用高德拉特的方式来书写会怎么样呢？这是教育的本质吗？尽管目前还不能给出完美的答案，但能否试一试呢？
本书的基本思路
“微机原理与接口技术”这个议题应该说是非常“老”了，已经有几十年的历史，国内外许多教授们也已经完成了对该课程体系的完整的建设，有很多很好的教科书在使用。那么，怎样能在不改变体系的前提下展现出一种新的形式是我们面临的一个问题。为此，我们采用了下面几个思路进行教材的书写，算是一种尝试。
1．以问题的方式展开。我们接受了苏格拉底的教育理念，在本教材中，通过连续的提问、解答的过程，力图逐渐展开《微机原理与接口技术》的相关知识。我们希望去讲解每一个知识点的来龙去脉，将当初人类面临的问题、提出的解决方案和改进方案、最后获得的结果，以及问题解决到什么程度等相关问题介绍给读者。这样既讲述了知识本身，同时又将人类发明或者发现该知识的思维过程讲解清楚，这是一个推理过程的展示。在这个过程中既能够提高学生的思维能力，又能够激发学生探索的兴趣。从科学发现的角度讲，人类一直是这么进行探索和研究的，只是在教学的过程中，我们将知识点和结论留下，而将其他的抛弃了，这种抛弃使得教授过程变得简单，但是对于思维培训却是一个很大的损失，那么，这种思路是正确的吗？我们并不确定，或许高德拉特的教育思路给了我们一个启示。
2．以较通俗的语言描述。当我们要以提问、回答的形式展开课程的时候，一个问题马上出现了：如果按照惯常的做法（以概念、定理、定律的顺序来叙述），那么，问题和概念、定理、定律之间的关系就很难描述。我们面临一个艰难的选择，或者恢复之前的惯常做法，或者抛弃惯常的做法。如果抛弃之前的做法，如何保障体系的完整和概念的清晰同样是一个问题。经过思考和讨论，我们认为：既然我们写的是教材，不是科学专著，我们的最根本的目标还是要关注于读者（尤其是初学者）对问题或者知识的理解，所以，我们采用了在保证知识体系不变，概念不变的前提下，用较通俗的语言来书写教材。同时，在书写的过程中尽量将技术的变化过程交代清楚，使得读者明晰技术的来源、技术的选择、技术本身、技术所带来的问题等相关内容。
微机原理与接口技术的前半部分一般讲解计算机的组成结构（后半部分为接口的设计），但如果只是描述计算机的组成结构，会面临一个问题：为什么会有这样的结构？此结构怎样能够完成计算的任务？为此，我们试图来模拟图灵和冯诺依曼等人的基本思路，以及仿真计算机的结构产生的过程。但是，这里还是存在一个问题：如何能在有限的篇幅内完成上述任务呢？为此，我们采用了较通俗的语言来讲述计算及如何实现自动计算等问题。但能否讲解得非常清楚，这与我们对计算机的理解和所站的角度、高度有关。我们尝试了，但是否成功了，还需要各位读者的检验。在本书的其他章节，作者也力图抛开传统教材的书写方式，尽量用简单易懂的语言展开叙述。
3．以系统的线索展开。微机原理与接口技术教学的基本思路都是按照冯诺依曼体系的划分来分部讲解的如CPU、总线、存储器、接口等。但实际上计算机是一个完整的系统，每个部分是不能单独工作的，需要各个部分协调动作才能完成计算任务。也就是说，在分部讲解的过程中，需要一个整合的过程，因此本书在写作的过程中力求在分部的基础上将计算机合并为一个整体。但是，也存在一个问题：计算机是软、硬件的结合，除了硬件，还有位于其上的BIOS、操作系统等软件的配合才能成为真正的计算机系统。但由于篇幅所限，我们将注意力集中在了硬件的构造方面，而舍弃了上层软件方面的讲解，这诚然会带来理解上的问题。如果有的读者需要了解软、硬件完整的工作原理，那么强烈建议读者去阅读《深入理解计算机系统》一书。但是该书的专业性较强，初学者也许不容易理解。当然，我们也试图在今后再编写一本将软件、硬件结合在一起的书，供初学者对计算机有一个更全面的认识。
