微處理器體系結(jié)構(gòu)

前言

　　隨著電子計(jì)算機(jī)的普及，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息化社會(huì)。以集成電路為代表的微電子技術(shù)是信息科學(xué)技術(shù)的核心技術(shù)。集成電路產(chǎn)業(yè)是關(guān)系經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、移動(dòng)通信等技術(shù)的不斷創(chuàng)新，集成電路技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。從1958年美國的基爾比發(fā)明世界上第一塊集成電路以來，集成電路已經(jīng)從初期的小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到今天的系統(tǒng)芯片(So(：)，一直按摩爾定律(Moore law)向前演進(jìn)。集成電路產(chǎn)業(yè)包含相對(duì)獨(dú)立的集成電路設(shè)計(jì)、集成電路加工制造、集成電路封裝測(cè)試、集成電路材料、集成電路設(shè)備業(yè)等，而其中的集成電路設(shè)計(jì)是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭?！　〗陙?，我國的集成電路產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。2000年以來我國集成電路產(chǎn)值年平均增長率達(dá)到30％左右。堅(jiān)持自主發(fā)展，增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)核心競爭力，掌握集成電路的核心技術(shù)，提高具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的比重是我們的歷史性任務(wù)?！　“l(fā)展集成電路技術(shù)的關(guān)鍵是培養(yǎng)具有創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力的專業(yè)人才，因此高質(zhì)量、較快速度地培養(yǎng)集成電路人才是我們的迫切任務(wù)。毫無疑問，大學(xué)和大學(xué)老師義不容辭地要擔(dān)負(fù)起這一歷史責(zé)任。2003年以來，教育部先后在全國部分重點(diǎn)高校建設(shè)了“國家集成電路人才培養(yǎng)基地”，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)又在2006年批準(zhǔn)設(shè)立集成電路工程領(lǐng)域培養(yǎng)工程碩士學(xué)位課程，意在不僅培養(yǎng)高水平的工學(xué)學(xué)士、碩士和博士，而且還要培養(yǎng)大量的集成電路工程領(lǐng)域的工程碩士，以滿足我國集成電路產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的需要。　　集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，內(nèi)容更新快，而我國現(xiàn)有的集成電路工程領(lǐng)域的教科書數(shù)量少，而且內(nèi)容和體系上不能很好地反映學(xué)科的發(fā)展和工程技術(shù)教學(xué)的需要，也難以滿足集成電路工程領(lǐng)域工程碩士的培養(yǎng)。為此，教育部全國集成電路工程領(lǐng)域工程碩士專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)和科學(xué)出版社，經(jīng)過廣泛而深入的調(diào)研，組織編寫出版了這套國家集成電路工程領(lǐng)域工程碩士教材。

內(nèi)容概要

本書是一本系統(tǒng)介紹各種類型微處理器體系結(jié)構(gòu)的教材。作者從與傳統(tǒng)的微處理器教材不同的視角，根據(jù)自身多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，全面探討了包括隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)、MSPARC隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)、微碼體系結(jié)構(gòu)和流水線體系結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的多種微處理器體系結(jié)構(gòu)的特性，以及它們?cè)谲浻布O(shè)計(jì)方面所面臨的各種問題，在相應(yīng)章節(jié)給出了各類微處理器的VHDL代碼以及其行為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，供讀者借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具進(jìn)行實(shí)際仿真模擬實(shí)踐。本書配有相關(guān)習(xí)題，方便讀者復(fù)習(xí)每章出現(xiàn)的概念，從而使讀者能逐步掌握書中內(nèi)容并快速地開始設(shè)計(jì)。    本書適合作為高等院校集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)工程碩士的教材，并可以作為微處理器硬件與軟件設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教材。

