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第1章 二进制1

1.1 课程计划1

1.2 管理复杂性的艺术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3

1.4 数字系统4

1.4.1 十进制数4

1.4.2 二进制数5

1.4.3 十六进制数6

1.4.4 字节、半字节和字7

1.4.5 二进制加法8

1.4.6 有符号的二进制数8

1.5 逻辑门10

1.5.1 非门11

1.5.2 缓冲11

1.5.3 与门11

1.5.4 或门11

1.5.5 其他二输入逻辑门12

1.5.6 多输入门12

1.6 数字抽象之下13

1.6.1 电源电压13

1.6.2 逻辑电平13

1.6.3 噪声容限14

1.6.4 直流电压传输特性14

1.6.5 静态约束15

1.7 CMOS晶体管16

1.7.1 半导体16

1.7.2 二极管17

1.7.3 电容17

1.7.4 nMOS和pMOS晶体管17

1.7.5 CMOS非门19

1.7.6 其他CMOS逻辑门19

1.7.7 传输门21

1.7.8 类nMOS逻辑21

1.8 功耗22

1.9 总结和展望22

习题23

面试问题29

第2章 组合逻辑设计30

2.1 引言30

2.2 布尔表达式32

2.2.1 术语32

2.2.2 与或式32

2.2.3 或与式33

2.3 布尔代数34

2.3.1 公理34

2.3.2 单变量定理35

2.3.3 多变量定理36

2.3.4 定理的统一证明方法37

2.3.5 等式化简37

2.4 从逻辑到门38

2.5 多级组合逻辑40

2.5.1 减少硬件40

2.5.2 推气泡41

2.6 X和Z43

2.6.1 非法值X43

2.6.2 浮空Z43

2.7 卡诺图44

2.7.1 画圈的原理45

2.7.2 卡诺图化简逻辑45

2.7.3 无关项48

2.7.4 小结49

2.8 组合逻辑模块49

2.8.1 多路选择器49

2.8.2 译码器52

2.9 时序52

2.9.1 传输延迟和最小延迟53

2.9.2 毛刺55

2.10 总结57

习题57

面试问题62

第3章 时序逻辑设计63

3.1 引言63

3.2 锁存器和触发器63

3.2.1 SR锁存器64

3.2.2 D锁存器65

3.2.3 D触发器66

3.2.4 寄存器67

3.2.5 带使能端的触发器67

3.2.6 带复位功能的触发器67

3.2.7 晶体管级的锁存器和触发器的设计68

3.2.8 小结68

3.3 同步逻辑设计69

3.3.1 一些有问题的电路70

3.3.2 同步时序电路71

3.3.3 同步和异步电路72

3.4 有限状态机72

3.4.1 有限状态机设计实例73

3.4.2 状态编码77

3.4.3 Moore型状态机和Mealy型状态机79

3.4.4 状态机的分解82

3.4.5 由电路图导出状态机83

3.4.6 小结86

3.5 时序逻辑电路的时序86

3.5.1 动态约束87

3.5.2 系统时序87

3.5.3 时钟偏移91

3.5.4 稳态92

3.5.5 同步器93

3.5.6 分辨时间的推导95

3.6 并行97

3.7 总结99

习题100

面试问题105

第4章 硬件描述语言107

4.1 引言107

4.1.1 模块107

4.1.2 硬件描述语言的起源108

4.1.3 模拟和综合109

4.2 组合逻辑110

4.2.1 位运算符110

4.2.2 注释和空格112

4.2.3 缩减运算符112

4.2.4 条件赋值112

4.2.5 内部变量114

4.2.6 优先级115

4.2.7 数字116

4.2.8 Z和X117

4.2.9 位混合118

4.2.10 延迟118

4.3 结构建模119

4.4 时序逻辑122

4.4.1 寄存器122

4.4.2 带复位功能的寄存器123

4.4.3 带使能端的寄存器124

4.4.4 多寄存器124

4.4.5 锁存器125

4.5 更多组合逻辑126

4.5.1 case语句127

4.5.2 if语句129

4.5.3 带有无关项的真值表130

4.5.4 阻塞式和非阻塞式赋值131

4.6 有限状态机134

4.7 数据类型137

4.7.1 SystemVerilog137

4.7.2 VHDL138

4.8 参数化模块140

4.9 测试程序142

4.1 0总结145

习题145

面试问题152

