Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V

Сара Л. Харрис
Дэвид Харрис

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА 

И АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА:

RISC-V

Под редакцией А. Ю. Романова

Digital Design and
Computer Architecture

RISC-V Edition

Sarah L. Harris 
David Harris

AMSTERDAM · BOSTON · HEIDELBERG · LONDON        
NEW YORK · OXFORD · PARIS · SAN DIEGO
SAN FRANCISCO · SINGAPORE · SYDNEY · TOKYO
Morgan Kaufmann is an imprint of Elsevier

Москва, 2022

Цифровая схемотехника
и архитектура компьютера:

RISC-V

Сара Л. Харрис 
Дэвид Харрис

Под редакцией А. Ю. Романова

УДК 004.2+744.4
ББК 32.971.3
Х21

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р: 
Романов А. Ю., канд. тех. наук,  
доцент Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова  
Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Сара Л. Харрис, Дэвид Харрис
Х21 
Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V / пер. с англ. В. С. Яцен-
кова, А. Ю. Романова; под ред. А. Ю. Романова. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 810 с.: ил.

ISBN 978-5-97060-961-3

В книге представлен уникальный и современный подход к разработке цифровых 
устройств. Авторы начинают с цифровых логических элементов, переходят к разработке 
комбинационных и последовательностных схем, а затем используют эти базовые блоки 
как основу для самого сложного: разработки настоящего процессора RISC-V. По всему 
тексту приводятся примеры на языках SystemVerilog и VHDL, иллюстрирующие методы 
и способы разработки 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.
В издание вошли новые материалы о системах ввода/вывода применительно к процессорам 
общего назначения как для ПК, так и для микроконт роллеров. 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, Wi-Fi, PCI Express и др.
Издание будет полезно студентам, инженерам, а также широкому кругу читателей, 
интересующихся современной схемотехникой.

This Russian edition of Digital Design and Computer Architecture: RISC-V Edition (9780128200643) 
by Sarah Harris & David Harris is published by arrangement with Elsevier Inc.
The translation has been undertaken by DMK Press at its sole responsibility. Practitioners and 
researchers must always rely on their own experience and knowledge in evaluating and using any 
information, methods, compounds or experiments described herein. Because of rapid advances in 
the medical sciences, in particular, independent verification of diagnoses and drug dosages should be 
made. To the fullest extent of the law, no responsibility is assumed by Elsevier, authors, editors or 
contributors in relation to the translation or for any injury and/or damage to persons or property as 
a matter of products liability, negligence or otherwise, or from any use or operation of any methods, 
products, instructions, or ideas contained in the material herein.

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 978-0-12-820064-3 (англ.) 

ISBN 978-5-97060-961-3 (рус.) 

© 2022 Elsevier, Inc. All rights reserved
© Перевод, научное редактирование, НИУ ВШЭ, 2022 
© Издание, оформление, ДМК Пресс, 2022

Содержание

Отзывы на книгу «Цифровая схемотехника и архитектура  
компьютера. RISC-V» .......................................................................................13
Об авторах ........................................................................................................14
Предисловие к русскому изданию.....................................................................15
Предисловие от редактора русского перевода ...............................................22
Предисловие.......................................................................................................24

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 элемент НЕ ......................................................................53
1.5.2. Буфер ..................................................................................................54
1.5.3. Логический элемент И ........................................................................54
1.5.4. Логический элемент 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
1.7.2. Диоды ..................................................................................................64
1.7.3. Конденсаторы ......................................................................................64
1.7.4. n-МОП- и p-МОП-транзисторы............................................................65
1.7.5. Логический элемент НЕ на КМОП-транзисторах ................................69
1.7.6. Другие логические элементы на КМОП-транзисторах ........................69
1.7.7. Передаточный логический элемент .....................................................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 
Разработка комбинационной логики 
91
2.1. Введение ......................................................................................................91
2.2. Логические функции ....................................................................................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. Доказательство теорем булевой алгебры .......................................... 104
2.3.5. Упрощение логических уравнений .................................................... 105
2.4. От логики к логическим элементам ........................................................... 106
2.5. Многоуровневая комбинационная логика .................................................. 110
2.5.1. Минимизация аппаратных затрат...................................................... 111
2.5.2. Перемещение инверсии ..................................................................... 112
2.6. Что такое 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. Карты Карно: подведение итогов ....................................................... 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. Заключение .............................................................................................. 139
Упражнения ..................................................................................................... 140
Вопросы для собеседования .............................................................................. 147

