Цифровая схемотехника и архитектура компьютера

Дэвид М. Харрис
Сара Л. Харрис

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА 

И АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА

Переведено командой из компаний и университетов  
России, Украины, США и Великобритании

ЦВЕТНОЕ ИЗДАНИЕ

Digital Design and
Computer Architecture

Second Edition

David Money Harris
Sarah L. Harris

        AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON        

                                        NEW YORK • OXFORD • PARIS • SAN DIEGO
                                 SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO
                                                     Morgan Kaufmann is an imprint of Elsevier

Цифровая схемотехника
и архитектура компьютера

Дэвид М. Харрис
Сара Л. Харрис

Imagination Technologies

Второе издание, исправленное

Москва, 2018

УДК 004.2+744.4
ББК 32.971.3
 
Х21

Дэвид М. Харрис, Сара Л. Харрис
Х21 
Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. / пер. с англ. Imagination Technologies. – М.: ДМК Пресс, 2018. – 792 с.: цв. ил.

 
ISBN 978-5-97060-570-7

В книге представлен уникальный и современный подход к разработке 
цифровых устройств. Авторы начинают с цифровых логических элементов, 
переходят к разработке комбинационных и последовательных схем, а затем используют эти базовые блоки как основу для самого сложного: проектирования 
настоящего процессора MIPS. По всему тексту приводятся примеры на языках 
SystemVerilog и VHDL, иллюстрирующие методы и способы проектирования 
схем с помощью САПР. Изучив эту книгу, читатели смогут разработать свой 
собственный микропроцессор и получат полное понимание того, как он работает. В книге объединен привлекательный и юмористический стиль изложения 
с развитым и практичным подходом к разработке цифровых устройств.
Во второе англоязычное издание вошли новые материалы о системах ввода/вывода применительно к процессорам общего назначения как для ПК, так 
и для микроконтроллеров. Приведены практические примеры интерфейсов 
периферийных устройств с применением RS-232, SPI, управления двигателями, прерываний, беспроводной связи и аналого-цифрового преобразования. Представлено высокоуровневое описание интерфейсов, включая USB, 
SDRAM, WiFi, PCI Express и другие.
Издание будет полезно студентам, инженерам, а также широкому кругу 
читателей, интересующихся современной схемотехникой.

This edition of «Digital Design and Computer Architecture by David Money Harris and Sarah L. 
Harris is published by arrangement with ELSEVIER INC., a Delaware corporation having its 
principal place of business at 360 Park Avenue South, New York, NY 10010, USA
Это издание книги Дэвида Мани Харриса и Сары Л. Харрис «Цифровая схемотехника и 
архитектура компьютера» публикуется по соглашению с ELSEVIER INC., Делавэрской корпорацией, которая осуществляет основную деятельность по адресу 360 Park Avenue South, New 
York, NY 10010, USA.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность 
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную 
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-0-12-394424-5 (анг.) 
        © 2013 Elsevier, Inc. All rights reserved.

 
 
   © Перевод, Imagination Technologies, 2016
ISBN 978-5-97060-570-7 (рус.) 
        © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2017

Моей семье, Дженнифер, Абрахаму, Сэмюелю и Бенджамину
– DMH

Ивану и Окаану, бросающим вызов логике
– SLH 

Оглавление

Похвальные отзывы на книгу  
«Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» 
15

Об авторах 
17

Предисловие к изданию на русском языке 
18

Благодарности участникам проекта ...................................................... 22

Предисловие 
24

Особенности книги ................................................................................ 24
Материалы в Интернете ...............................................................................26
Как использовать программный инструментарий в учебном курсе ...............27
Опечатки .......................................................................................................28
Признательность за поддержку  ....................................................................28

