微處理器體系結構

前言

　　隨著電子計算機的普及，人類社會已經(jīng)進入了信息化社會。以集成電路為代表的微電子技術是信息科學技術的核心技術。集成電路產(chǎn)業(yè)是關系經(jīng)濟建設、社會發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。伴隨著半導體技術、計算機技術、多媒體技術、移動通信等技術的不斷創(chuàng)新，集成電路技術得到了迅猛發(fā)展。從1958年美國的基爾比發(fā)明世界上第一塊集成電路以來，集成電路已經(jīng)從初期的小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到今天的系統(tǒng)芯片(So(：)，一直按摩爾定律(Moore law)向前演進。集成電路產(chǎn)業(yè)包含相對獨立的集成電路設計、集成電路加工制造、集成電路封裝測試、集成電路材料、集成電路設備業(yè)等，而其中的集成電路設計是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭?！　〗陙?，我國的集成電路產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。2000年以來我國集成電路產(chǎn)值年平均增長率達到30％左右。堅持自主發(fā)展，增強技術創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)核心競爭力，掌握集成電路的核心技術，提高具有自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的比重是我們的歷史性任務?！　“l(fā)展集成電路技術的關鍵是培養(yǎng)具有創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力的專業(yè)人才，因此高質量、較快速度地培養(yǎng)集成電路人才是我們的迫切任務。毫無疑問，大學和大學老師義不容辭地要擔負起這一歷史責任。2003年以來，教育部先后在全國部分重點高校建設了“國家集成電路人才培養(yǎng)基地”，國務院學位委員會又在2006年批準設立集成電路工程領域培養(yǎng)工程碩士學位課程，意在不僅培養(yǎng)高水平的工學學士、碩士和博士，而且還要培養(yǎng)大量的集成電路工程領域的工程碩士，以滿足我國集成電路產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的需要。　　集成電路技術發(fā)展迅速，內(nèi)容更新快，而我國現(xiàn)有的集成電路工程領域的教科書數(shù)量少，而且內(nèi)容和體系上不能很好地反映學科的發(fā)展和工程技術教學的需要，也難以滿足集成電路工程領域工程碩士的培養(yǎng)。為此，教育部全國集成電路工程領域工程碩士專業(yè)指導委員會和科學出版社，經(jīng)過廣泛而深入的調(diào)研，組織編寫出版了這套國家集成電路工程領域工程碩士教材。

內(nèi)容概要

本書是一本系統(tǒng)介紹各種類型微處理器體系結構的教材。作者從與傳統(tǒng)的微處理器教材不同的視角，根據(jù)自身多年的設計實踐與教學經(jīng)驗，全面探討了包括隨機邏輯體系結構、MSPARC隨機邏輯結構、微碼體系結構和流水線體系結構等在內(nèi)的多種微處理器體系結構的特性，以及它們在軟硬件設計方面所面臨的各種問題，在相應章節(jié)給出了各類微處理器的VHDL代碼以及其行為驗證實驗，供讀者借助電子設計自動化（EDA）工具進行實際仿真模擬實踐。本書配有相關習題，方便讀者復習每章出現(xiàn)的概念，從而使讀者能逐步掌握書中內(nèi)容并快速地開始設計。    本書適合作為高等院校集成電路設計相關專業(yè)工程碩士的教材，并可以作為微處理器硬件與軟件設計相關專業(yè)高年級本科生和研究生的教材。

書籍目錄

叢書序    前言第1章　引言  1.1  電子技術及計算機的發(fā)展    1.1.1  計算機體系結構的歷史回顧    1.1.2  微電子學的成長與處理器的發(fā)展      1.1.3  現(xiàn)代計算機的分類  1.2  微處理器體系結構簡介    1.2.1  隨機邏輯體系結構    1.2.2  微碼體系結構    1.2.3  流水線體系結構    1.3  習題第2章　隨機邏輯體系結構  2.1  隨機邏輯體系結構的特點    2.1.1  邏輯門的最小化      2.1.2  優(yōu)化硬件時序以增強性能    2.1.3  限制于采用簡單的指令集  2.2  隨機邏輯體系結構的操作    2.2.1  取指令操作    2.2.2  執(zhí)行指令操作  2.3  使用時序方法以增強隨機邏輯體系結構的性能    2.3.1  隨機邏輯體系結構中的取指時鐘周期及執(zhí)行時鐘周期    2.3.2  使用不同長度的單個時鐘周期    2.3.3  使用不同數(shù)目的多個時鐘周期    2.3.4  時序方法的性能分析  2.4  MSPARC的指令集    2.4.1  隨機邏輯體系結構指令集的設計    2.4.2  MSPARC的指令集  2.5  性能分析  2.6  習題第3章  MSPARC隨機邏輯結構的VHDL模擬模型    3.1  配置模塊  3.2　頂層系統(tǒng)模塊  3.3　CPU模塊    3.3.1　控制單元模塊    3.3.2　寄存器堆及其他模塊　3.4　ROM模塊　3.5　VHDL模型的仿真    3.5.1　VHDL模型仿真的指令流    3.5.2　仿真結果　3.6　實驗1：隨機邏輯結構CPU的設計和驗證    3.6.1　簡介    3.6.2　設定工具環(huán)境    3.6.3  隨機邏輯結構CPU的設計信息    3.6.4　驗證設計　3.7　實驗2：執(zhí)行指令的仿真操作    3.7.1  簡介    3.7.2　驗證實驗1：設置寄存器指令的仿真操作    3.7.3　驗證實驗2：ALU與邏輯指令的仿真操作    3.7.4　驗證實驗3：存儲器訪問指令的仿真操作　3.8  習題第4章　微碼體系結構　4.1　微碼體系結構的特點　4.2　微碼機器操作    4.2.1　具有單一數(shù)據(jù)總線、3個寄存器、與使用直接尋址的微碼機器    4.2.2　具有4個寄存器使用索引尋址的微碼機　4.3　微碼結構與隨機邏輯結構的比較    4.3.1  指令集的改變導致不同的硬件設計開銷    4.3.2　兩種結構的性能比較    4.3.3　現(xiàn)代微碼機器的應用　4.4  習題第5章　流水線體系結構　5.1　流水線體系結構的特性　5.2　流水線結構的操作    5.2.1  四階段流水線的操作    5.2.2  流水線結構與微碼結構的比較    5.2.3　流水線階段與超流水線階段的比較    5.2.4　可視化的流水線階段　5.3  MINI—SPARC流水線結構的VHDL模擬模型　……第6章  流水線結構的沖突第7章  Cache（高速緩沖存儲器）第8章  虛擬存儲器第9章  超標量體系結構第10章  用軟件編譯輔助改善硬件性能附錄A附錄B

