数字设计和计算机体系结构PDF电子书下载

第1章 二进制 1

1.1 课程计划 1

1.2 控制复杂性的艺术 1

1.2.1 抽象 1

1.2.2 约束 2

1.2.3 三条原则 3

1.3 数字抽象 4

1.4 数字系统 5

1.4.1 十进制数 5

1.4.2 二进制数 5

1.4.3 十六进制数 6

1.4.4 字节，半字节和全字 8

1.4.5 二进制加法 8

1.4.6 有符号的二进制数 9

1.5 逻辑门 11

1.5.1 非门 12

1.5.2 缓冲 12

1.5.3 与门 12

1.5.4 或门 12

1.5.5 其他二输入逻辑门 12

1.5.6 多输入门 13

1.6 数字抽象之下 14

1.6.1 电源电压 14

1.6.2 逻辑电平 14

1.6.3 噪声容限 15

1.6.4 直流电压传输特性 15

1.6.5 静态约束 16

1.7 CMOS晶体管 17

1.7.1 半导体 17

1.7.2 二极管 18

1.7.3 电容 18

1.7.4 nMOS和pMOS晶体管 18

1.7.5 CMOS非门 20

1.7.6 其他CMOS逻辑门 20

1.7.7 传输门 22

1.7.8 类nMOS逻辑 22

1.8 功耗 23

1.9 总结和展望 23

习题 24

第2章 组合逻辑设计 32

2.1 引言 32

2.2 布尔表达式 34

2.2.1 术语 34

2.2.2 与或式 34

2.2.3 或与式 35

2.3 布尔代数 36

2.3.1 公理 36

2.3.2 单变量定理 36

2.3.3 多变量定理 37

2.3.4 定理的统一证明方法 39

2.3.5 等式化简 39

2.4 从逻辑到门 40

2.5 多级组合逻辑 42

2.5.1 减少硬件 43

2.5.2 推气泡 44

2.6 X和Z 45

2.6.1 非法值X 45

2.6.2 浮空值Z 45

2.7 卡诺图 46

2.7.1 画圈的原理 47

2.7.2 卡诺图化简逻辑 48

2.7.3 无关项 50

2.7.4 小结 51

2.8 组合逻辑模块 51

2.8.1 多路选择器 51

2.8.2 译码器 54

2.9 时序 55

2.9.1 传输延迟和最小延迟 56

2.9.2 毛刺 59

2.10 总结 60

习题 61

第3章 时序逻辑设计 65

3.1 引言 65

3.2 锁存器和触发器 65

3.2.1 SR锁存器 66

3.2.2 D锁存器 67

3.2.3 D触发器 68

3.2.4 寄存器 68

3.2.5 带使能端的触发器 69

3.2.6 带复位功能的触发器 70

3.2.7 晶体管级的锁存器和触发器设计 70

3.2.8 小结 71

3.3 同步逻辑设计 72

3.3.1 一些有问题的电路 72

3.3.2 同步时序电路 74

3.3.3 同步和异步电路 75

3.4 有限状态机 75

3.4.1 有限状态机设计实例 75

3.4.2 状态编码 79

3.4.3 Moore型状态机和Mealy型状态机 82

3.4.4 状态机的分解 86

3.4.5 有限状态机小结 86

3.5 时序逻辑电路的时序 87

3.5.1 动态约束 88

3.5.2 系统时序 88

3.5.3 时钟偏移 92

3.5.4 亚稳态 94

3.5.5 同步器 95

3.5.6 分辨时间的推导 97

3.6 并行 99

3.7 总结 101

习题 102

第4章 硬件描述语言 109

4.1 引言 109

4.1.1 模块 109

4.1.2 硬件描述语言的起源 110

4.1.3 模拟和综合 111

4.2 组合逻辑 112

4.2.1 按位操作符 112

4.2.2 注释和空格 114

4.2.3 缩减运算符 114

4.2.4 条件赋值 115

4.2.5 内部变量 117

4.2.6 优先级 119

4.2.7 数字 120

4.2.8 z和x 120

4.2.9 位混合 122

4.2.10 延迟 123

4.2.11 VHDL库和类型 124

4.3 结构建模 126

4.4 时序逻辑 129

4.4.1 寄存器 129

4.4.2 可复位寄存器 131

4.4.3 带使能端的寄存器 132

4.4.4 多寄存器 133

4.4.5 锁存器 134

4.5 更多组合逻辑 135

4.5.1 选择语句 137

4.5.2 if语句 141

4.5.3 Verilog的casez语句 142

4.5.4 阻塞式和非阻塞式赋值 142

4.6 有限状态机 146

4.7 参数化模块 152

4.8 测试程序 155

4.9 总结 161

习题 162

第5章 常见数字模块 171

5.1 引言 171

5.2 算术电路 171

5.2.1 加法 171

5.2.2 减法 176