第5章 常见数字模块153

5.1 引言153

5.2 算术电路153

5.2.1 加法153

5.2.2 减法158

5.2.3 比较器159

5.2.4 算术逻辑单元160

5.2.5 移位器和循环移位器162

5.2.6 乘法162

5.2.7 除法164

5.2.8 拓展阅读164

5.3 数制系统165

5.3.1 定点数系统165

5.3.2 浮点数系统166

5.4 时序电路模块169

5.4.1 计数器169

5.4.2 移位寄存器169

5.5 存储器阵列171

5.5.1 概述171

5.5.2 动态随机访问存储器173

5.5.3 静态随机访问存储器174

5.5.4 面积和延迟174

5.5.5 寄存器文件174

5.5.6 只读存储器175

5.5.7 使用存储器阵列的逻辑176

5.5.8 存储器HDL176

5.6 逻辑阵列178

5.6.1 可编程逻辑阵列178

5.6.2 现场可编程逻辑门阵列179

5.6.3 阵列实现182

5.7 总结183

习题184

面试问题190

第6章 体系结构191

6.1 引言191

6.2 汇编语言192

6.2.1 指令192

6.2.2 操作数：寄存器、存储器和常数193

6.3 编程196

6.3.1 数据处理指令196

6.3.2 条件标志198

6.3.3 分支200

6.3.4 条件语句201

6.3.5 循环202

6.3.6 存储器204

6.3.7 函数调用207

6.4 机器语言215

6.4.1 数据处理指令215

6.4.2 存储器指令218

6.4.3 分支指令219

6.4.4 寻址模式220

6.4.5 解释机器语言代码220

6.4.6 程序存储221

6.5 编译、汇编与加载222

6.5.1 内存映射222

6.5.2 编译223

6.5.3 汇编224

6.5.4 链接225

6.5.5 加载226

6.6 其他主题227

6.6.1 加载文字227

6.6.2 NOP227

6.6.3 异常228

6.7 ARM体系结构的演变230

6.7.1 Thumb指令集230

6.7.2 DSP指令231

6.7.3 浮点指令234

6.7.4 节能和安全指令235

6.7.5 SIMD指令235

6.7.6 64位体系结构236

6.8 另一个视角：x86体系结构236

6.8.1 x86寄存器237

6.8.2 x86操作数238

6.8.3 状态标志239

6.8.4 x86指令集239

6.8.5 x86指令编码241

6.8.6 x86的其他特性242

6.8.7 整体情况242

6.9 总结242

习题243

面试问题251

第7章 微结构253

7.1 引言253

7.1.1 体系结构状态和指令集253

7.1.2 设计过程253

7.1.3 微结构255

7.2 性能分析255

7.3 单周期处理器256

7.3.1 单周期数据通路256

7.3.2 单周期控制261

7.3.3 更多指令264

7.3.4 性能分析266

7.4 多周期处理器267

7.4.1 多周期数据通路268

7.4.2 多周期控制273

7.4.3 性能分析279

7.5 流水线处理器281

7.5.1 流水线数据通路283

7.5.2 流水线控制284

7.5.3 冲突285

7.5.4 性能分析293

7.6 硬件描述语言表示293

7.6.1 单周期处理器294

7.6.2 通用模块298

7.6.3 测试程序300

7.7 高级微结构303

7.7.1 深流水线303

7.7.2 微操作304

7.7.3 分支预测305

7.7.4 超标量处理器306

7.7.5 乱序处理器308

7.7.6 寄存器重命名309

7.7.7 多线程310

7.7.8 多处理器311

7.8 现实世界视角：ARM微结构的演变312

7.9 总结317

习题318

面试问题322

第8章 存储器系统323

8.1 引言323

8.2 存储器系统性能分析326

8.3 高速缓存327

8.3.1 高速缓存中存放的数据327

8.3.2 高速缓存中的数据查找327

8.3.3 数据的替换334

8.3.4 高级高速缓存设计334

8.3.5 ARM处理器中高速缓存的发展337

8.4 虚拟存储器338

8.4.1 地址转换339

8.4.2 页表340

8.4.3 转换后备缓冲341

8.4.4 存储器保护342

8.4.5 替换策略342

8.4.6 多级页表343

8.5 总结344

结语344

习题345

面试问题350

索引351