數(shù)字設(shè)計和計算機體系結(jié)構(gòu)

前言

　　目前已經(jīng)有很多優(yōu)秀的數(shù)字邏輯設(shè)計書籍，也有一些很好的計算機體系結(jié)構(gòu)教材（例如Patterson和IHennessy撰寫的經(jīng)典教材），為什么還需要再出版一本包含了數(shù)字邏輯設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)的書呢？這本書的獨特之處在于從計算機體系結(jié)構(gòu)的視角來講解數(shù)字邏輯設(shè)計，內(nèi)容從基本的二進制開始，直到引導(dǎo)學(xué)生完成MPS處理器的設(shè)計。　　多年來，我們曾在HarveyMudd學(xué)院使用了多個版本的《ComputerOrganizationandDesign》一書（由Patterson和Hennessy撰寫）。我們特別欣賞該書涵蓋了MIPs處理器的體系結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)這種風(fēng)格，MIPS處理器是獲得了商業(yè)成功的體系結(jié)構(gòu)，而且它也非常簡單，可以用作學(xué)生的引導(dǎo)課程，也可由學(xué)生自主設(shè)計和實現(xiàn)。由于我們的課程沒有預(yù)修課程，前半個學(xué)期需要介紹數(shù)字邏輯設(shè)計，而這部分內(nèi)容《ComputerOrganizationandDesign》沒有包含。其他大學(xué)也表示需要一本能包含數(shù)字電路設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)的教材。于是，我們開始著手準備這樣一本包含了數(shù)字邏輯設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)的書?！　∥覀兿嘈旁O(shè)計處理器對于電子工程和計算機專業(yè)的學(xué)生來說是一個特殊而重要的經(jīng)歷。對于外行而言，處理器內(nèi)部的工作幾乎像魔術(shù)一樣，然而事實證明，如果詳細解釋的話，處理器的工作原理非常易于理解。數(shù)字邏輯設(shè)計本身是一個強有力且令人激動的主題。匯編語言程序揭示了處理器內(nèi)部所用的語言。而微結(jié)構(gòu)將兩者聯(lián)系在一起。　　這本書適合作為在一個學(xué)期內(nèi)完成教學(xué)的數(shù)字邏輯設(shè)計和計算體系結(jié)構(gòu)的入門課程，也可以用于兩個學(xué)期的教學(xué)，以便有更多的時間來消化和理解書中所講的知識并在實驗室中進行實踐。唯一需要的預(yù)修內(nèi)容是熟悉一種高級程序設(shè)計語言（例如C、C++或Java）。本教材一般在大學(xué)本科二年級或者三年級使用，也可以提供給有編程經(jīng)驗和基礎(chǔ)較好的一年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

內(nèi)容概要

本書以一種流行的方式介紹了從計算機組織和設(shè)計到更細節(jié)層次的內(nèi)容，涵蓋了數(shù)字邏輯設(shè)計的主要內(nèi)容，展示了使用VHDL和Verilog這兩種主要硬件描述語言設(shè)計MIPS處理器的技術(shù)細節(jié)，并通過MIPS微處理器的設(shè)計強化數(shù)字邏輯的概念。本書的典型特色是將數(shù)字邏輯和計算機體系結(jié)構(gòu)融合，教學(xué)內(nèi)容反映了當(dāng)前數(shù)字電路設(shè)計的主流方法，并突出計算機體系結(jié)構(gòu)的工程特點，書中的大量示例及習(xí)題設(shè)計也可以加強讀者對基本概念和技術(shù)的理解和記憶。    本書不僅適合作為計算機、電子工程、電氣與控制等專業(yè)的教材，同時也適合從事數(shù)字電路設(shè)計的工程師和技術(shù)人員參考。