Глава 3 
Разработка последовательностной 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. Разработка триггеров и защелок на транзисторном уровне ............... 159
3.2.8. Сравнение защелок и триггеров ........................................................ 160
3.3. Разработка синхронных логических схем .................................................. 161
3.3.1. Некоторые проблемные схемы .......................................................... 161
3.3.2. Синхронные последовательностные схемы ....................................... 163
3.3.3. Синхронные и асинхронные схемы .................................................... 166
3.4. Конечные автоматы .................................................................................... 166
3.4.1. Пример разработки 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. Конечные автоматы: подведение итогов ............................................ 185
3.5. Синхронизация последовательностных 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. Заключение ................................................................................................ 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. Моделирование 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
4.2.8. Z-состояние и X-состояние ................................................................ 237
4.2.9. Манипуляция с битами...................................................................... 239
4.2.10. Задержки ......................................................................................... 239
4.3. Структурное моделирование ...................................................................... 241
4.4. Последовательностная 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. Условный оператор (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. Параметризированные модули ................................................................... 272
4.9. Тестбенч .................................................................................................... 275
4.10. Заключение .............................................................................................. 280
Упражнения ..................................................................................................... 281
Упражнения для SystemVerilog .................................................................. 287

Упражнения для VHDL ............................................................................... 289
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. Арифметико-логическое устройство.................................................. 304
5.2.5. Схемы сдвига и циклического сдвига................................................. 309
5.2.6. Умножение ........................................................................................ 310
5.2.7. Деление ............................................................................................. 312
5.2.8. Дополнительная литература.............................................................. 313
5.3. Представление чисел ................................................................................. 313
5.3.1. Числа с фиксированной запятой........................................................ 314
5.3.2. Числа с плавающей запятой .............................................................. 315
5.4. Функциональные узлы последовательностной логики ............................... 319
5.4.1. Счетчики ........................................................................................... 319
5.4.2. Сдвиговые регистры .......................................................................... 321
5.5. Матрицы памяти ........................................................................................ 324
5.5.1. Обзор матриц памяти ........................................................................ 324
5.5.2. Динамическое ОЗУ (DRAM) ............................................................. 328
5.5.3. Статическое ОЗУ (SRAM) ................................................................. 328
5.5.4. Площадь и задержки.......................................................................... 329
5.5.5. Регистровые файлы ........................................................................... 330
5.5.6. Постоянное запоминающее устройство ............................................. 330
5.5.7. Реализация логических функций с использованием матриц памяти .... 332
5.5.8. Языки описания аппаратуры и память ............................................... 333
5.6. Матрицы логических элементов ................................................................ 336
5.6.1. Программируемые логические матрицы ............................................ 336
5.6.2. Программируемые пользователем вентильные матрицы ................... 338
5.6.3. Схемотехника матриц ........................................................................ 345
5.7. Заключение ................................................................................................ 346
Упражнения ..................................................................................................... 347
Вопросы для собеседования .............................................................................. 357

Глава 6 
Архитектура 
359
6.1. Предисловие .............................................................................................. 359
6.2. Язык ассемблера ........................................................................................ 362
6.2.1. Инструкции ....................................................................................... 362
6.2.2. Операнды: регистры, память и константы ......................................... 364
6.3. Программирование .................................................................................... 370
6.3.1. Порядок выполнения программы ....................................................... 371
6.3.2. Арифметические/логические инструкции ........................................ 371
6.3.3. Ветвление программ .......................................................................... 374
6.3.4. Условные операторы ......................................................................... 377
6.3.5. Циклы ................................................................................................ 378
6.3.6. Массив .............................................................................................. 381
6.3.7. Вызовы функций ................................................................................ 385
6.3.8. Псевдокоманды ................................................................................. 398
6.4. Машинный язык ........................................................................................ 400

