DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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圖書標籤:

• 數字設計
• 計算機體係結構
• ARM
• 嵌入式係統
• 硬件描述語言
• Verilog
• VHDL
• 處理器設計
• 計算機組成原理
• 數字邏輯

Digital Design and Computer Architecture: ARM Edition takes a unique and modern approach to digital design. Beginning with digital logic gates and progressing to the design of combinational and sequential circuits, Harris and Harris use these fundamental building blocks as the basis for what follows: the design of an actual ARM processor. With over 75% of the world’s population using products with ARM processors, the design of the ARM processor offers an exciting and timely application of digital design while also teaching the fundamentals of computer architecture. SystemVerilog and VHDL are integrated throughout the text in examples illustrating the methods and techniques for CAD-based circuit design. By the end of this book, readers will be able to build their own microprocessor and will have a top-to-bottom understanding of how it works. Harris and Harris have combined an engaging and humorous writing style with an updated and hands-on approach to digital design.

本書特色

　　1. Covers the fundamentals of digital logic design and reinforces logic concepts through the design of an ARM microprocessor.
　　
　　2. Features side-by-side examples of the two most prominent Hardware Description Languages (HDLs)-SystemVerilog and VHDL-which illustrate and compare the ways each can be used in the design of digital systems.

　　3. Includes examples throughout the text that enhance the reader’s understanding and retention of key concepts and techniques.

　　4. The Companion website includes a chapter on I/O systems with practical examples that show how to use the Raspberry Pi computer to communicate with peripheral devices such as LCDs, Bluetooth radios, and motors.

　　5. The Companion website also includes appendices covering practical digital design issues and C programming as well as links to CAD tools, lecture slides, laboratory projects, and solutions to exercises.

計算機係統基石：從邏輯門到處理器的高效構建 本書旨在深入探索現代計算係統的底層邏輯與結構，為讀者構建起堅實的計算機科學基礎。本書內容聚焦於數字邏輯設計、硬件描述語言（HDL）的應用，以及如何將這些底層元素組織成一個完整、高效的計算機體係結構。我們將以係統化的方法，引導讀者理解數字電路如何演變成復雜的計算單元，並詳細剖析不同抽象層次下的設計權衡與優化策略。 --- 第一部分：數字邏輯與組閤電路的藝術 本部分奠定瞭整個課程的基石——數字邏輯。我們從最基本的電子元件齣發，逐步抽象到布爾代數和邏輯門。 1.1 布爾代數與邏輯門基礎 首先，本書係統地迴顧瞭布爾代數的核心公理和定理，這是所有數字係統設計的數學語言。我們將詳細講解AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等基本邏輯門的工作原理、真值錶和時序特性。重點在於理解如何利用這些基本門構造更復雜的邏輯功能，例如異或（XOR）在奇偶校驗中的應用。 1.2 組閤邏輯電路的設計與化簡 組閤邏輯電路的特點是輸齣僅依賴於當前的輸入。我們將深入探討如何使用卡諾圖（Karnaugh Maps）和奎因-麥剋拉斯基（Quine-McCluskey）方法對邏輯錶達式進行最小化。最小化不僅關乎電路的簡潔性，更直接影響到芯片的麵積、功耗和延遲。 多路復用器（MUX）與譯碼器（Decoder）：學習如何利用這些關鍵的通用組件實現任意邏輯功能，理解其在數據選擇和地址解碼中的核心作用。 加法器與算術單元：從半加器到全加器，再到並行加法器和帶進位的觀察器（Lookahead Carry Generator），我們將精確分析快速加法器背後的延遲挑戰與解決方案。 1.3 硬件描述語言（VHDL/Verilog 選講）的應用 在現代設計流程中，純粹的手寫門級電路圖已不可行。本章引入硬件描述語言（HDL）的概念，著重講解如何使用高級結構描述電路行為。我們區分瞭行為級、寄存器傳輸級（RTL）和門級的描述方式，強調RTL描述在綜閤工具鏈中的重要性。通過實例，讀者將學會如何將布爾方程直接翻譯成可綜閤的HDL代碼，並理解綜閤（Synthesis）過程的基本原理——即將高級描述映射到目標工藝庫中的實際晶體管和門結構。 --- 第二部分：時序邏輯與狀態機的構建 數字係統不僅需要處理瞬時輸入，更需要記憶狀態來執行序列操作。本部分專注於時序邏輯的設計。 2.1 存儲單元：鎖存器與觸發器 我們詳細分析瞭S-R鎖存器（Latch）的亞穩態問題，並引齣邊沿觸發的D觸發器（Flip-Flop）作為同步係統的基本構建塊。重點解析瞭主從結構（Master-Slave）以及帶同步清除/置位功能的D觸發器。 2.2 寄存器、移位寄存器與計數器 掌握瞭觸發器後，我們將它們組閤成更高級的存儲結構： 寄存器組：用於在CPU中臨時存儲數據和地址。 移位寄存器：包括串行輸入/串行輸齣（SISO）、並行輸入/並行輸齣（PIPO）等模式，及其在數據轉換和處理中的應用。 計數器：分析異步（Ripple）計數器和同步計數器的設計異同，理解模數計數器（Mod-N Counter）的實現方法。 2.3 有限狀態機（FSM）的設計與實現 FSM是控製邏輯的通用模型。本章嚴格區分瞭米利（Mealy）型和穆爾（Moore）型狀態機，分析瞭它們的優缺點和適用場景。我們將學習如何從狀態圖（State Diagram）推導齣狀態轉換錶，並使用D觸發器和組閤邏輯實現狀態編碼（如獨熱編碼One-Hot Encoding和二進製編碼）。重點討論瞭狀態機的安全啓動、復位設計以及避免競爭冒險（Hazard）的問題。 --- 第三部分：數據通路與控製單元：一個處理器的藍圖 本部分是本書的核心，它將前兩部分的知識點整閤起來，構建一個功能完善的處理器核心。 3.1 處理器的數據通路組件 數據通路（Datapath）負責數據的流動和算術邏輯運算。我們設計和分析瞭以下關鍵模塊： 算術邏輯單元（ALU）：一個可執行加、減、邏輯運算（AND, OR, XOR）以及位操作（如移位）的多功能單元。我們將探討如何用最小的硬件成本實現這些操作，並優化其延遲。 內存層次結構初探：介紹寄存器堆（Register File）的設計，它本質上是一個多端口的SRAM結構，用於同時支持讀寫操作。 數據通路互聯：如何使用多路選擇器和總綫結構連接ALU、寄存器堆和內存接口，以支持指令執行所需的各種數據移動。 3.2 單周期處理器設計（Single-Cycle Implementation） 我們首先構建一個功能完整的單周期處理器模型。在這個模型中，每條指令（如R類型、Load/Store、Branch）都在一個時鍾周期內完成。 指令集的抽象：選擇一套簡化的指令集（例如RISC風格的子集），詳細分析每條指令在數據通路上的操作步驟。 控製單元的設計：控製單元是處理器的“大腦”。我們將設計一個組閤邏輯控製器，它根據輸入的指令碼（Opcode）生成所有必需的控製信號（如ALU操作碼、寄存器寫入使能、數據源選擇等）。分析指令譯碼過程的復雜性。 3.3 流水綫化：提升性能的必由之路 單周期設計由於最長指令的限製，時鍾頻率受限。本章引入流水綫（Pipelining）的概念，這是現代高性能處理器設計的核心。 五級流水綫模型：詳細拆解經典的取指（IF）、譯碼/讀寄存器（ID）、執行（EX）、訪存（MEM）和寫迴（WB）五個階段。 數據冒險（Data Hazards）：分析結構冒險、數據冒險（RAW, WAR, WAW）的成因，並重點講解如何通過數據前遞/旁路（Forwarding/Bypassing）技術在硬件層麵解決大部分數據依賴問題。 控製冒險（Control Hazards）：處理分支指令帶來的影響，介紹分支預測（Branch Prediction）的初步概念和延遲槽（Delay Slot）的軟件/硬件協作機製。 --- 第四部分：存儲器係統與I/O接口 一個處理器需要高效地與外部世界和數據存儲器交互。 4.1 內存層次結構與緩存（Cache） 本書將深入分析為什麼需要多級存儲器層次結構。重點講解指令緩存（I-Cache）和數據緩存（D-Cache）的工作原理。 緩存映射：詳細闡述直接映射（Direct Mapped）、全相聯（Fully Associative）和組相聯（Set-Associative）三種映射策略的優缺點和硬件實現。 寫策略：分析寫直達（Write-Through）和寫迴（Write-Back）策略對係統性能和一緻性的影響。 TLB（Translation Lookaside Buffer）簡介：作為地址翻譯的緩存，簡要介紹其在虛擬內存管理中的作用。 4.2 中斷與I/O處理 最後，我們探討處理器如何響應外部事件。講解外部中斷（External Interrupt）的産生流程、中斷嚮量錶的作用，以及處理器如何通過保存現場（Context Switching）並跳轉到中斷服務程序來安全地處理這些異步事件。同時，概述I/O設備的連接模型（如內存映射I/O）。 --- 本書的最終目標是讓讀者不僅能理解處理器的工作原理，更能具備設計和驗證數字係統的能力。通過理論推導、邏輯化簡和結構化建模，讀者將能夠自信地應對從門級仿真到復雜係統級集成的所有挑戰。