Глава 1 
От нуля до единицы 
31

1.1. План игры ....................................................................................... 31
1.2. Искусство управления сложностью ................................................ 32
1.2.1. Абстракция ..........................................................................................33
1.2.2. Конструкторская дисциплина ..............................................................35
1.2.3. Три базовых принципа .........................................................................36
1.3. Цифровая абстракция ..................................................................... 38
1.4. Системы счисления ........................................................................ 40
1.4.1. Десятичная система счисления ...........................................................40
1.4.2. Двоичная система счисления ..............................................................41
1.4.3. Шестнадцатеричная система счисления .............................................43
1.4.4. Байт, полубайт и «весь этот джаз» ......................................................45
1.4.5. Сложение двоичных чисел ..................................................................46
1.4.6. Знак двоичных чисел ...........................................................................47
1.5. Логические элементы ..................................................................... 53
1.5.1. Логический вентиль НЕ.......................................................................53
1.5.2. Буфер ..................................................................................................54
1.5.3. Логический вентиль И .........................................................................54
1.5.4. Логический вентиль ИЛИ ...................................................................54
1.5.5. Другие логические элементы с двумя входными сигналами ................55
1.5.6. Логические элементы с количеством входов больше двух...................56
1.6. За пределами цифровой абстракции ............................................... 57
1.6.1. Напряжение питания ..........................................................................57
1.6.2. Логические уровни ..............................................................................57
1.6.3. Допускаемые уровни шумов ................................................................58
1.6.4. Передаточная характеристика.............................................................59
1.6.5. Статическая дисциплина .....................................................................60
1.7. КМОП-транзисторы ........................................................................ 62
1.7.1. Полупроводники ..................................................................................63

Оглавление
7

1.7.2. Диоды ..................................................................................................64
1.7.3. Конденсаторы ......................................................................................64
1.7.4. n-МОП- и p-МОП-транзисторы............................................................65
1.7.5. Логический вентиль НЕ на КМОП-транзисторах ................................69
1.7.6. Другие логические вентили на КМОП-транзисторах ..........................69
1.7.7. Передаточный логический вентиль .....................................................72
1.7.8. Псевдо n-МОП-логика .........................................................................72
1.8. Потребляемая мощность ................................................................. 73
1.9. Краткий обзор главы 1 и того, что нас ждет впереди ...................... 75
Упражнения .......................................................................................... 77
Вопросы для собеседования .................................................................. 89

Глава 2 
Проектирование комбинационной логики 
91

2.1. Введение ......................................................................................... 91
2.2. Булевы уравнения........................................................................... 95
2.2.1. Терминология ......................................................................................95
2.2.2. Дизъюнктивная форма ........................................................................96
2.2.3. Конъюнктивная форма ........................................................................98
2.3. Булева алгебра ................................................................................ 99
2.3.1. Аксиомы ............................................................................................ 100
2.3.2. Теоремы одной переменной ............................................................... 100
2.3.3. Теоремы с несколькими переменными .............................................. 102
2.3.4. Правда обо всем этом ........................................................................ 104
2.3.5. Упрощение уравнений ....................................................................... 105
2.4. От логики к логическим элементам ...............................................106
2.5. Многоуровневая комбинационная логика .....................................110
2.5.1. Минимизация аппаратуры ................................................................. 111
2.5.2. Перемещение инверсии ..................................................................... 112
2.6. Что за X и Z? ..................................................................................115
2.6.1. Недопустимое значение: Х ................................................................ 115
2.6.2. Третье состояние: Z ........................................................................... 116
2.7. Карты Карно ..................................................................................118
2.7.1. Думайте об овалах ............................................................................. 119
2.7.2. Логическая минимизация на картах Карно ........................................ 120
2.7.3. Безразличные переменные ................................................................ 124
2.7.4. Подводя итоги ................................................................................... 124
2.8. Базовые комбинационные блоки ....................................................125
2.8.1. Мультиплексоры ............................................................................... 125
2.8.2. Дешифраторы .................................................................................... 129
2.9. Временные характеристики ...........................................................131
2.9.1. Задержка распространения и задержка реакции ............................... 131
2.9.2. Импульсные помехи .......................................................................... 136
2.10. Резюме .........................................................................................139
Упражнения .........................................................................................140
Вопросы для собеседования ................................................................ 147