6.4.1. Инструкции типа R ............................................................................ 401
6.4.2. Инструкции типа I ............................................................................. 403
6.4.3. Инструкции типа S/B ....................................................................... 404
6.4.4. Инструкции типа U/J ....................................................................... 407
6.4.5. Кодирование констант ....................................................................... 408
6.4.6. Режимы адресации ............................................................................ 409
6.4.7. Расшифровываем машинные коды ..................................................... 411
6.4.8. Могущество хранимой программы .................................................... 412
6.5. Камера, мотор! Компилируем, ассемблируем и загружаем ........................ 413
6.5.1. Карта памяти ..................................................................................... 414
6.5.2. Директивы ассемблера ...................................................................... 416
6.5.3. Компиляция ....................................................................................... 419
6.5.4. Трансляция ........................................................................................ 421
6.5.5. Компоновка ....................................................................................... 424
6.5.6. Загрузка ............................................................................................ 426
6.6. Добавочные сведения................................................................................. 426
6.6.1. Порядок байтов ................................................................................. 426
6.6.2. Исключения ....................................................................................... 427
6.6.3. Команды для чисел со знаком и без знака .......................................... 431
6.6.4. Команды для работы с числами с плавающей запятой ....................... 433
6.6.5. Сжатые инструкции .......................................................................... 434
6.7. Эволюция архитектуры RISC-V ................................................................. 436
6.7.1. Базовые наборы команд и расширения RISC-V ................................. 436
6.7.2. Сравнение архитектур RISC-V и MIPS .............................................. 437
6.7.3. Сравнение архитектур RISC-V и ARM............................................... 438
6.8. Живой пример: архитектура x86 ................................................................ 439
6.8.1. Регистры x86 ..................................................................................... 440
6.8.2. Операнды x86 .................................................................................... 440
6.8.3. Флаги состояния ............................................................................... 442
6.8.4. Команды x86 ...................................................................................... 442
6.8.5. Кодировка команд х86 ....................................................................... 444
6.8.6. Другие особенности x86 .................................................................... 446
6.8.7. Архитектура х86: подведение итогов ................................................. 447
6.9. Заключение ................................................................................................ 448
Упражнения ..................................................................................................... 449
Вопросы для собеседования .............................................................................. 462

Глава 7 
Микроархитектура 
465
7.1. Введение .................................................................................................... 465
7.1.1. Архитектурное состояние и система команд ..................................... 466
7.1.2. Процесс разработки ........................................................................... 466
7.1.3. Микроархитектуры RISC-V ............................................................... 469
7.2. Анализ производительности ...................................................................... 470
7.3. Однотактный процессор ............................................................................. 472
7.3.1. Пример программы ............................................................................ 473
7.3.2. Однотактный тракт данных ............................................................... 473
7.3.3. Однотактный блок управления .......................................................... 482
7.3.4. Дополнительные команды ................................................................. 485
7.3.5. Анализ производительности .............................................................. 488
7.4. Многотактный процессор .......................................................................... 490
7.4.1. Многотактный тракт данных ............................................................. 491
7.4.2. Многотактное устройство управления .............................................. 497
7.4.3. Дополнительные команды ................................................................. 509

7.4.4. Анализ производительности .............................................................. 512
7.5. Конвейерный процессор ............................................................................. 515
7.5.1. Конвейерный тракт данных ............................................................... 518
7.5.2. Конвейерное устройство управления ................................................ 520
7.5.3. Конфликты ........................................................................................ 520
7.5.4. Анализ производительности .............................................................. 531
7.6. Разрабатываем процессор на HDL ............................................................. 533
7.6.1. Однотактный процессор  ................................................................... 535
7.6.2. Универсальные строительные блоки ................................................. 539
7.6.3. Тестбенч ............................................................................................ 542
7.7. Улучшенные микроархитектуры ................................................................ 547
7.7.1. Длинные конвейеры .......................................................................... 548
7.7.2. Микрокоманды .................................................................................. 549
7.7.3. Предсказание условных переходов .................................................... 550
7.7.4. Суперскалярный процессор ............................................................... 552
7.7.5. Процессор с внеочередным выполнением команд ............................. 555
7.7.6. Переименование регистров ............................................................... 558
7.7.7. Многопоточность .............................................................................. 560
7.7.8. Мультипроцессоры ............................................................................ 561
7.8. Живой пример: эволюция микроархитектуры RISC-V ............................... 565
7.9. Заключение ................................................................................................ 569
Упражнения ..................................................................................................... 571
Вопросы для собеседования .............................................................................. 579

