Digital Design And Computer Architecture (Russian Edition) Second Edition / Цифровая схемотехника и архитектура компьютера
Год издания: 2016
Автор: Дэвид Мани Харрис и Сара Л. Харрис
Жанр или тематика: Цифровая Электроника
Издательство: ELSEVIER INC
ISBN: 978-0-9954839-1-0
Язык: Русский
Формат: PDF
Качество: Издательский макет или текст (eBook)
Количество страниц: 1684
Описание: Учебник Дэвида Харриса и Сары Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера», второе издание, 2012, сводит вместе миры программного обеспечения и аппаратуры, являясь одновременно введением и в разработку микросхем, и в низкоуровневое программирование для студентов младших курсов. Этот учебник развивает традиции знаменитого более раннего вводного учебника «Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем» от Дэвида Паттерсона и Джона Хеннесси, причем соавтор предыдущего учебника Дэвид Паттерсон сам рекомендовал учебник от Харрисов как более доступный и детальный. Следуя новому учебнику, студенты строят реализацию подмножества архитектуры MIPS, используя платы с ПЛИС / FPGA, после чего сравнивают эту реализацию с индустриальными микроконтроллерами Microchip PIC32. Таким образом вводится вместе схемотехника, языки описания аппаратуры Verilog и VHDL, архитектура компьютера, микроархитектура (организация процессорного конвейера) и программирование на ассемблере - в общем все, что находится между физикой и высокоуровневым программированием. MIPS является единственной архитектурой на текущий момент, которую можно реально использовать одновременно и для изучения микроархитектуры, и для изучения микроконтроллерных приложений, и для изучения разработки и применений высокопроизводительных процессоров. Все другие варианты – Intel, ARM, Atmel AVR, IBM Power, ARC, Tensilica, SPARC, Open RISC, RISC-V – либо недостаточно поддерживаются учебниками, либо являются сложными для студенческих микроархитектурных проектов, либо обременены юридическими трудностями, либо представлены только для низкопроизводительных процессоров, либо недостаточно применяются в индустрии.
Оглавление
Предисловие к изданию на русском языке .................................. xxviii
Предисловие ........................................................................................ xli
Особенности Книги .......................................................................................... xliii
Материалы в Интернете ................................................................................. xlvi
Как использовать программный инструментарий в учебном курсе .........xlviii
Quartus II Web..................................................................................................xlviii
Microchip MPLAB IDE ....................................................................................... xlix
Дополнительные инструменты: Synplify Premier и QtSpim ......................... xlix
Лабораторные работы ......................................................................................... l
Опечатки ............................................................................................................... li
Признательность за поддержку ........................................................................ lii
1 От нуля до единицы ............................................................... 2
1.1 План игры ............................................................................................................ 3
1.2 Искусство управления сложностью .................................................................. 5
1.2.1 Абстракция ................................................................................................. 6
1.2.2 Конструкторская дисциплина ................................................................. 11
1.2.3 Три базовых принципа ............................................................................ 13
1.3 Цифровая абстракция ...................................................................................... 18
1.4 Системы счисления .......................................................................................... 24
1.4.1 Десятичная система счисления ............................................................. 24
1.4.2 Двоичная система счисления ................................................................ 25
1.4.3 Шестнадцатеричная система счисления.............................................. 29
1.4.4 Байт, полубайт и «весь этот джаз» ....................................................... 33
1.4.5 Сложение двоичных чисел ..................................................................... 36
1.4.6 Знак двоичных чисел .............................................................................. 39
1.5 Логические элементы ....................................................................................... 50
1.5.1 Логический вентиль НЕ........................................................................... 51
1.5.2 Буфер ........................................................................................................ 52
1.5.3 Логический вентиль И ............................................................................. 54
1.5.4 Логический вентиль ИЛИ ........................................................................ 55
1.5.5 Другие логические элементы с двумя входными сигналами ............. 56
1.5.6 Логические элементы с количеством входов больше двух ............... 59
1.6 За пределами цифровой абстракции ............................................................. 62
1.6.1 Напряжение питания ............................................................................... 62
1.6.2 Логические уровни................................................................................... 63
1.6.3 Допускаемые Уровни Шумов ................................................................. 64
1.6.4 Передаточная Характеристика .............................................................. 67
1.6.5 Статическая Дисциплина ....................................................................... 68
1.7 КМОП транзисторы* ......................................................................................... 73
1.7.1 Полупроводники ...................................................................................... 75
1.7.2 Диоды ........................................................................................................ 77
1.7.3 Конденсаторы .......................................................................................... 78
1.7.4 n-МОП и p-МОП-транзисторы ................................................................ 80
1.7.5 Логический вентиль НЕ на КМОП-транзисторах ................................. 90
1.7.6 Другие логические вентили на КМОП-транзисторах........................... 92
1.7.7 Передаточный логический вентиль ...................................................... 99
