数字逻辑与处理器基础

图书标准信息

• 作者 汪玉、李学清、马洪兵、马惠敏
• 出版社 清华大学出版社
• 出版时间 2023-12
• 版次 1
• ISBN 9787302637028
• 定价 75.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 页数 348页
• 字数 530千字

【内容简介】

本书从“如何用数字电路与处理器解决计算问题”这一需求出发，围绕数字电路和处理器两大部分进行讲解。数字电路部分重点介绍集成电路的数学基础、组合逻辑与时序逻辑的基本概念、分析与设计方法、发展规律与核心思想。处理器部分重点介绍处理器的基本概念和、汇编基础知识、不同种类基础处理器的分析与设计方法、多级缓存的存储器架构、处理器的发展规律与核心思想。本书配有实验环节，基于部分讲授的数字电路内容，利用硬件描述语言设计、优化基本的处理器，并在可编程逻辑器件上验证。本书适合作为信息科学与技术领域的本科生教材，也可供相关领域工程技术人员参。

【作者简介】

"汪玉，清华大学电子工程系长聘教授、系主任，ieee fellow，自然科学杰出青年获得者，清华大学信息科学技术学院副院长，清华大学天津电子信息研究院院长。2002年和2007年于清华大学电子工程系分别获得学士与博士。长期从事智能芯片、高能效电路与系统领域的科学研究及人才培养工作。
李学清，清华大学电子工程系副教授。2007年和2013年于清华大学电子工程系分别获得学士与博士。从事高能混合信号集成电路芯片、新型存储与计算的电路与系统研究。
马洪兵，清华大学电子工程系研究员、新疆大学天山学者讲座教授。1999年于北京大学获得博士。从事模式识别、计算机视觉、遥感技术应用和嵌入式系统领域的研究。
马惠敏，北京科技大学教授、领军学者、计算机与通信工程学院副院长，中国图象图形学学会副理事长。在北京理工大学获得博士，2001—2019年在清华大学电子工程系任教。从事计算机视觉认知计算、智能无人系统领域的科学研究。
"

