數字設計和計算機體系結構（原書第2版）

內容簡介

本書以一種流行的方式介紹了從計算機組織和設計到更細節層次的內容，涵蓋了數字邏輯設計的主要內容，精符戒展示了使用VHDL和Verilog這兩種主要硬體描述語言設計MIPS處理器的技術細節，並通過MIPS微處理器的設計強化數字邏輯的概念。本書的典型特色是櫻局局將數字邏輯和計算機體系結構融合，教學內容反映了當前數字電路設計的主流方法，並突出計算機體系結構的工程特點擔蜜蒸連，書中的大量示例及習題也可以蒸項加強讀者對基本概念和技術的理解和記憶。

圖書目錄

Digital Design and Computer Architecture,Second Edition

出版者的話

譯者序

本書讚譽

前言

第1章二進制1

1.1課程計畫1

1.2控制複雜性的藝術1

1.2.1抽象1

1.2.2約束2

1.2.3三Y原則3

1.3數字抽象3

1.4數制4

1.4.1十進制數4

1.4.2二進制數5

1.4.3十六進制數6

1.4.4位元組、半位元組和全字7

1.4.5二進制加法8

1.4.6有符號的二進制數8

1.5邏輯門10

1.5.1非門11

1.5.2緩衝器11

1.5.3與門11

1.5.4或門11

1.5.5其他兩輸入邏輯門11

1.5.6多輸入門12

1.6數字抽象13

1.6.1電源電壓13

1.6.2邏輯電平13

1.6.3噪聲容限13

1.6.4直流電壓傳輸特性14

1.6.5靜態約束15

1.7CMOS電晶體*16

1.7.1半導體16

1.7.2二極體17

1.7.3電容17

1.7.4nMOS和pMOS電晶體17

1.7.5CMOS非門19

1.7.6其他CMOS邏輯門19

1.7.7傳輸門20

1.7.8類nMOS邏輯20

1.8功耗*21

1.9總結和展望22

習題22

面試問題28

第2章組合邏輯設計29

2.1引言29

2.2布爾表達式31

2.2.1術語31

2.2.2與或式31

2.2.3或與式32

2.3布爾代數33

2.3.1公理33

2.3.2單變數定理33

2.3.3多變數定理34

2.3.4定理的統一證明方法35

2.3.5等式化簡36

2.4從邏輯到門37

2.5多級組合邏輯39

2.5.1減少硬體39

2.5.2推氣泡40

2.6X和Z41

2.6.1非法值X41

2.6.2浮空值Z41

2.7卡諾圖42

2.7.1畫圈的原理43

2.7.2卡諾圖化簡邏輯44

2.7.3無關項46

2.7.4小結47

2.8組合邏輯模組47

2.8.1復用器47

2.8.2解碼器50

2.9時序51

2.9.1傳播延遲和最小延遲51

2.9.2毛刺54

2.10總結55

習題55

面試問題60

第3章時序邏輯設計61

3.1引言61

3.2鎖存器和觸發器61

3.2.1SR鎖存器62

3.2.2D鎖存器63

3.2.3D觸發器64

3.2.4暫存器64

3.2.5帶使能端的觸發器65

3.2.6帶復位功能的觸發器65

3.2.7電晶體級鎖存器和觸發器的設計*66

3.2.8小結66

3.3同步邏輯設計67

3.3.1一些有問題的電路67

3.3.2同步時序電路68

3.3.3同步電路和異步電路70

3.4有限狀態機70

3.4.1有限狀態機設計實例70

3.4.2狀態編碼74

3.4.3Moore型狀態機和Mealy型狀態機76

3.4.4狀態機的分解79

3.4.5由電路圖導出狀態機80

3.4.6有立戲諒限狀態機小結82

3.5時序邏輯的時序82

3.5.1動態約束83

3.5.2系統時序83

3.5.3時鐘偏移*87

3.5.4亞穩態88

3.5.5同步器89

3.5.6分辨時間的推導*90

3.6並行92

3.7總結94

習題95

面試問題100

第4章硬體描述語言101

4.1引言101

4.1.1模組101

4.1.2硬體描述語言的起源101

4.1.3模擬和綜合102

4.2組合邏輯104

4.2.1位運算符104

4.2.2注釋和空白104

4.2.3縮位運算符106

4.2.4條件賦值106

4.2.5內部變數106

4.2.6優先權109

4.2.7數陵元剃字109

4.2.8Z和X110

4.2.9位混姜市寒腳合111

4.2.10延遲112

4.3結構化建模113

4.4時序邏輯115

4.4.1暫存器115

4.4.2復位暫存器115

4.4.3帶使能端的暫存器116

4.4.4多暫存器116

4.4.5鎖存器119

4.5更多組合邏輯119

4.5.1case語句120

4.5.2if語句122

4.5.3帶有無關項的真值表122

4.5.4阻塞賦值和非阻塞賦值124

4.6有限狀態機127

4.7數據類型*130

4.7.1SystemVerilog130

4.7.2VHDL131

4.8參數化模組*133

4.9測試程式135

4.10總結138

習題138

面試問題145

第5章數字模組146

5.1引言146

5.2算術電路146

5.2.1加法146

5.2.2減法151

5.2.3比較器152