1.7.8 Псевдо n-МОП-Логика ........................................................................... 100
1.8 Потребляемая мощность ............................................................................... 103
1.9 Краткий обзор главы 1 и того, что нас ждет впереди................................. 106
2 Проектирование комбинационной логики........................ 144
2.1 Введение.......................................................................................................... 145
2.2 Булевы уравнения .......................................................................................... 153
2.2.1 Терминология ........................................................................................ 153
2.2.2 Дизъюнктивная форма.......................................................................... 154
2.2.3 Конъюнктивная форма.......................................................................... 159
2.3 Булева алгебра ............................................................................................... 161
2.3.1 Аксиомы .................................................................................................. 162
2.3.2 Теоремы одной переменной ................................................................ 163
2.3.3 Теоремы с несколькими переменными .............................................. 168
2.3.4 Правда обо всем этом .......................................................................... 174
2.3.5 Упрощение уравнений .......................................................................... 175
2.4 От логики к логическим элементам .............................................................. 180
2.5 Многоуровневая комбинационная логика ................................................... 188
2.5.1 Минимизация аппаратуры .................................................................... 189
2.5.2 Перемещение инверсии ....................................................................... 192
2.6 Что за x и z?..................................................................................................... 198
2.6.1 Недопустимое значение: Х................................................................... 198
2.6.2 Третье состояние: Z .............................................................................. 200
2.7 Карты карно ..................................................................................................... 204
2.7.1 Думайте об овалах ................................................................................ 207
2.7.2 Логическая минимизация на картах Карно......................................... 209
2.7.3 Безразличные переменные .................................................................. 217
2.7.4 Подводя итоги ........................................................................................ 219
2.8 Базовые комбинационные блоки .................................................................. 220
2.8.1 Мультиплексоры .................................................................................... 220
2.8.2 Дешифраторы ........................................................................................ 230
2.9 Временные характеристики........................................................................... 233
2.9.1 Задержка распространения и задержка реакции .............................. 234
2.9.2 Импульсные помехи .............................................................................. 244
2.10 Резюме ............................................................................................................. 248
Упражнения ..................................................................................................... 252
Вопросы для собеседования......................................................................... 268
3 Проектирование последовательностной логики ............ 271
3.1 Введение.......................................................................................................... 272
3.2 Защелки и триггеры ........................................................................................ 273
3.2.1 RS-триггер .............................................................................................. 276
3.2.2 D-защелка............................................................................................... 282
3.2.3 D-Триггер ................................................................................................ 284
3.2.4 Регистр .................................................................................................... 287
3.2.5 Триггер с функцией разрешения ......................................................... 288
3.2.6 Триггер с функцией сброса .................................................................. 289
3.2.7 Проектирование триггеров и защелок на транзисторном уровне ... 291
3.2.8 Общий обзор .......................................................................................... 295
3.3 Проектирование синхронных логических схем ........................................... 297
3.3.1 Некоторые проблемные схемы ........................................................... 297
3.3.2 Синхронные последовательностные схемы ...................................... 300
3.3.3 Синхронные и асинхронные схемы ..................................................... 307
3.4 Конечные автоматы ........................................................................................ 308
3.4.1 Пример проектирования конечного автомата ................................... 309
3.4.2 Кодирование состояний ........................................................................ 322
3.4.3 Автоматы Мура и Мили ........................................................................ 329
3.4.4 Декомпозиция конечных автоматов .................................................... 336
3.4.5 Восстановление конечных автоматов по электрической схеме ...... 340
3.4.6 Обзор конечных автоматов .................................................................. 347
3.5 Синхронизация последовательностных схем ............................................. 348
3.5.1 Динамическая дисциплина ................................................................... 351
3.5.2 Временные характеристики системы.................................................. 353
3.5.3 Расфазировка тактовых сигналов ....................................................... 366
3.5.4 Метастабильность ................................................................................. 373
3.5.5 Синхронизаторы .................................................................................... 377
3.5.6 Вычисление времени разрешения ...................................................... 382
3.6 Параллелизм ................................................................................................... 390
3.7 Резюме ............................................................................................................. 398