書籍目錄

叢書序    前言第1章　引言  1.1  電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)的發(fā)展    1.1.1  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的歷史回顧    1.1.2  微電子學(xué)的成長與處理器的發(fā)展      1.1.3  現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的分類  1.2  微處理器體系結(jié)構(gòu)簡介    1.2.1  隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)    1.2.2  微碼體系結(jié)構(gòu)    1.2.3  流水線體系結(jié)構(gòu)    1.3  習(xí)題第2章　隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)  2.1  隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)    2.1.1  邏輯門的最小化      2.1.2  優(yōu)化硬件時(shí)序以增強(qiáng)性能    2.1.3  限制于采用簡單的指令集  2.2  隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)的操作    2.2.1  取指令操作    2.2.2  執(zhí)行指令操作  2.3  使用時(shí)序方法以增強(qiáng)隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)的性能    2.3.1  隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)中的取指時(shí)鐘周期及執(zhí)行時(shí)鐘周期    2.3.2  使用不同長度的單個(gè)時(shí)鐘周期    2.3.3  使用不同數(shù)目的多個(gè)時(shí)鐘周期    2.3.4  時(shí)序方法的性能分析  2.4  MSPARC的指令集    2.4.1  隨機(jī)邏輯體系結(jié)構(gòu)指令集的設(shè)計(jì)    2.4.2  MSPARC的指令集  2.5  性能分析  2.6  習(xí)題第3章  MSPARC隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)的VHDL模擬模型    3.1  配置模塊  3.2　頂層系統(tǒng)模塊  3.3　CPU模塊    3.3.1　控制單元模塊    3.3.2　寄存器堆及其他模塊　3.4　ROM模塊　3.5　VHDL模型的仿真    3.5.1　VHDL模型仿真的指令流    3.5.2　仿真結(jié)果　3.6　實(shí)驗(yàn)1：隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)CPU的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證    3.6.1　簡介    3.6.2　設(shè)定工具環(huán)境    3.6.3  隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)CPU的設(shè)計(jì)信息    3.6.4　驗(yàn)證設(shè)計(jì)　3.7　實(shí)驗(yàn)2：執(zhí)行指令的仿真操作    3.7.1  簡介    3.7.2　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)1：設(shè)置寄存器指令的仿真操作    3.7.3　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)2：ALU與邏輯指令的仿真操作    3.7.4　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)3：存儲(chǔ)器訪問指令的仿真操作　3.8  習(xí)題第4章　微碼體系結(jié)構(gòu)　4.1　微碼體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)　4.2　微碼機(jī)器操作    4.2.1　具有單一數(shù)據(jù)總線、3個(gè)寄存器、與使用直接尋址的微碼機(jī)器    4.2.2　具有4個(gè)寄存器使用索引尋址的微碼機(jī)　4.3　微碼結(jié)構(gòu)與隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)的比較    4.3.1  指令集的改變導(dǎo)致不同的硬件設(shè)計(jì)開銷    4.3.2　兩種結(jié)構(gòu)的性能比較    4.3.3　現(xiàn)代微碼機(jī)器的應(yīng)用　4.4  習(xí)題第5章　流水線體系結(jié)構(gòu)　5.1　流水線體系結(jié)構(gòu)的特性　5.2　流水線結(jié)構(gòu)的操作    5.2.1  四階段流水線的操作    5.2.2  流水線結(jié)構(gòu)與微碼結(jié)構(gòu)的比較    5.2.3　流水線階段與超流水線階段的比較    5.2.4　可視化的流水線階段　5.3  MINI—SPARC流水線結(jié)構(gòu)的VHDL模擬模型　……第6章  流水線結(jié)構(gòu)的沖突第7章  Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）第8章  虛擬存儲(chǔ)器第9章  超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)第10章  用軟件編譯輔助改善硬件性能附錄A附錄B