Глава 8 
Системы памяти 
581
8.1. Введение .................................................................................................... 581
8.2. Анализ производительности систем памяти .............................................. 586
8.3. Кеш-память ................................................................................................ 588
8.3.1. Какие данные хранятся в кеш-памяти? .............................................. 589
8.3.2. Как найти данные в кеш-памяти?....................................................... 590
8.3.3. Какие данные заместить в кеш-памяти? ............................................ 599
8.3.4. Улучшенная кеш-память ................................................................... 600
8.4. Виртуальная память ................................................................................... 604
8.4.1. Трансляция адресов ........................................................................... 607
8.4.2. Таблица страниц ................................................................................ 609
8.4.4. Защита памяти .................................................................................. 612
8.4.5. Стратегии замещения страниц .......................................................... 612
8.4.6. Многоуровневые таблицы страниц .................................................... 613
8.5. Заключение ................................................................................................ 616
Эпилог .............................................................................................................. 616
Упражнения ..................................................................................................... 617
Вопросы для собеседования .............................................................................. 624

Глава 9 
Ввод/вывод во встраиваемых системах  
626
9.1. Введение .................................................................................................... 626
9.2. Отображение ввода/вывода в пространство памяти ................................. 627
9.3. Ввод/вывод во встраиваемых системах .................................................... 629
9.3.1. Плата RED-V ..................................................................................... 629
9.3.2. Система на кристалле FE310-G002.................................................... 631
9.3.3. Цифровой ввод/вывод общего назначения ....................................... 634
9.3.4. Драйверы устройств ввода/вывода ................................................... 638
9.3.5. Последовательный ввод/вывод......................................................... 642

9.3.6. Таймеры............................................................................................. 659
9.3.7. Аналоговый ввод/вывод ................................................................... 661
9.3.8. Прерывания ....................................................................................... 669
9.4. Другие внешние устройства микроконтроллера ........................................ 674
9.4.1. Символьные ЖК-дисплеи .................................................................. 674
9.4.2. VGA-монитор .................................................................................... 678
9.4.3. Беспроводная связь Bluetooth ........................................................... 684
9.4.4. Управление двигателями ................................................................... 686
9.5. Заключение ................................................................................................ 698

Приложение А. Реализация цифровых систем 
699
А.1. Введение.................................................................................................... 699
А.2. Логические микросхемы серии 74xx ......................................................... 700
А.2.1. Логические элементы ....................................................................... 700
А.2.2. Другие логические функции ............................................................. 701
А.3. Программируемая логика .......................................................................... 703
А.3.1. PROM ..................................................................................................... 704
А.3.2. Блоки PLA......................................................................................... 705
А.3.3. FPGA ................................................................................................ 705
А.4. Заказные специализированные интегральные схемы ................................ 708
А.5. Работа с документацией ............................................................................ 709
А.6. Семейства логических микросхем ............................................................. 714
А.7. Корпуса и монтаж интегральных схем....................................................... 717
А.8. Линии передачи ......................................................................................... 721
A.8.1. Согласованная нагрузка ................................................................... 723
A.8.2. Нагрузка холостого хода ................................................................... 725
A.8.3. Нагрузка короткого замыкания ......................................................... 726
A.8.4. Рассогласованная нагрузка ............................................................... 726
A.8.5. Когда нужно применять модели линии передачи .............................. 729
A.8.6. Правильное подключение нагрузки к линии передачи ....................... 730
A.8.7. Вывод формулы для Z0 ..............................................................................................................................731
A.8.8. Вывод формулы для коэффициента отражения ................................. 733
A.8.9. Линии передачи: подведение итогов ................................................. 733
A.9. Экономика ................................................................................................. 735

Приложение B. Система команд RISC-V 
738

Приложение C. Программирование на языке С 
747
C.1. Введение .................................................................................................... 747
Краткий итог ..................................................................................................... 749
C.2. Добро пожаловать в язык С ....................................................................... 750
C.2.1. Структура программы на языке С ..................................................... 750
C.2.2. Запуск С-программы ......................................................................... 751
Краткий итог ..................................................................................................... 752
C.3. Компиляция ............................................................................................... 752
C.3.1. Комментарии..................................................................................... 753
C.3.2. #define ............................................................................................. 753
C.3.3. #include ......................................................................................... 754
Краткий итог ..................................................................................................... 755
C.4. Переменные ............................................................................................... 756
C.4.1. Базовые типы данных ........................................................................ 756
C.4.2. Глобальные и локальные переменные ............................................... 758