Упражнения ..................................................................................................... 401
Вопросы для собеседования......................................................................... 419
4 Языки описания аппаратуры ............................................. 422
4.1 Введение.......................................................................................................... 423
4.1.1 Модули .................................................................................................... 424
4.1.2 Происхождение языков SystemVerilog и VHDL .................................. 427
4.1.3 Симуляция и Синтез ............................................................................. 429
4.2 Комбинационная логика ................................................................................. 435
4.2.1 Битовые операторы .............................................................................. 435
4.2.2 Комментарии и пробелы....................................................................... 441
4.2.3 Операторы сокращения ........................................................................ 442
4.2.4 Условное присваивание ....................................................................... 444
4.2.5 Внутренние переменные ...................................................................... 451
4.2.6 Приоритет ............................................................................................... 455
4.2.7 Числа....................................................................................................... 458
4.2.8 Z-состояние и X-состояние .................................................................. 461
4.2.9 Манипуляция битами ............................................................................ 467
4.2.10 Задержки .............................................................................................. 468
4.3 Структурное моделирование ........................................................................ 471
4.4 Последовательностная логика ..................................................................... 480
4.4.1 Регистры ................................................................................................. 480
4.4.2 Регистры со сбросом ............................................................................ 485
4.4.3 Регистры с сигналом разрешения ....................................................... 490
4.4.4 Группы регистров .................................................................................. 492
4.4.5 Защелки .................................................................................................. 495
4.5 И снова комбинационная логика .................................................................. 498
4.5.1 Операторы case ..................................................................................... 505
4.5.2 Операторы if ........................................................................................... 511
4.5.3 Таблицы истинности с незначащими битами .................................... 515
4.5.4 Блокирующие и неблокирующие присваивания................................ 518
4.6 Конечные автоматы ........................................................................................ 528
4.7 Типы данных* .................................................................................................. 540
4.7.1 SystemVerilog ......................................................................................... 540
4.7.2 VHDL ....................................................................................................... 543
4.8 Параметризованные модули* ....................................................................... 550
4.9 Среда тестирования ....................................................................................... 559
4.10 Резюме ............................................................................................................. 572
Упражнения ..................................................................................................... 574
Вопросы для собеседования......................................................................... 597
5 Цифровые функциональные узлы ................................... 599
5.1 Введение.......................................................................................................... 600
5.2 Арифметические схемы ................................................................................. 601
5.2.1 Сложение................................................................................................ 601
5.2.2 Вычитание .............................................................................................. 619
5.2.3 Компараторы .......................................................................................... 621
5.2.4 АЛУ .......................................................................................................... 625
5.2.5 Схемы сдвига и циклического сдвига ................................................. 629
5.2.6 Умножение ............................................................................................. 632
5.2.7 Деление .................................................................................................. 636
5.2.8 Дополнительная литература................................................................ 638
5.3 Представление чисел .................................................................................... 639
5.3.1 Числа с фиксированной точкой ........................................................... 639
5.3.2 Числа с плавающей точкой .................................................................. 642
5.4 Функциональные узлы последовательностной логики .............................. 652
5.4.1 Счетчики ................................................................................................. 652
5.4.2 Сдвигающие регистры .......................................................................... 654
5.5 Матрицы памяти ............................................................................................. 661
5.5.1 Обзор ...................................................................................................... 662
5.5.2 Динамическое ОЗУ (DRAM) ................................................................. 671
5.5.3 Статическое ОЗУ (SRAM) ..................................................................... 673
5.5.4 Площадь и задержки ............................................................................. 673
5.5.5 Регистровые файлы .............................................................................. 675
5.5.6 Постоянное Запоминающее Устройство ............................................ 676
5.5.7 Реализация логических функций с использованием матриц памяти .................................................................................................. 684