5.2.3 比较器 177

5.2.4 算术逻辑单元 178

5.2.5 移位器和循环移位器 179

5.2.6 乘法 180

5.2.7 除法 181

5.2.8 深入阅读 182

5.3 数制系统 182

5.3.1 定点数系统 183

5.3.2 浮点数系统 183

5.4 时序电路模块 186

5.4.1 计数器 186

5.4.2 移位寄存器 187

5.5 存储器阵列 190

5.5.1 概述 190

5.5.2 动态随机访问存储器 192

5.5.3 静态随机访问存储器 193

5.5.4 面积和延迟 193

5.5.5 寄存器文件 193

5.5.6 只读存储器 193

5.5.7 使用存储器阵列的逻辑 195

5.5.8 存储器的硬件描述语言 195

5.6 逻辑阵列 197

5.6.1 可编程逻辑阵列 197

5.6.2 现场可编程门阵列 198

5.6.3 阵列实现 202

5.7 总结 203

习题 203

第6章 体系结构 210

6.1 引言 210

6.2 汇编语言 210

6.2.1 指令 211

6.2.2 操作数：寄存器、存储器和常数 212

6.3 机器语言 216

6.3.1 R-类型指令 216

6.3.2 I-类型指令 217

6.3.3 J-类型指令 218

6.3.4 解释机器语言码 218

6.3.5 程序存储 219

6.4 编程 219

6.4.1 算术／逻辑指令 220

6.4.2 分支 222

6.4.3 条件语句 224

6.4.4 循环 225

6.4.5 数组 227

6.4.6 过程调用 230

6.5 寻址方式 236

6.6 编译、汇编和加载 238

6.6.1 内存图 238

6.6.2 转换成二进制代码和开始执行程序 239

6.7 其他主题 242

6.7.1 伪指令 242

6.7.2 异常 242

6.7.3 有符号和无符号的指令 243

6.7.4 浮点指令 244

6.8 真实世界透视：IA-32结构 245

6.8.1 IA-32的寄存器 246

6.8.2 IA-32的操作数 246

6.8.3 状态标志 247

6.8.4 IA-32指令集 247

6.8.5 IA-32指令编码 249

6.8.6 IA-32的其他特性 249

6.8.7 小结 250

6.9 总结 250

习题 251

第7章 微结构 258

7.1 引言 258

7.1.1 体系结构状态和指令集 258

7.1.2 设计过程 258

7.1.3 MIPS微结构 259

7.2 性能分析 260

7.3 单周期处理器 261

7.3.1 单周期数据路径 261

7.3.2 单周期控制 265

7.3.3 更多指令 267

7.3.4 性能分析 269

7.4 多周期处理器 270

7.4.1 多周期数据路径 270

7.4.2 多周期控制 275

7.4.3 更多指令 281

7.4.4 性能分析 282

7.5 流水线处理器 284

7.5.1 流水线数据路径 286

7.5.2 流水线控制 288

7.5.3 冲突 288

7.5.4 更多指令 297

7.5.5 性能分析 297

7.6 硬件描述语言表示 299

7.6.1 单周期处理器 300

7.6.2 通用模块 306

7.6.3 测试程序 309

7.7 异常 313

7.8 高级微结构 315

7.8.1 深流水线 316

7.8.2 分支预测 317

7.8.3 超标量处理器 318

7.8.4 乱序处理器 319

7.8.5 寄存器重命名 321

7.8.6 单指令流多数据流 322

7.8.7 多线程 323

7.8.8 多处理器 323

7.9 现实世界透视：IA-32微结构 324

7.10 总结 328

习题 329

第8章 存储器系统 333

8.1 引言 333

8.2 存储器系统性能分析 335

8.3 高速缓存 336

8.3.1 高速缓存中存放的数据 337

8.3.2 高速缓存中的数据查找 337

8.3.3 数据的替换 343

8.3.4 高级高速缓存设计 344

8.3.5 MIPS处理器中高速缓存的发展 347

8.4 虚拟存储器 347

8.4.1 地址转换 349

8.4.2 页表 350

8.4.3 地址转换后备缓冲 351

8.4.4 存储器保护 352

8.4.5 替换策略 352

8.4.6 多级页表 352

8.5 内存映射I/O 354

8.6 现实世界透视：IA-32存储器和I/O系统 357

8.6.1 IA-32高速缓存系统 357

8.6.2 IA-32虚拟存储器 359

8.6.3 IA-32的直接I/O编程机制 359

8.7 总结 359

习题 360

附录A 数字系统实现 365

附录B MIPS指令 391

延伸阅读材料 394