C.4.3. Инициализация переменных ............................................................. 759
Краткий итог ..................................................................................................... 759
C.5. Операции ................................................................................................... 760
C.6. Вызовы функций ........................................................................................ 763
C.7. Управление последовательностью выполнения действий ......................... 765
C.7.1. Условные операторы ......................................................................... 765
C.7.2. Циклы ............................................................................................... 767
Краткий итог ..................................................................................................... 769
C.8. Другие типы данных .................................................................................. 770
C.8.1. Указатели ......................................................................................... 770
C.8.2. Массивы ........................................................................................... 772
C.8.3. Символы............................................................................................ 777
C.8.4. Строки символов ............................................................................... 778
C.8.5. Структуры ......................................................................................... 780
C.8.6. Оператор typedef ........................................................................... 781
C.8.7. Динамическое распределение памяти ............................................... 783
C.8.8. Связные списки................................................................................. 784
Краткий итог ..................................................................................................... 786
C.9. Стандартная библиотека языка C .............................................................. 786
C.9.1. stdio ............................................................................................... 787
C.9.2. stdlib ............................................................................................. 791
C.9.3. math ................................................................................................. 794
C.9.4. string ............................................................................................. 794
C.10. Компилятор и опции командной строки ................................................... 795
C.10.1. Компиляция нескольких исходных c-файлов ................................... 795
C.10.2. Опции компилятора ........................................................................ 795
C.10.3. Аргументы командной строки ......................................................... 796
C.11. Типичные ошибки .................................................................................... 797

Дополнительная литература 
801

Предметный указатель 
803

Отзывы на книгу «Цифровая 
схемотехника и архитектура 
компьютера. RISC-V»

Харрис и Харрис детально описали устройство процессора RISC-V от электронных 
компонентов до микроархитектуры. Их ясные объяснения в сочетании 
с широким охватом темы дают полное представление как о цифровой схемо-
технике, так и об архитектуре RISC-V. Это очень информативный и познавательный 
подход, поскольку у студентов есть отличная возможность запускать 
большие цифровые проекты на современных FPGA.

Дэвид А. Паттерсон, Калифорнийский университет в Беркли 

Потрясающе, какие разнообразные знания авторы объединили в одной книге! 
По мере развития производства полупроводников значимость правильной 
разработки цифровых схем и компьютерной архитектуры будет только возрастать. 
Читатели найдут доступное и всестороннее рассмотрение обеих 
тем и после прочтения книги получат четкое понимание архитектуры набора 
команд RISC-V.

Эндрю Уотерман, SiFive

Мне доводилось видеть отличные учебники по цифровой схемотехнике и отличные 
учебники по компьютерным архитектурам – но этот учебник представляет 
собой и то, и другое! Он также уникален своей способностью формировать 
общую картину. Авторы начинают с азов, и это делает архитектуру 
RISC-V понятной. Упражнения к главам этой книги послужат отличным методическим 
ресурсом для университетских преподавателей.

Рой Кравиц, Государственный университет Портленда

Когда я впервые прочитал учебник по MIPS в 2008 году, то подумал, что это 
один из лучших учебников по компьютерной архитектуре. Я сразу начал использовать 
его в своих лекциях. Тринадцать лет спустя мне посчастливилось 
прочитать новое издание про RISC-V, и мое мнение осталось прежним: это отличная 
книга, очень понятная, исчерпывающая, с высоким образовательным 
потенциалом. Она полностью соответствует учебной программе, которую 
проходят студенты в области цифровой схемотехники и компьютерной архитектуры. 
Я с нетерпением жду возможности использовать этот учебник по 
архитектуре RISC-V в своих лекциях.

Даниэль Чавер Мартинес, Мадридский университет Комплутенсе

Об авторах

Дэвид Мани Харрис (David Money Harris) – доцент в колледже им. Харви Мадда 
(Harvey Mudd College). Получил ученую степень кандидата наук по электронике 
в Стэнфордском университете и степень магистра по электронике и информатике 
в Массачусетском технологическом институте (MIT). Перед Стэнфордом работал 
в компании Intel в качестве схемотехника и разработчика логики для процессоров 
Itanium и Pentium II. Впоследствии работал консультантом в Sun Microsystems, 
Hewlett-Packard, Evans & Sutherland и других компаниях.
Увлечения Дэвида включают в себя преподавание, разработку чипов и активный 
отдых на природе. В свободное от работы время занимается пешим туризмом, скалолазанием 
и альпинизмом. Особенно любит длинные прогулки с сыном Абрахамом, 
который родился, когда Дэвид начал работать над этой книгой. Дэвид имеет более 
десяти патентов и является автором трех других учебников по разработке чипов, 
а также двух путеводителей по горам Южной Калифорнии.