4．开放式的作业题。微机原理与接口技术作为一门成熟的课程，其例题与习题不可胜数。但本书在写作的时候，力图多设计一些开放性的题目，这些题目很难用简单的语言或者公式来回答，需要读者通过阅读本书，理解相应的内容后，经过仔细的思考，方能得出答案。我们试图调动读者去思考问题，而不是简单地记住答案。
5．较大量引入“隐喻”。隐喻是一种比喻，即用一种事物暗喻另一种事物。隐喻是在彼类事物的暗示之下感知、体验、想象、理解、谈论此类事物的心理行为、语言行为和文化行为。隐喻要求所选择的实例与现有的知识吻合度很高，通过对实例的理解，就可以完全理解现有的知识。所以，隐喻需要认真地设计。本书中在较多的地方通过隐喻的方式来帮助读者建立起计算机的相关概念。例如在中断章节，我们通过一个学生在学习的时候被其他的事件所打断时会做出的各种反应来引入中断源、中断优先级、中断嵌套、中断屏蔽等概念。
本书面向的对象
在中国的理工科大学中，计算机系统的知识对于电类或者非电类专业的学生来说都十分重要，如电气工程专业、自动控制专业、机械专业……。这些专业在教学上可能会针对计算机相关知识安排3～5门课程，而计算机硬件类课程一般在1～2门。微机原理与接口技术这门课一般是为使非计算机专业的学生掌握计算机的结构和工作过程而设置的，如果是计算机本专业的学生，常常会包含计算机组成原理、汇编语言、计算机体系结构、计算机接口技术等4～5门课。
本书实际上是将上述的4门课程合为一门课程，以计算机组成和工作原理为主线，同时兼顾计算机体系结构、汇编语言及接口技术的知识和方法。这就面临一个问题：非计算机专业的学生可能存在学年不同、专业不同等原因，其相关的基本知识是有差别的，如何适应这个差别？本教材在编写的时候，首先考虑到一般电类专业和机械类专业的学生都会学习电路、数字电路的相关课程，因此对数字逻辑的基本概念应该是清楚的。对于非电类专业的学生，可能没有学习过数字电路的相关知识，这就需要教师补充一些相关知识。但考虑到计算机体系的结构性，我们在书中没有加入数字逻辑的内容，如果需要，我们希望能在课件上予以适当的弥补。
所以，本书面向的主要对象是具有一定数字逻辑或者数字电路知识的非计算机专业的读者。
当然，在本书的前两章我们试图讲解一下计算机的发展历程，及冯诺依曼等人对用计算机器实现自动计算的一些思考等内容，虽然看似复杂，但我们尽量采用了较通俗的语言进行描述，所涉及的数学概念也是初高中学过的，应该不会造成较大的理解困难。
对使用本书的教师的建议
每个学校针对不同的学生可能采用不同的教学目标和教学安排，本书面向的对象主要为非计算机专业的学生，我们将这些学生进行了简单的分类：电类专业和非电类专业。
对于电类学生，计算机相关知识可能是其教学体系中较重要的一门课程，需要深入地理解和掌握，而且此类学生一般都学过电路、模拟电子和数字电子等课程。在此基础上，本书的内容对他们而言，其难度并不高。但是因为书的风格和以往不太一致，所以讲解时也需要注意一些问题。
1．本书基本思路是：先讲通用数字计算机的基本结构和工作原理，而后以8086/8088微型计算机系统为一个具体实例来说明计算机的具体结构和工作原理。当然也可以以ARM或者51系列单片机为例来讲解。即先通用，后具体。通用部分讲的是“道”，具体部分讲的是“术”。
