数字逻辑与处理器基础

"本书是清华大学电子信息科学与技术大类本科生的核心课“数字逻辑与处理器基础”的教材。本书帮助读者在现代信息科学与技术的学科体系中，理解并融会贯通数字电路与处理器、硬件思路与软件思路的相互关系，掌握数字电路和处理器的基本原理、分析设计方法和利用电路解决实际问题的能力，领悟数字系统的设计思想与理念，为信息技术产业实践或科学研究打下基础。 本书配套课堂讲义、习题解答、小视频、课程设计等教学资源，并提供教学交流沙龙，便于授课教师开展混合式课堂教学。 "

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原理、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，基于第一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考。

"汪玉，清华大学电子工程系长聘教授、系主任，IEEE Fellow，国家自然科学基金杰出青年基金获得者，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学位。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学位。从事高性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学位。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学位，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。 "

第1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思考题30
1.7参考文献31
第2章数的表示与布尔函数33
2.1二进制计数系统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总结62
2.6拓展阅读63
2.7习题63
2.8参考文献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
3.6.1编码器85
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总结99
3.8拓展阅读100
3.9习题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有限状态机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时序参数与性能分析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时序约束与性能分析127
4.4同步时序电路设计130
4.4.1设计流程131
4.4.2状态机抽象方法131
4.4.3状态化简方法132
4.4.4状态分配与编码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计数器148
4.6.3模块与接口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分解有限状态机158
4.8总结159
4.9拓展阅读159
4.10思考题160
4.11习题160
4.12参考文献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——软硬件接口167
5.2指令集架构169
5.2.1状态表示及存储170
5.2.2指令功能170
5.3MIPS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性能评价185
5.5.1性能的定义及评价指标185
5.5.2影响性能的因素187
5.5.3系统性能的优化188
5.6总结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思考题192
5.9习题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处理器基本操作阶段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跳转链接和跳转到寄存器214
6.5控制信号的生成216
6.6性能评价217
6.6.1关键路径217
6.6.2性能评价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多周期处理器的性能评价和问题229
6.9总结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习题235
第7章流水线处理器设计242
7.1流水线的基本概念242
7.2MIPS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
7.4MIPS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
7.4.2MIPS五级流水线的数据转发254
7.5MIPS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总结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性能268
7.7.3其他的指令级并行技术270
7.8习题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:局部性原理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性能度量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高速缓存的性能分析294
8.4.1高速缓存的性能损失分析294
8.4.2高速缓存的性能评估297
8.4.3高速缓存性能的改进方向: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习题303
第9章计算机系统简介308
9.1总线的定义及分类309
9.1.1总线的定义及性能指标309
9.1.2总线的结构及分类310
9.2总线是如何工作的313
9.2.1总线传输过程313
9.2.2总线判优控制314
9.2.3总线通信控制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常用总线标准及接口325
9.5.1I2C总线325
9.5.2PCI与PCIe总线326
9.5.3USB329
9.6拓展阅读330
9.7习题331
9.8参考文献331