5.5.8 Языки описания аппаратуры и память ............................................... 686
5.6 Матрицы логических элементов ................................................................... 691
5.6.1 Программируемые логические матрицы ............................................ 692
5.6.2 Программируемые пользователем матрицы логических элементов ............................................................................................ 695
5.6.3 Схемотехника матриц ........................................................................... 707
5.7 Резюме ............................................................................................................. 711
Упражнения ..................................................................................................... 714
Вопросы для собеседования......................................................................... 736
6 Архитектура ......................................................................... 738
6.1 Предисловие ................................................................................................... 739
6.2 Язык ассемблера ............................................................................................ 744
6.2.1 Инструкции ............................................................................................. 745
6.2.2 Операнды: регистры, память и константы ......................................... 749
6.3 Машинный язык .............................................................................................. 766
6.3.1 Инструкции типа R................................................................................. 767
6.3.2 Инструкции типа l .................................................................................. 770
6.3.3 Инструкции типа J ................................................................................. 774
6.3.4 Расшифровываем машинные коды .................................................... 775
6.3.5 Могущество хранимой программы ...................................................... 776
6.4 Программирование ......................................................................................... 780
6.4.1 Арифметические/логические инструкции ........................................... 780
6.4.2 Переходы................................................................................................ 790
6.4.3 Условные операторы ............................................................................ 795
6.4.4 Зацикливаемся ...................................................................................... 801
6.4.5 Массивы .................................................................................................. 807
6.4.6 Вызовы функций .................................................................................... 819
6.5 Режимы адресации ......................................................................................... 842
6.6 Камера, мотор! Компилируем, ассемблируем и загружаем ...................... 849
6.6.1 Карта памяти .......................................................................................... 849
6.6.2 Трансляция и запуск программы ......................................................... 855
6.7 Добавочные сведения* .................................................................................. 865
6.7.1 Псевдокоманды ..................................................................................... 865
6.7.2 Исключения ............................................................................................ 867
6.7.3 Команды для чисел со знаком и без знака......................................... 871
6.7.4 Команды для работы с числами с плавающей точкой ..................... 874
6.8 Живой пример: архитектура х86* ................................................................. 878
6.8.1 Регистры x86 .......................................................................................... 881
6.8.2 Операнды x86 ........................................................................................ 882
6.8.3 Флаги состояния .................................................................................... 885
6.8.4 Команды х86 .......................................................................................... 887
6.8.5 Кодировка команд х86 .......................................................................... 891
6.8.6 Другие особенности х86 ....................................................................... 894
6.8.7 Оглядываясь назад ............................................................................... 896
6.9 Резюме ............................................................................................................. 897
Упражнения ..................................................................................................... 900
Вопросы для собеседования......................................................................... 924
7 Микроархитектура ............................................................... 927
7.1 Введение.......................................................................................................... 928
7.1.1 Архитектурное состояние и система команд ..................................... 929
7.1.2 Процесс разработки .............................................................................. 931
7.1.3 Микроархитектуры MIPS....................................................................... 936
7.2 Анализ производительности ......................................................................... 938
7.3 Однотактный процессор ................................................................................ 942
7.3.1 Однотактный тракт данных .................................................................. 943
7.3.2 Однотактное устройство управления ................................................. 955
7.3.3 Дополнительные команды ................................................................... 961
7.3.4 Анализ производительности ................................................................ 966
7.4 Многотактный процессор ............................................................................... 970
7.4.1 Многотактный тракт данных ................................................................. 971
7.4.2 Многотактное устройство управления ................................................ 985
7.4.3 Дополнительные команды ................................................................. 1003
7.4.4 Оценка производительности .............................................................. 1008
7.5 Конвейерный процессор .............................................................................. 1012
7.5.1 Конвейерный тракт данных ................................................................ 1017