 Оглавление
8

Глава 3 
Проектирование последовательной логики 
149

3.1. Введение ....................................................................................... 149
3.2. Защелки и триггеры .......................................................................150
3.2.1. RS-триггер ......................................................................................... 151
3.2.2. D-защелка .......................................................................................... 154
3.2.3. D-Триггер .......................................................................................... 155
3.2.4. Регистр .............................................................................................. 156
3.2.5. Триггер с функцией разрешения........................................................ 156
3.2.6. Триггер с функцией сброса ................................................................ 158
3.2.7. Проектирование триггеров и защелок на транзисторном уровне ...... 159
3.2.8. Общий обзор ..................................................................................... 160
3.3. Проектирование синхронных логических схем ..............................161
3.3.1. Некоторые проблемные схемы .......................................................... 161
3.3.2. Синхронные последовательные схемы .............................................. 163
3.3.3. Синхронные и асинхронные схемы .................................................... 166
3.4. Конечные автоматы .......................................................................166
3.4.1. Пример проектирования конечного автомата .................................... 167
3.4.2. Кодирование состояний ..................................................................... 173
3.4.3. Автоматы Мура и Мили .................................................................... 176
3.4.4. Декомпозиция конечных автоматов  .................................................. 180
3.4.5. Восстановление конечных автоматов по электрической схеме ......... 182
3.4.6. Обзор конечных автоматов  ............................................................... 185
3.5. Синхронизация последовательных схем ........................................185
3.5.1. Динамическая дисциплина ................................................................ 187
3.5.2. Временные характеристики системы................................................. 188
3.5.3. Расфазировка тактовых сигналов ...................................................... 194
3.5.4. Метастабильность ............................................................................. 197
3.5.5. Синхронизаторы ................................................................................ 199
3.5.6. Вычисление времени разрешения ..................................................... 201
3.6. Параллелизм ..................................................................................205
3.7. Резюме ...........................................................................................209
Упражнения .........................................................................................210
Вопросы для собеседования .................................................................218

Глава 4 
Языки описания аппаратуры 
221

4.1. Введение ........................................................................................221
4.1.1. Модули .............................................................................................. 222
4.1.2. Происхождение языков SystemVerilog и VHDL ................................ 222
4.1.3. Симуляция и Синтез .......................................................................... 224
4.2. Комбинационная логика ................................................................226
4.2.1. Битовые операторы ........................................................................... 227
4.2.2. Комментарии и пробелы .................................................................... 229
4.2.3. Операторы сокращения ..................................................................... 230
4.2.4. Условное присваивание ..................................................................... 230
4.2.5. Внутренние переменные .................................................................... 233
4.2.6. Приоритет ......................................................................................... 235
4.2.7. Числа ................................................................................................. 235

Оглавление
9

4.2.8. Z-состояние и X-состояние ................................................................ 237
4.2.9. Манипуляция битами ........................................................................ 239
4.2.10. Задержки ......................................................................................... 239
4.3. Структурное моделирование .........................................................241
4.4. Последовательная логика ............................................................. 245
4.4.1. Регистры ............................................................................................ 245
4.4.2. Регистры со сбросом .......................................................................... 245
4.4.3. Регистры с сигналом разрешения ...................................................... 248
4.4.4. Группы регистров .............................................................................. 249
4.4.5. Защелки............................................................................................. 250
4.5. И снова комбинационная логика ....................................................251
4.5.1. Операторы case ................................................................................. 254
4.5.2. Операторы if ...................................................................................... 256
4.5.3. Таблицы истинности с незначащими битами ..................................... 259
4.5.4. Блокирующие и неблокирующие присваивания ................................ 260
4.6. Конечные автоматы ...................................................................... 264
4.7. Типы данных ..................................................................................268
4.7.1. SystemVerilog .................................................................................... 268
4.7.2. VHDL................................................................................................. 269
4.8. Параметризованные модули ..........................................................272
4.9. Среда тестирования .......................................................................275
4.10. Резюме .........................................................................................280
Упражнения .........................................................................................281
Вопросы для собеседования .................................................................291

Глава 5 
Цифровые функциональные узлы 
293

5.1. Введение ........................................................................................293
5.2. Арифметические схемы ................................................................ 294
5.2.1. Сложение .......................................................................................... 294
5.2.2. Вычитание ......................................................................................... 302
5.2.3. Компараторы ..................................................................................... 303
5.2.4. АЛУ ................................................................................................... 304
5.2.5. Схемы сдвига и циклического сдвига................................................. 306
5.2.6. Умножение ........................................................................................ 308
5.2.7. Деление ............................................................................................. 309
5.2.8. Дополнительная литература.............................................................. 311
5.3. Представление чисел .....................................................................311
5.3.1. Числа с фиксированной точкой ......................................................... 311
5.3.2. Числа с плавающей точкой ................................................................ 312
5.4. Функциональные узлы последовательной логики ..........................317
5.4.1. Счетчики ........................................................................................... 317
5.4.2. Сдвигающие регистры ....................................................................... 318
5.5. Матрицы памяти ............................................................................321
5.5.1. Обзор ................................................................................................. 321
5.5.2. Динамическое ОЗУ (DRAM) ............................................................. 324
5.5.3. Статическое ОЗУ (SRAM) ................................................................. 325