2．讲通用部分的时候，我们的思路是这样的：（1）先讲清楚计算机器是很早就产生的想法，而直到20世纪初才出现通用计算机思路（即将软件从硬件部分分离，参见第1章）。（2）既然分为软件和硬件两个部分，那么哪些可以成为软件？哪些可以成为硬件？这将从对计算的分析中获得（参见第2章）。（3）硬件可以用数字电路实现，软件是什么？如何表述？机器如何识别？这是不可回避的问题（参见第2章）。（4）能够表述的软件如何才能自动执行？（参见第2章）。（5）当我们回答完上述问题时，我们发现计算机CPU的基本构成应该已经出现（运算器、控制器、寄存器）。（6）那么如何才能设计出一个CPU呢？需要考虑哪些问题呢？当然先需要设计汇编语言指令集，然后设计汇编语言的运行机制的相关电路（参见第3章）。（7）汇编语言形成的指令序列即为程序，如果要自动运行就需要存储程序和数据，如何存储？如何访问？如何使访问灵活机动？如何实现跳转？这些问题都需要解决，也就是我们需要一个存储器（参见第5章）及连接CPU与存储器的总线（参见第4章）。（8）如果有可能，我们非常建议教师可以设计一个完整的实验，实现CPU、存储器及两者之间的连接，但可能学时上会受到较大的限制。（9）到此为止，我们一直在讲“通用”计算机，一个真正的CPU、存储器是如何实现的？与我们讲的到底有没有区别？区别是什么？为什么会有如此的区别？（10）实际上，现在的计算机已经在体系结构上出现了很大的变化，引入了流水线技术、Cache技术、超标量、超流水等众多的新技术，这些技术在不改变计算机基本结构的基础上提高了计算机的运行效率，但是否在课堂上讲解是需要根据学生的基本情况或者课时的安排来决定的，所以我们将这些“改进”的技术用“*”标注了，希望教师或者读者可以自行选择。
3．本书为便于读者更容易理解和掌握，用一个具体的计算机（基于8086/8088）作为例子来展开讲解。虽然8086/8088计算机已经很古老了，但是因为其具有很强的代表性，而且相对较简单，所以非常有助于问题的理解。当然，我们也可以采用其他的计算机作为例子，如Pentium、ARM等。从存储器（第5章）开始，我们将目标定为了系统的设计。因为组成计算机系统的几个部分在前半部分已经分析过了，读者应该清楚计算机为什么要分为这样几个部分，那么下面的问题是如何将各个部分结合为一个整体，从而完成计算的任务。我们从存储器扩展开始进行系统设计，从地址00000H开始逐步扩展存储器，包括字扩展和位扩展；包括ROM、RAM等。为了简单，没有引入动态存储器，只使用了容易理解的静态存储器。然后是I/O接口的设计，从简单的以锁存器、缓冲器为接口电路的键盘、LED，到集成的接口芯片8255A的整体设计。在接口设计中我们只选择了并行接口和串行接口两种方式，放弃了A/D、DMA等接口的设计。一个是篇幅的原因；另一个是我们希望将计算机设计为一个整体，而不是面面俱到，却零零散散。最后，我们将中断的概念引入，同时利用中断实现并行接口。这样一个较为完整的计算机硬件系统基本建成，再结合前面的内容，希望读者能够对计算机的整个工作过程有一个清晰的概念，从而达到本书的编写目的。
4．因为内容较庞杂，涉及的概念很多，要使读者能充分理解和掌握各个概念，同时又能将各个概念整合到一个计算机系统的工作过程中，确实是一个难题。我们所采取的方式是否合适，还希望读者批评指正。至于两个部分的比例安排，可能需要教师根据实际课程学时安排进行适当地调整。根据我们的授课经验，前半部分虽然分析的内容多，但是让所有专业的学生理解起来问题并不大，后半部分涉及具体的CPU、存储器件、I/O接口电路，对于非电类的学生难度偏大。所以我们建议：可以用1个学时讲解计算机的发展过程，主要是讲思路的变化过程；用3～4个学时讲解如何用计算机实现计算的过程，分析要完成的计算任务，以及计算机器需要由几个部分组成等内容。
本书为教学老师提供PPT、习题解答，可从http://www.hxedu.com.cn下载。
本书的贡献者