7.5.2 Конвейерное устройство управления ............................................... 1021
7.5.3 Конфликты ............................................................................................ 1023
7.5.4 Дополнительные команды ................................................................. 1043
7.5.5 Оценка производительности .............................................................. 1045
7.6 Пишем процессор на hdl* ............................................................................ 1049
7.6.1 Однотактный процессор ..................................................................... 1051
7.6.2 Универсальные строительные блоки ............................................... 1064
7.6.3 Тестовое окружение ............................................................................ 1073
7.7 Исключения* .................................................................................................. 1084
7.8 Улучшенные микроархитектуры* ................................................................ 1091
7.8.1 Длинные конвейеры ............................................................................ 1092
7.8.2 Предсказание условных переходов .................................................. 1096
7.8.3 Суперскалярный процессор ............................................................... 1101
7.8.4 Процессор с внеочередным выполнением команд......................... 1107
7.8.5 Переименование регистров ............................................................... 1114
7.8.6 SIMD ...................................................................................................... 1117
7.8.7 Многопоточность ................................................................................. 1119
7.8.8 Симметричные мультипроцессоры ................................................... 1122
7.8.9 Гетерогенные мультипроцессоры ..................................................... 1125
7.9 Живой пример: микроархитектура x86....................................................... 1132
7.10 Резюме ........................................................................................................... 1144
Упражнения ................................................................................................... 1148
Вопросы для собеседования....................................................................... 1161
8 Иерархия памяти и подсистема ввода-вывода ............. 1163
8.1 Введение........................................................................................................ 1164
8.2 Анализ производительности систем памяти ............................................. 1175
8.3 Кэш-память .................................................................................................... 1179
8.3.1 Какие данные хранятся в кэш-памяти? ............................................ 1180
8.3.2 Как найти данные в кэш-памяти? ...................................................... 1182
8.3.3 Какие данные заместить в кэш-памяти? .......................................... 1201
8.3.4 Улучшенная кэш-память* ................................................................... 1203
8.3.5 Эволюция кэш-памяти процессоров MIPS ....................................... 1211
8.4 Виртуальная память ..................................................................................... 1213
8.4.1 Трансляция адресов ........................................................................... 1219
8.4.2 Таблица страниц ................................................................................. 1223
8.4.3 Буфер ассоциативной трансляции.................................................... 1228
8.4.4 Защита памяти..................................................................................... 1232
8.4.5 Стратегии замещения страниц* ........................................................ 1233
8.4.6 Многоуровневые таблицы страниц*.................................................. 1235
8.5 Системы ввода-вывода................................................................................ 1241
8.6 Ввод-вывод во встроенных системах ........................................................ 1246
8.6.1 Микроконтроллер PIC32MX675F512H .............................................. 1248
8.6.2 Цифровой ввод-вывод общего назначения ..................................... 1259
8.6.3 Последовательный ввод-вывод ........................................................ 1264
8.6.4 Таймеры ............................................................................................... 1293
8.6.5 Прерывания.......................................................................................... 1297
8.6.6 Аналоговый ввод-вывод ..................................................................... 1302
8.6.7 Другие внешние устройства микроконтроллера ............................. 1318
8.7 Интерфейсы ввода-вывода персональных компьютеров ....................... 1365
8.7.1 USB........................................................................................................ 1369
8.7.2 PCI и PCI Express ................................................................................ 1371
8.7.3 Память DDR3 ....................................................................................... 1372
8.7.4 Сеть ....................................................................................................... 1373
8.7.5 SATA...................................................................................................... 1375
8.7.6 Подключения к ПК ............................................................................... 1376
8.8 Живой пример: системы памяти и ввода-вывода семейства х86 .......... 1382
8.8.1 Системы кэш-памяти процессоров семейства х86 ......................... 1382
8.8.2 Виртуальная память х86..................................................................... 1388
8.8.3 Программируемый ввод-вывод х86 .................................................. 1390
8.9 Резюме ........................................................................................................... 1391
Эпилог ............................................................................................................ 1393
Упражнения ................................................................................................... 1395
Вопросы для собеседования....................................................................... 1414
Приложение A Реализация цифровых систем .......................... 1415
A.1 Введение........................................................................................................ 1416
A.2 Логические микросхемы серии 74xx........................................................... 1417
A.2.1 Логические элементы ......................................................................... 1418
A.2.2 Другие логические функции ............................................................... 1420