作者簡介

哈里斯，哈維瑪?shù)聦W(xué)院工程學(xué)副教授。他曾經(jīng)為英特爾、惠普、Sun等公司設(shè)計微處理器。

書籍目錄

出版者的話相關(guān)評論譯者序前言第1章　二進制  1.1　課程計劃  1.2　控制復(fù)雜性的藝術(shù)　  1.2.1　抽象  　1.2.2　約束　  1.2.3　三條原則  1.3　數(shù)字抽象  1.4　數(shù)字系統(tǒng)  　1.4.1　十進制數(shù)　  1.4.2　二進制數(shù)  　1.4.3　十六進制數(shù)　  1.4.4　字節(jié)，半字節(jié)和全字  　1.4.5　二進制加法　  1.4.6　有符號的二進制數(shù)  1.5　邏輯門    1.5.1　非門    1.5.2　緩沖    1.5.3　與門    1.5.4　或門    1.5.5　其他二輸入邏輯門    1.5.6　多輸入門  1.6　數(shù)字抽象之下　  1.6.1　電源電壓  　1.6.2　邏輯電平　  1.6.3　噪聲容限  　1.6.4　直流電壓傳輸特性　  1.6.5　靜態(tài)約束  1.7　CMOS晶體管    1.7.1　半導(dǎo)體    1.7.2　二極管    1.7.3　電容    1.74　nMos和pMOS晶體管    1.7.5　CMOS非門    1.7.6　其他CMOS邏輯門    1.7.7　傳輸門    1.7.8　類nMOS邏輯  1.8　功耗  1.9　總結(jié)和展望  習(xí)題第2章　組合邏輯設(shè)計  2.1　引言  2.2　布爾表達式  　2.2.1　術(shù)語　  2.2.2　與或式  　2.2.3　或與式  2.3　布爾代數(shù)　  2.3.1　公理  　2.3.2　單變量定理　  2.3.3　多變量定理　  2.3.4　定理的統(tǒng)一證明方法  　2.3.5　等式化簡  2.4　從邏輯到門  2.5　多級組合邏輯　  2.5.1　減少硬件  　2.5.2　推氣泡  2.6　X和Z　  2.6.1　非法值x  　2.6.2　浮空值z  2.7　卡諾圖  　2.7.1　畫圈的原理　  2.7.2　卡諾圖化簡邏輯　  2.7.3　無關(guān)項  　2.7.4　小結(jié)  2.8　組合邏輯模塊　  2.8.1　多路選擇器  　2.8.2　譯碼器  2.9　時序　  2.9.1　傳輸延遲和最小延遲　……第3章　時序邏輯設(shè)計第4章　硬件描述語言第5章　常見數(shù)字模塊　第6章　體系結(jié)構(gòu)第7章　微結(jié)構(gòu)第8章　存儲器系統(tǒng)附錄A　數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)附錄B　MIPS指令延伸閱讀材料

章節(jié)摘錄

　　第1章二進制　　1．1課程計劃　　在過去的三十年里，微處理器徹底變革了我們的世界。現(xiàn)在一臺膝上筆記本電腦的計算能力都遠遠超過了過去一個房間大小的大型計算機。高級汽車上包含了大約50個微處理器。微處理器的進步使得移動電話和Internet成為可能，極大地促進了醫(yī)學(xué)的進步，也改變了戰(zhàn)爭的式樣。全球集成電路工業(yè)銷售額從1985年的210億美元發(fā)展到2005年的2270億美元，其中微處理器占到了重要部分。我們相信微處理器對技術(shù)、經(jīng)濟和社會有重要意義，而且它也潛在地激發(fā)了人類的創(chuàng)造力。在讀者學(xué)習(xí)完這本書后，將學(xué)會如何設(shè)計和構(gòu)造一個屬于自己的微處理器。這些基本技能將為讀者設(shè)計其他數(shù)字系統(tǒng)奠定堅實的基礎(chǔ)。我們假設(shè)讀者對電子學(xué)有基本的認識，有一定的編程經(jīng)驗和基礎(chǔ)，同時對理解微處理器的內(nèi)部運行原理有真正的興趣。這本書將集中討論基于0和l的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。我們從接收0和1作為輸入，產(chǎn)生0和l作為輸出的邏輯門開始本課程。接著，我們將研究如何利用這些邏輯門構(gòu)成加法器、存儲器等比較復(fù)雜的模塊。隨后，我們將學(xué)習(xí)使用以微處理器的語言——匯編語言進行程序設(shè)計。最后，我們將上述內(nèi)容結(jié)合起來以構(gòu)造一個能執(zhí)行匯編程序的微處理器。　　數(shù)字系統(tǒng)的一個重要特點是其構(gòu)造模塊相當(dāng)簡單：僅僅包括了0和1。它不需要繁雜的數(shù)學(xué)知識或高深的物理學(xué)知識。相反，設(shè)計者的最大挑戰(zhàn)是如何將這些簡單的部件組合起來構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。微處理器可能是讀者構(gòu)造的第一個復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性可能一下子難以全部接受。因此，如何控制復(fù)雜性是貫穿全書的一個重要主題。

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