章節(jié)摘錄

　　第1章　引言　　1.1　電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)的發(fā)展　　1.1.1　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的歷史回顧　　人類使用機(jī)械式的裝置來控制復(fù)雜的計(jì)算，至少可以追溯到l6世紀(jì)。當(dāng)時(shí)的帕斯卡（Pascal）研發(fā)出一種機(jī)械式計(jì)算器，用于稅收工作。這種計(jì)算器包含8塊旋轉(zhuǎn)盤，連接成為一個(gè)鼓形的裝置，每當(dāng)?shù)臀粩?shù)旋轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位時(shí)，連接裝置便會(huì)自動(dòng)帶動(dòng)高一位數(shù)的旋轉(zhuǎn)盤，而使其向前轉(zhuǎn)進(jìn)一格?！　『髞碓?9世紀(jì)初，巴貝奇（Babbage）制造出一個(gè)稱為差分機(jī)（difference engine）的計(jì)算設(shè)備。這個(gè)計(jì)算設(shè)備已具備了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所常見的許多特性。例如，它會(huì)自動(dòng)閱讀輸入的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、執(zhí)行計(jì)算，并產(chǎn)生輸出的數(shù)據(jù)，以及使用自動(dòng)控制的方法進(jìn)行機(jī)器操作等。巴貝奇還制造出一臺(tái)更為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)器，稱為分析機(jī)（analytical engine），這個(gè)計(jì)算機(jī)器具有分支機(jī)制，以及使用卡片來編寫程序。當(dāng)時(shí)與他共事的愛達(dá)·盧富萊斯（Ada Lovelace）——詩人拜倫（Byron）的女兒，寫出了目前所知最早的計(jì)算機(jī)程序。這些程序運(yùn)行在分析機(jī)上，可以解決許多問題?！　〈撕筮^了一個(gè)多世紀(jì)，當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)爆發(fā)時(shí)，計(jì)算機(jī)械才又一次取得重大進(jìn)展。當(dāng)時(shí)德國潛艇嚴(yán)重破壞了英國與同盟國之間的航運(yùn)，而德國潛艇之間的密碼通信，是通過ENIGMA密碼機(jī)來執(zhí)行的。ENIGMA所使用的編碼程序早就為人所知，但是要使用當(dāng)時(shí)的一般方法來解譯ENIGMA的密碼，卻是一個(gè)既費(fèi)時(shí)又困難的任務(wù)。于是英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈（Alan Turing）和他的同事們共同研發(fā)出一臺(tái)稱為Colossus的電子與機(jī)械結(jié)合的計(jì)算機(jī)器，成功破譯了ENIGMA發(fā)送的秘密通信。　　這臺(tái)由圖靈團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來的，能夠成功破譯密碼的Colossus，已具備現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的許多特性。例如，用紙帶輸入的信息被存儲(chǔ)在電子管內(nèi)，它的計(jì)算過程是在電子管之間進(jìn)行的，以及它的程序的編寫是使用插頭板來實(shí)現(xiàn)等?！　【驮趫D靈致力于研發(fā)Colossus的同時(shí)，美國賓夕法尼亞大學(xué)的埃克特（Eckert）和莫齊利（Mauchly），也正在為美國陸軍研發(fā)用來計(jì)算彈道軌跡的計(jì)算機(jī)。他們的研發(fā)成果是美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾工程學(xué)院的一臺(tái)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（electronic numerical integrator and computer，ENIAC）。ENIAC一直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后才正式制造完成，之后被成功地使用了9年（1946～1955）。

編輯推薦

　　叢書特點(diǎn)與內(nèi)容：本工程碩士系列教材一套七本（目錄如下）。本套教材系統(tǒng)而全面地將集成電路設(shè)計(jì)的基本理論、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方案介紹給讀者。特點(diǎn)是取材新穎，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手產(chǎn)驗(yàn)，注重產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用。內(nèi)容包括集成電路設(shè)計(jì)的基本工藝方法與器件理論，用于數(shù)字、模擬和射頻電路設(shè)計(jì)的實(shí)用電路基礎(chǔ)，各種電路類型的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)中常用的工具手段和芯片的設(shè)計(jì)流程。叢書內(nèi)容不包括集成電路芯片的封裝和測(cè)試。　　學(xué)習(xí)方法與建議　在學(xué)習(xí)中，配合書中的習(xí)題和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以很好地理解和掌握書中理論與技術(shù)內(nèi)容；完成書中的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，有助于你順利跨入產(chǎn)品研究的大門。除了實(shí)驗(yàn)和技術(shù)課程之外，掌握相關(guān)企業(yè)和項(xiàng)目管理的基石知識(shí)也是當(dāng)代技術(shù)學(xué)習(xí)的特色。根據(jù)讀者的學(xué)科背景和研究方向，結(jié)合所需學(xué)位學(xué)分，可以選修部分課程。例如：從事數(shù)學(xué)集成電路設(shè)計(jì)方向的，可以免修“模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真”課程的后半部分；從事模擬與射頻集成電路設(shè)計(jì)方向的，可以選修“數(shù)字集成電路物理設(shè)計(jì)”課程和免修“微處理器體系結(jié)構(gòu)”課程。

圖書封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    微處理器體系結(jié)構(gòu) PDF格式下載

---