章節(jié)摘錄

　　第1章　引言　　1.1　電子技術及計算機的發(fā)展　　1.1.1　計算機體系結構的歷史回顧　　人類使用機械式的裝置來控制復雜的計算，至少可以追溯到l6世紀。當時的帕斯卡（Pascal）研發(fā)出一種機械式計算器，用于稅收工作。這種計算器包含8塊旋轉盤，連接成為一個鼓形的裝置，每當?shù)臀粩?shù)旋轉盤產(chǎn)生一個進位時，連接裝置便會自動帶動高一位數(shù)的旋轉盤，而使其向前轉進一格。　　后來在19世紀初，巴貝奇（Babbage）制造出一個稱為差分機（difference engine）的計算設備。這個計算設備已具備了現(xiàn)代計算機所常見的許多特性。例如，它會自動閱讀輸入的數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、執(zhí)行計算，并產(chǎn)生輸出的數(shù)據(jù)，以及使用自動控制的方法進行機器操作等。巴貝奇還制造出一臺更為先進的計算機器，稱為分析機（analytical engine），這個計算機器具有分支機制，以及使用卡片來編寫程序。當時與他共事的愛達·盧富萊斯（Ada Lovelace）——詩人拜倫（Byron）的女兒，寫出了目前所知最早的計算機程序。這些程序運行在分析機上，可以解決許多問題?！　〈撕筮^了一個多世紀，當?shù)诙问澜绱髴?zhàn)爆發(fā)時，計算機械才又一次取得重大進展。當時德國潛艇嚴重破壞了英國與同盟國之間的航運，而德國潛艇之間的密碼通信，是通過ENIGMA密碼機來執(zhí)行的。ENIGMA所使用的編碼程序早就為人所知，但是要使用當時的一般方法來解譯ENIGMA的密碼，卻是一個既費時又困難的任務。于是英國數(shù)學家阿蘭·圖靈（Alan Turing）和他的同事們共同研發(fā)出一臺稱為Colossus的電子與機械結合的計算機器，成功破譯了ENIGMA發(fā)送的秘密通信?！　∵@臺由圖靈團隊研發(fā)出來的，能夠成功破譯密碼的Colossus，已具備現(xiàn)代電子計算機的許多特性。例如，用紙帶輸入的信息被存儲在電子管內(nèi)，它的計算過程是在電子管之間進行的，以及它的程序的編寫是使用插頭板來實現(xiàn)等?！　【驮趫D靈致力于研發(fā)Colossus的同時，美國賓夕法尼亞大學的?？颂兀‥ckert）和莫齊利（Mauchly），也正在為美國陸軍研發(fā)用來計算彈道軌跡的計算機。他們的研發(fā)成果是美國賓夕法尼亞大學摩爾工程學院的一臺電子數(shù)字積分計算機（electronic numerical integrator and computer，ENIAC）。ENIAC一直到第二次世界大戰(zhàn)結束之后才正式制造完成，之后被成功地使用了9年（1946～1955）。

編輯推薦

　　叢書特點與內(nèi)容：本工程碩士系列教材一套七本（目錄如下）。本套教材系統(tǒng)而全面地將集成電路設計的基本理論、設計方法和實現(xiàn)方案介紹給讀者。特點是取材新穎，強調(diào)動手產(chǎn)驗，注重產(chǎn)品開發(fā)應用。內(nèi)容包括集成電路設計的基本工藝方法與器件理論，用于數(shù)字、模擬和射頻電路設計的實用電路基礎，各種電路類型的設計方法，設計中常用的工具手段和芯片的設計流程。叢書內(nèi)容不包括集成電路芯片的封裝和測試?！　W習方法與建議　在學習中，配合書中的習題和實驗數(shù)據(jù)，可以很好地理解和掌握書中理論與技術內(nèi)容；完成書中的每項實驗，有助于你順利跨入產(chǎn)品研究的大門。除了實驗和技術課程之外，掌握相關企業(yè)和項目管理的基石知識也是當代技術學習的特色。根據(jù)讀者的學科背景和研究方向，結合所需學位學分，可以選修部分課程。例如：從事數(shù)學集成電路設計方向的，可以免修“模擬集成電路設計與仿真”課程的后半部分；從事模擬與射頻集成電路設計方向的，可以選修“數(shù)字集成電路物理設計”課程和免修“微處理器體系結構”課程。

圖書封面

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