我们衷心地感谢那些给了我们中肯批评和鼓励的众多朋友及同事。首先要感谢我的合作者哈工大计算机学院的徐冰老师和刘松波老师，在繁忙的工作中抽出时间来帮助编写和修改本书的大部分内容；其次要感谢计算机学院的刘家锋老师，在筹划和编写的过程中，刘家锋老师都给予了无私的支持和帮助，同时提出了很多建设性的意见。在我们对书稿的内容和表述方式不十分确定的时候，刘家锋老师的建议帮助我们最终定稿。王伟老师作为审阅人为我们的书稿提出了宝贵的建议，在此表示感谢。
同时要感谢哈工大计算机学院的刘宏伟教授，他在计算机学院负责计算机组成原理这门课程的教学，在书稿的结构、知识讲解的详略、知识的连接方面都提出了许多建设性的意见。
还要感谢计算机学院的张英涛老师、孙春奇老师、吴锐老师、程丹松老师、张丽杰老师、张宇老师、黄庆成老师、史先俊老师。这些老师在哈工大都是微机原理与接口技术课程的主讲老师，在我们的交流中，他们都无私地将授课中存在的问题、教材中存在的问题提出来，为我们最终的成稿提供了相当大的帮助。
经过了较长期的思考，我们对书稿的内容和表达方式进行较大调整，但是因为水平有限，对许多问题的把握能力也很有限，书中难免存在许多不尽如人意的地方，诚恳希望读者批评指正，以便我们不断改进。

作者         
2015年7月于哈尔滨  

本 书 结 构
本书是为非计算机专业的学生熟悉和掌握计算机的工作过程而编写的。本书在编写的过程中考虑到了电类专业和非电类专业学生的具体情况，所以，在附录中添加了计算机的数制和编码、数字电路基础知识有关内容。这部分内容是学习本课程的重要基础知识，如果不了解的话，在阅读本书的时候会有较大的难度。
本书按照冯诺依曼体系的结构逐次构成，包含微处理器、总线、存储器、接口技术等章节。依据教学经验，本书设定了三条阅读路线，分别对应三类不同基础的学生。
第一条阅读路线设计主要目的是让学生理解计算机组成及工作原理，并初步了解计算机体系结构的相关知识。
第一条阅读路线：二进制→计算机通俗理解→汇编语言（指令集、指令格式）→运算器→控制器（指令流控制）→寄存器→典型CPU→系统总线→总线结构→外部总线简介→存储器分类→存储器层次（速度、容量）→典型存储器→存储器扩展（位扩展、字扩展）→存储器寻址方式→堆栈技术→并行接口技术→编址方式→控制方式（查询、中断）→中断概念→中断管理→中断响应过程→利用8255A设计键盘和LED的实例。
第二条阅读路线主要的目的是让学生了解计算机的基本思想和基本工作原理。
第二条阅读路线：二进制→计算机通俗理解→汇编语言（指令集、指令格式）→运算器→控制器（指令流控制、时序控制）→寄存器→典型CPU→CPU优化技术（流水线、RISC）→系统总线→总线时序→总线结构→外部总线简介→存储器分类→存储器层次（速度、容量）→典型存储器→存储器扩展（位扩展、字扩展）→存储器寻址方式→堆栈技术→存储器优化技术（高速缓存Cache）→并行接口技术→编址方式→控制方式（查询、中断）→中断概念→中断管理→中断响应过程→利用8255A设计键盘和LED的实例→串行通讯→异步串行通讯参数→8251A介绍及应用。
对于缺乏先修课程的学生，第三条阅读路线有助于学生对计算机的工作原理有初步的了解。
第三条阅读路线：二进制→计算机通俗理解→汇编语言（指令集、指令格式）→运算器→控制器（指令流控制、时序控制）→寄存器→典型CPU→系统总线→总线时序→总线结构→外部总线简介→存储器分类→存储器层次（速度、容量）→典型存储器→存储器扩展（位扩展、字扩展）→存储器寻址方式→堆栈技术→并行接口技术→编址方式→控制方式（查询、中断）→中断概念→中断管理→中断响应过程。
第三条阅读路线的目的是使具有数字电路基础的学生，详细理解计算机的组成原理及时序关系，同时能够设计实现简单的并行、串行通讯应用。
第三条阅读路线在执行时可以按照书写的顺序来阅读。本路线不仅便于学生详细理解计算机的组成原理及时序关系，同时有助于学生了解计算机的相关优化技术和计算机的最新发展方向。