Сара Л. Харрис (Sarah L. Harris) – доцент в колледже им. Харви Мадда (Harvey 
Mudd College). Получила степени магистра и кандидата наук по электронике в Стэн-
фордском университете и степень бакалавра по электронике и вычислительной технике 
в университете Брайама Янга (BrighamYoung University). Сара также работала 
в компаниях Hewlett-Packard, San Diego Supercomputer Center, Nvidia и исследовательском 
отделе компании Microsoft Research в Пекине.
Интересы Сары не ограничиваются преподаванием, изучением и разработкой 
новых технологий, она также любит путешествовать, увлекается виндсерфингом, 
скалолазанием и игрой на гитаре. Среди ее недавних начинаний можно отметить исследования 
в области интерфейсов, позволяющих разрабатывать цифровые электрические 
схемы простыми рисунками от руки, работу в качестве научного корреспондента 
для филиала Национального общественного радио (National Public Radio) 
и обучение кайтсерфингу. Сара говорит на четырех языках и собирается изучить 
еще несколько в ближайшем будущем.

Романов Александр Юрьевич – научный редактор русского перевода данной 
книги, доцент Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова 
Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» 
(МИЭМ НИУ ВШЭ). В 2009 г. закончил магистратуру в Харьковском политехническом 
институте, работал в Киевском политехническом институте им. Сикорского. 
С 2014 г. работает в МИЭМ НИУ ВШЭ, где возглавляет лабораторию САПР 
(https://miem.hse.ru/edu/ce/cadsystem), специализирующуюся на проектной 
деятельности, а также разработке цифровых систем на ПЛИС/микроконтроллерах, 
робототехнических комплексов, аппаратных реализаций систем искусственного интеллекта, 
многопроцессорных систем, систем удаленного доступа к лабораторному 
оборудованию и т. д. В 2015 г. защитил диссертацию в Институте проблем проектирования 
в микроэлектронике РАН (г. Зеленоград), является автором более 150 научных 
статей, патентов и книг. Более подробно об учебном процессе в лаборатории 
можно узнать из интервью: https://miem.hse.ru/news/364316102.html.

Предисловие 
к русскому изданию

Вы держите в руках книгу, которая занимает на российском книжном рынке особое 
место. Если вы студент и хотите пройти собеседование в крупную электронную компанию 
на прозицию проектировщика процессоров, нейроускорителей или сетевых 
микросхем, то самое лучшее, что вы можете сделать сейчас, – это прочитать данную 
книгу от корки до корки, одновременно выполняя упражнения на симуляторах 
и платах ПЛИС.
Когда мы говорим о собеседованиях, мы говорим о таких компаниях, как Apple, 
Intel, NVidia, а также о передовых российских проектировщиках процессоров Synta-
core, «Элвис-НеоТек» и «Байкал Электроникс». В каждой из них вам дадут задания 
ти па «напишите на доске дизайн простого арбитра на языке описания аппаратуры 
Verilog» или «объясните, как помогают производительности микропроцессора байпасы 
в его конвейере».
Конечно, мы не утверждаем, что изучение этого учебника гарантирует вам успех, 
но эта книга закладывает современную базу во всех областях, о которых вас будут 
спрашивать: цифровая логика и ее тайминг, арифметические блоки и конечные автоматы, 
архитектура (система команд) и микроархитектура (строение конвейера) процессора. 
С использованием того же самого языка SystemVerilog, который используют 
современные разработчики цифровых систем на рабочем месте (вам также могут 
встретиться блоки на языке VHDL, и он тоже есть в книге).
После этой книги вам, конечно, нужно будет сделать несколько учебных проектов 
и изучить по статьям в сети Интернет некоторые типы дизайнов, которых в книге 
нет (очереди FIFO, пересечение доменов тактовой частоты и т. д.). Совместно с этой 
книгой также рекомендуется читать еще одну – «Цифровой синтез: практический 
курс»1. Она создана специально как дополнение к предыдущей версии книги Харрисов; 
в ближайшее время планируется ее переиздание, адаптированное под RISC-V. 
После этого вы будете готовы к бою. Никакая другая книга или комбинация книг 
на русском языке не поможет вам пройти эту начальную часть траектории эффективнее, 
чем «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V» Дэвида 
Харриса и Сары Харрис.

Как возникла современная база 
проектирования

В 1980-е годы произошли две революции в проектировании цифровых микросхем. 
Первая революция была в маршруте проектирования. До конца 1980-х схемы рисо-

1 
Цифровой синтез: практический курс / под общ. ред. А. Ю. Романова, Ю. В. Панчула. М.: ДМК 
Пресс, 2020. https://dmkpress.com/catalog/electronics/circuit_design/978-5-97060-850-0/.