5.2.4算術邏輯單元153

5.2.5移位器和循環移位器154

5.2.6乘法*155

5.2.7除法*156

5.2.8補充閱讀156

5.3數制157

5.3.1定點數157

5.3.2浮點數*157

5.4時序電路模組160

5.4.1計數器160

5.4.2移位暫存器160

5.5存儲器陣列162

5.5.1概述162

5.5.2動態隨機訪問存儲器164

5.5.3靜態隨機訪問存儲器165

5.5.4面積和延遲165

5.5.5暫存器檔案165

5.5.6唯讀存儲器165

5.5.7使用存儲器陣列的邏輯167

5.5.8存儲器HDL167

5.6邏輯陣列168

5.6.1可程式邏輯陣列169

5.6.2現場可程式邏輯門陣列169

5.6.3陣列實現*173

5.7總結174

習題174

面試問題180

第6章體系結構181

6.1引言181

6.2彙編語言182

6.2.1指令182

6.2.2運算元：暫存器、存儲器和常數183

6.3機器語言187

6.3.1R類型指令187

6.3.2l類型指令188

6.3.3J類型指令189

6.3.4解釋機器語言代碼189

6.3.5存儲程式189

6.4編程190

6.4.1算術/邏輯指令190

6.4.2分支193

6.4.3條件語句194

6.4.4循環195

6.4.5數組197

6.4.6函式調用200

6.5定址方式206

6.6編譯、彙編和裝入208

6.6.1記憶體映射208

6.6.2轉換成二進制代碼和開始執行程式209

6.7其他主題*211

6.7.1偽指令211

6.7.2異常212

6.7.3有符號指令和無符號指令212

6.7.4浮點指令213

6.8從現實世界看：x86結構*214

6.8.1x86暫存器215

6.8.2x86運算元215

6.8.3狀態標誌216

6.8.4x86指令集216

6.8.5x86指令編碼218

6.8.6x86的其他特性219

6.8.7小結219

6.9總結219

習題220

面試問題227

第7章微體系結構228

7.1引言228

7.1.1體系結構狀態和指令集228

7.1.2設計過程229

7.1.3MIPS微體系結構230

7.2性能分析230

7.3單周期處理器231

7.3.1單周期數據路徑231

7.3.2單周期控制235

7.3.3更多指令237

7.3.4性能分析239

7.4多周期處理器240

7.4.1多周期數據路徑240

7.4.2多周期控制244

7.4.3更多指令252

7.4.4性能分析254

7.5流水線處理器255

7.5.1流水線數據路徑257

7.5.2流水線控制258

7.5.3衝突258

7.5.4更多指令269

7.5.5性能分析269

7.6硬體描述語言表示*270

7.6.1單周期處理器270

7.6.2通用模組274

7.6.3基準測試程式276

7.7異常*279

7.8高級微體系結構*281

7.8.1深流水線282

7.8.2分支預測282

7.8.3超標量處理器284

7.8.4亂序處理器285

7.8.5暫存器重命名287

7.8.6單指令流多數據288

7.8.7多執行緒288

7.8.8同構多處理器289

7.8.9異構多處理器289

7.9從現實世界看：x86微體系結構*290

7.10總結295

習題296

面試問題300

第8章存儲器和輸入/輸出系統301

8.1引言301

8.2存儲器系統性能分析304

8.3高速快取305

8.3.1高速快取中存放的數據305

8.3.2高速快取中的數據查找305

8.3.3數據的替換311

8.3.4高級高速快取設計*312

8.3.5MIPS高速快取的發展*314

8.4虛擬存儲器315

8.4.1地址轉換316

8.4.2頁表317

8.4.3轉換後備緩衝器318

8.4.4存儲器保護319

8.4.5替換策略*319

8.4.6多級頁表*319

8.5I/O簡介321

8.6嵌入式I/O系統322

8.6.1PIC32MX675F512H微控制器322

8.6.2通用數字I/O326

8.6.3串列I/O328

8.6.4計時器336

8.6.5中斷337

8.6.6模擬I/O339

8.6.7其他微控制器外設343

8.7PC I/O系統358

8.7.1USB359

8.7.2PCI和PCI Express360

8.7.3DDR3記憶體360

8.7.4網路360

8.7.5SATA361

8.7.6連線到PC361

8.8從現實世界看：x86存儲器和I/O系統*363

8.8.1x86高速快取系統363

8.8.2x86虛擬存儲器364

8.8.3x86可程式I/O365

8.9總結365

後記365

習題365

面試問題371

附錄A數字系統實現372

附錄BMIPS指令396

附錄CC語言編程400

附錄DMIPS處理器的FPGA實現433

補充閱讀452

索引454

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