A.3 Программируемая логика ............................................................................ 1420
A.3.1 PROM .................................................................................................... 1424
A.3.2 Блоки PLA ............................................................................................ 1426
A.3.3 FPGA ..................................................................................................... 1427
A.4 Программируемая логика ............................................................................ 1433
A.5 Заказные специализированные интегральные схемы ............................. 1435
A.6 Работа с документацией .............................................................................. 1444
A.7 Семейства логических элементов .............................................................. 1450
A.8 Корпуса и монтаж интегральных схем ....................................................... 1459
A.8.1 Согласованная нагрузка..................................................................... 1462
A.8.2 Нагрузка холостого хода .................................................................... 1467
A.8.3 Нагрузка короткого замыкания .......................................................... 1470
A.8.4 Рассогласованная нагрузка ............................................................... 1472
A.8.5 Когда нужно применять модели линии передачи ........................... 1478
A.8.6 Правильное подключение нагрузки к линии передачи .................. 1479
A.8.7 Вывод формулы для Z0* .................................................................... 1482
A.8.8 Вывод формулы для коэффициента отражения* ........................... 1485
A.8.9 Подводя итог ....................................................................................... 1487
A.9 Экономика ...................................................................................................... 1490
Приложение B Инструкции архитектуры MIPS .......................... 1495
Приложение C Программирование на языке Си........................ 1507
C.1 Введение........................................................................................................ 1508
Краткий итог................................................................................................... 1513
C.2 Добро пожаловать в язык Си ...................................................................... 1513
C.2.1 Структура программы на языке СИ .................................................. 1515
C.2.2 Запуск Си-программы......................................................................... 1517
C.3 Компиляция ................................................................................................... 1519
C.3.1 Комментарии ....................................................................................... 1520
C.3.2 #define .............................................................................................. 1521
C.3.3 #include............................................................................................ 1524
C.4 Переменные .................................................................................................. 1526
C.4.1 Базовые типы данных ........................................................................ 1528
C.4.2 Глобальные и локальные переменные ............................................ 1532
C.4.3 Инициализация переменных ............................................................. 1535
Краткий итог................................................................................................... 1536
C.5 Операции ....................................................................................................... 1537
C.6 Вызовы функций ........................................................................................... 1543
C.7 Управление последовательностью выполнения действий ..................... 1549
C.7.1 Условные операторы .......................................................................... 1549
C.7.2 Циклы ................................................................................................... 1553
Краткий итог................................................................................................... 1557
C.8 Другие типы данных ..................................................................................... 1558
C.8.1 Указатели ............................................................................................. 1558
C.8.2 Массивы ............................................................................................... 1562
C.8.3 Символы .............................................................................................. 1571
C.8.4 Строки символов ................................................................................. 1573
C.8.5 Структуры ............................................................................................ 1577
C.8.6 * Оператор typedef ........................................................................... 1581
C.8.7 Динамическое распределение памяти............................................. 1583
C.8.8 Связные списки ................................................................................... 1585
Краткий итог................................................................................................... 1589
C.9 Стандартная библиотека языка C .............................................................. 1590
C.9.1 stdio .................................................................................................. 1591
C.9.2 stdlib ................................................................................................ 1601
C.9.3 math .................................................................................................... 1606
C.9.4 string ................................................................................................ 1607
C.10 Компилятор и опции командной строки ..................................................... 1608
C.10.1 Компиляция нескольких исходных c-файлов ................................ 1608
C.10.2 Опции компилятора .......................................................................... 1608
C.10.3 Аргументы командной строки .......................................................... 1610
C.11 Типичные ошибки ......................................................................................... 1611
Литература для дальнейшего чтения ............................................ 1625
Доп. информация: Во второй редакции русского перевода второго издания учебника «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» авторов Д.М. Харрис и С.Л. Харрис были исправлены несколько десятков ошибок, о которых сообщили читатели учебника. Тем не менее, очевидно, что не все ошибки исправлены в настоящей редакции.