 Предисловие к русскому изданию
16

вали мышкой на экране, а с начала 1990-х их стали синтезировать из кода на языках 
описания аппаратуры Verilog и VHDL. Основные события:

 
► 1984 – Gateway Design Automation / Cadence изобретают язык описания аппаратуры 
Verilog;
 
► 1984 – Xilinx изобретает реконфигурируемые микросхемы ПЛИС/FPGA;

 
► 1986 – Optimal Solutions / Synopsys изобретают цифровой синтез;

 
► 1988–1992 – цифровой синтез внедряют в проектирование Apple, Sun, Nokia 
и др.;
 
► 1997–1999 – Lexra, MIPS, ARM начинают лицензировать процессорные ядра 
в виде IP-блоков (Intellectual Property – интеллектуальная собственность).

Вторая революция произошла в архитектуре и микроархитектуре процессоров. 
В 1970-х были популярны процессоры с двухуровневой организацией на основе так 
называемой технологии микропрограммирования. Команды процессора, видимые 
программисту, реализовывались на аппаратном уровне с помощью цепочек из слов 
(последовательностей битов в памяти) с сигналами контроля, так называемого микрокода. 
Такая организация позволяла создавать очень сложные системы команд, но 
ограничивала возможности по их параллельному выполнению.
В 1978 году группа исследователей в Стенфорде под руководством Джона Хен-
несси задала себе вопрос: действительно ли нужны эти сложные команды, или их необходимость – 
просто маркетинговая иллюзия? Стенфордцы провели анализ большого 
количества пользовательских программ и пришли к выводу, что большинство 
используемых в программах команд – простые. И если тратить усилия не на усложнение 
цепочек микрокода, а на построение так называемого конвейера – структуры, 
в которой простые команды выполняются с перекрытием во времени, – то можно 
выполнять программы быстрее. Так появилась архитектура MIPS.
К похожим идеям пришла группа в Беркли под руководством Дэвида Паттер-
сона, которая в начале 1980-х создала архитектуры RISC I и RISC II, из которых 
выросла архитектура SPARC. В середине 1980-х появилась компания ARM, и за 
последующие десятилетия процессоры с новой организацией сначала завоевали 
рынок рабочих станций, а потом и бытовой электроники, сотовых телефонов и микроконтроллеров.

В конце 1980-х даже Intel, которая изначально делала процессоры на основе 
микрокода, стала вводить в Intel 486 конвейер, а к 1996 году построила процессор 
PentiumPro, в котором большинство команд на лету преобразовывались в простые 
команды, отправлявшиеся на конвейер в стиле RISC-процессоров. Хранимый в памяти 
микрокод остался только для сложных инструкций.
В начале 1990-х основатели концепции RISC-процессоров Джон Хеннесси и Дэвид 
Паттерсон опуб ликовали два учебника, которые стали бестеллерами:

 
► учебник начального уровня «Архитектура компьютера и проектирование 
компью терных систем»
 
► и более сложный учебник «Компьютерная архитектура: количественный подход».

Предисловие к русскому изданию
17

Эти учебники описывали архитектуру и микроархитектуру сначала на основе 
MIPS-образной архитектуры DLX, а потом стали использовать MIPS. К тому времени 
процессоры архитектуры MIPS уже использовались в компьютерах для голливудских 
спецэффектов, а потом и в домашней электронике.
В течение 1990-х американские университеты внедрили в учебный процесс книги 
Хеннесси и Паттерсона, курсы по языкам описания аппаратуры Verilog и VHDL, 
а также лабораторные работы на платах с микросхемами реконфигурируемой логики 
ПЛИС/FPGA, которые позволили строить студенческие процессоры без сложной 
процедуры заказа их на фабрике. Так выросло поколение студентов, которые 
разработали Apple iPhone, графические процессоры от NVidia, микросхемы для 
маршрутизаторов Cisco и Juniper и другие популярные устройства.