【目录】

章绪论1

1.1数字电路简介2

1.1.1数字电路的数学基础3

1.1.2数字集成电路的发展历史3

1.1.3数字电路的优点7

1.1.4数字电路的分层抽象8

1.1.5集成电路产业介绍10

1.2计算机组成与处理器12

1.2.1计算机组成13

1.2.2处理器的理论基础14

1.2.3处理器发展历史17

1.3本书关注的核心问题及核心思想21

1.3.1处理核心问题的两种解决方案21

1.3.2解决方案的核心思想24

1.4关于本书27

1.4.1本书定位及目标27

1.4.2教材结构28

1.5拓展阅读29

1.6思题30

1.7参文献31

第2章数的表示与布尔函数33

2.1二进制系统34

2.1.1历史中的二进制34

2.1.2自然二进制34

2.2信息的二进制编码36

2.2.1整数的二进制编码36

2.2.2小数的二进制编码40

2.2.3其他编码44

2.2.4二进制信息的单位46

2.3布尔函数及其表示47

2.3.1布尔运算与逻辑门48

2.3.2布尔函数与真值表50

2.3.3两级逻辑52

2.3.4卡诺图54

2.4布尔函数的化简56

2.4.1卡诺图化简法57

2.4.2qm算法60

2.5结62

2.6拓展阅读63

2.7题63

2.8参文献65

第3章组合逻辑电路的分析与设计66

3.1从布尔表达式到数字逻辑电路的构建67

3.2组合逻辑的定义与表示68

3.2.1组合逻辑的定义68

3.2.2组合逻辑的表示68

3.3组合逻辑电路的分析69

3.4组合逻辑电路的设计73

3.5组合逻辑电路的评价76

3.5.1稳态因素76

3.5.2动态因素78

3.6典型组合逻辑电路的设计85

3.6.185

3.6.2译码器88

3.6.3多路选择器91

3.6.4加法器94

3.7结99

3.8拓展阅读100

3.9题100

第4章时序逻辑分析与设计104

4.1基本概念105

4.1.1过程的离散化105

4.1.2时钟108

4.1.3时序逻辑电路分类111

4.1.4有限机112

4.2基本时序逻辑单元115

4.2.1锁存器116

4.2.2触发器118

4.2.3时序参数与能分析120

4.3同步时序电路的分析方法124

4.3.1整体分析流程124

4.3.2时序约束与能分析127

4.4同步时序电路设计130

4.4.1设计流程131

4.4.2机抽象方法131

4.4.3化简方法132

4.4.4分配与编码135

4.4.5自启动检查139

4.5亚稳态和同步142

4.5.1亚稳态142

4.5.2同步器设计143

4.5.3同步复位和异步复位145

4.6典型时序逻辑电路145

4.6.1寄存器145

4.6.2器148

4.6.3模块与接153

4.7拓展知识154

4.7.1传统的锁存器/触发器实现方法154

4.7.2四种逻辑功能的触发器157

4.7.3分解有限机158

4.8结159

4.9拓展阅读159

4.10思题160

4.11题160

4.12参文献164

第5章计算机指令集架构165

5.1通用计算机与指令集165

5.1.1通用计算机的意义165

5.1.2从图灵机到通用计算机166

5.1.3指令集架构——软硬件接167

5.2指令集架构169

5.2.1表示及存储170

5.2.2指令功能170

5.3mi指令集171

5.3.1寄存器171

5.3.2存储器172

5.3.3指令格式172

5.3.4寻址方式177

5.4汇编程序设计179

5.4.1语法179

5.4.2变量与数组180

5.4.3分支180

5.4.4过程调用180

5.4.5异常处理182

5.4.6mars模拟器182

5.5能评价185

5.5.1能的定义及评价指标185

5.5.2影响能的因素187

5.5.3系统能的优化188

5.6结189

5.7拓展阅读189

5.7.1符号扩展与无符号扩展189

5.7.2x86指令集190

5.8思题192

5.9题192

第6章单周期与多周期处理器198

6.1单周期处理器基本概念198

6.1.1处理器基本作阶段198

6.1.2单周期处理器基本硬件单元200

6.2alu201

6.3内存访问和计算指令的实现204

6.3.1内存访问指令204

6.3.2基础计算指令209

6.4分支与跳转指令的实现211

6.4.1分支指令211

6.4.2跳转指令213

6.4.3跳转和跳转到寄存器214

6.5控制信号的生成216

6.6能评价217

6.6.1关键路径217

6.6.2能评价220

6.7单周期处理器的中断与异常处理221

6.8多周期处理器222

6.8.1单周期处理器面临的挑战222

6.8.2多周期处理器概念225

6.8.3多周期处理器的能评价和问题229

6.9结232

6.10拓展阅读233

6.10.1处理器模块的时序和veriloghdl实现233

6.10.2协处理器简介234

6.10.3risc-v处理器235

6.11题235

第7章流水线处理器设计242

7.1流水线的基本概念242

7.2mi处理器的五级流水线设计246

7.3流水线处理器中的冒险249

7.4mi五级流水线处理器的数据冒险252

7.4.1数据冒险导致的拥塞252

7.4.2mi五级流水线的数据转发254

7.5mi五级流水线处理器的控制冒险259

7.5.1j指令的控制冒险及其硬件解决方法259

7.5.2beq指令的控制冒险及其硬件处理方法261

7.5.3分支预测264

7.5.4延时槽技术265

7.5.5中断和异常266

7.6结267

7.7拓展阅读268

7.7.1寄存器堆“先写后读”实现方式268

7.7.2进一步提升流水线的能268

7.7.3其他的指令级并行技术270

7.8题271

第8章存储系统设计275

8.1存储器系统基础275

8.1.1存储器的发展现状与理想需求275

8.1.2存储器简介278

8.2层次结构存储系统280

8.2.1单一存储介质的困境280

8.2.2存储系统设计基础:局部281

8.2.3存储系统的层次结构283

8.2.4层次结构存储系统的能度量283

8.3高速缓存技术284

8.3.1高速缓存的基本概念简介285

8.3.2高速缓存的基础结构285

8.3.3高速缓存的地址映像方式287

8.3.4高速缓存中数据的替换与更新290

8.4高速缓存的能分析294

8.4.1高速缓存的能损失分析294

8.4.2高速缓存的能评估297

8.4.3高速缓存能的改进方向:多级高速缓存298

8.5虚拟内存299

8.5.1虚拟内存简介300

8.5.2物理寻址与虚拟寻址300

8.5.3虚拟内存的组织方式301

8.5.4内存管理单元的缺失处理302

8.6拓展阅读303

8.7题303

第9章计算机系统简介308

9.1线的定义及分类309

9.1.1线的定义及能指标309

9.1.2线的结构及分类310

9.2线是如何工作的313

9.2.1线传输过程313

9.2.2线判优控制314

9.2.3线通信控制317

9.3外设的定义及分类319

9.3.1典型案例1:i/o设备320

9.3.2典型案例2:磁盘320

9.4外设是如何工作的321

9.4.1i/o设备及其系统的设计目标321

9.4.2i/o系统和计算机系统之间的寻址方式322

9.4.3i/o系统和计算机系统之间的数据交互方式323

9.5常用线标准及接325

9.5.1i2c线325

9.5.2pci与pcie线326

9.5.3usb329

9.6拓展阅读330

9.7题331

9.8参文献331