Что происходило в это время в России

Революции в цифровом синтезе и микроархитектуре процессоров по времени выпали 
на сложный период российской истории. Открытие советского рынка для иностранных 
компьютеров, коллапс СССР и недофинансирование вузов привели к тому, что 
в российcком обществе перестали верить, что в России возможно проектирование 
конкурентоспособных чипов. 
Долгое время группы разработчиков сохранялись только в компаниях, связанных 
с обороной и космосом, для проектирования чипов для космоса в таких организациях, 
как НИИСИ и НПЦ «Элвис». Российская команда, разработавшая процессор «Эльбрус», 
прототип которого при симуляции на Verilog показывал многообещающие результаты 
на вычислениях с плавающей запятой, попыталась в 2000 году получить финансирование 
у венчурных капиталистов Кремниевой долины, но вернулась в Россию.
В результате обучение компьютерной архитектуре во многих российских вузах 
стало описательным. Например, вузовские преподаватели стали использовать учебник 
Эндрю Таненбаума «Архитектура компьютеров», который был больше ориентирован 
на программистов, чем разработчиков процессоров. Что и понятно – Таненбаум 
получил известность как создатель операционной системы Minix, предшественницы 
Linux, а не разработчик процессора. Для микроархитектуры учебник использовал 
предыдущую технологическую базу (микрокод) и никак не был привязан к синтезу 
процессоров на языках описания аппаратуры. То есть студенты изучали системы команд 
и виды кеша для программистов, но не могли сделать процессор руками.
Учебники Паттерсона и Хеннесси были переведены на русский язык с большим 
опозданием, и в них не вошли приложения с описанием языков проектирования аппаратуры. 
Профессор Аркадий Поляков  после работы в Кремниевой долине вернулся 
в Россию и издал в 2003 году учебник по Verilog, но в нем не было привязки к компьютерной 
архитектуре. Даже когда российские вузы делали лабораторные работы 
с ПЛИС, преподаватели часто выбирали разработку схемы с помощью рисования 
мышкой на экране, хотя в американских компаниях это перестали делать еще в начале 
1990-х. В типичной вузовской методичке по цифровой электронике 2000-х годов 
шло качественное описание схем мультиплексоров и триггеров, а потом, пропустив 

 Предисловие к русскому изданию
18

два уровня абстракции, студенты сразу изучали программирование микроконтроллеров. 
Не было учебника, который бы увязывал все эти элементы в одно целое.

История появления учебника «Цифровая 
схемотехника и архитектура компьютера»

Дэвид Харрис учился в MIT как раз тогда, когда произошла революция в маршруте 
проектирования конца 1980 – начала 1990-х годов. Вооруженный новыми методологиями, 
Дэвид пошел работать в Intel над процессором Pentium II. После этого 
защитил диссертацию в Стенфорде и стал преподавателем в Колледже Харви-Мадд 
в южной Калифорнии.

 
► http://pages.hmc.edu/harris/about/General_Resume.pdf.

Колледж Харви-Мадд не особо известен широкой публике, но находится среди 
топ-университетов по заработным платам выпускников, а также количеству выпускников, 
защищающих впоследствии диссертации. Еще Харви-Мадд известен проектами 
в области робототехники, которые они делают вместе с NASA. Иными словами, 
это практик высшего калибра.

 
► https://www.monster.com/career-advice/article/colleges-that-get-most-
pay-for-graduates.
 
► https://www.hmc.edu/about-hmc/2020/09/14/harvey-mudd-ranks-high-
in-u-s-news-and-world-report-2021/.
 
► https://ti.arc.nasa.gov/news/ASR-hosts-Clinic-project/.

Дэвид Харрис и его коллега Сара Харрис (они не родственники, а просто однофамильцы) 
в 2008 году написали первый вариант учебника, в котором в лаконичной 
и технически корректной форме изложили материал, который обычно входил в несколько 
учебников: цифровая логика, языки описания аппаратуры Verilog и VHDL, 
архитектура и микроархитектура компьютера, а также использование готовых 
чипов. Студенты получили возможность, используя только один учебник, начать 
с нуля, дойти до конструирования собственного небольшого процессора, реализующего 
подмножество архитектуры MIPS, а потом сравнить его работу с реальным 
микроконтроллером Microchip PIC32 на архитектуре MIPS.

Книга Харрисов появилась в России

В начале 2010-х годов в российской электронной индустрии наступило оживление. 
Зеленоградские компании «Элвис» и «Миландр» налаживали контакты с ARM 
и MIPS для лицензирования процессорных ядер, НИИСИ строил суперскалярное 
64-битное MIPS-ядро, КМ211 разрабатывали процессоры для смарт-карт и налаживали 
контакты с тайваньской фабрикой TSMC. РОСНАНО финансировало проект 
компании «Элвис» в области умных камер и новую компанию «Байкал Электроникс».