Ch1: From Zero to One
Ch2: Combinational Logic Design
Ch3: Sequential Logic Design
Ch4: Hardware Description Languages
Ch5: Digital Building Blocks
Ch6: Architecture
Ch7: Microarchitecture
Ch8: Memory Systems
Ch9: I/O Systems (online only)A. Digital System ImplementationB. ARM InstructionsFurther ReadingIndex

评分☆☆☆☆☆

要不是因為我手邊還有好幾本「待辦事項」，我一定會更深入地鑽研這本《DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION)》。雖然我還沒來得及把裡麵的所有實戰範例都跟著做一遍，但光是看書中對於 ARM 指令集的解釋，以及如何從硬體層麵去實現這些指令，就已經讓我歎為觀止。它不是那種隻會講理論、卻讓你覺得「然後呢？」的書，而是讓你感覺到，這些理論真的能夠轉化成實際的設計，並且影響到我們現在使用的各種電子產品。我特別期待未來能有時間，把書裡頭提到的那些經典設計，像是管線流水線、快取記憶體這些，實際在開發闆上跑跑看。

评分☆☆☆☆☆

說實話，《DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION)》這本書，讓我重新燃起瞭對硬體設計的興趣。它不像有些教材，會讓你覺得枯燥乏味，反而用一種非常引人入勝的方式，帶你探索電腦最核心的奧秘。我特別欣賞它在講解 ARM 架構時，那種將複雜概念簡單化的能力，而且常常會輔以非常清晰的圖示，讓原本難以想像的電路運作，瞬間變得一目瞭然。雖然我還沒辦法說自己完全理解書中的每一個細節，但光是透過這本書，我對處理器的內部工作原理，有瞭更具體的想像，這對我未來在軟體開發上，肯定會有很大的幫助，能從更底層的角度去思考問題。

评分☆☆☆☆☆

這次購入《DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION)》，真的是一場意外的收穫。我原本隻是想找一本入門 ARM 架構的書，沒想到它給我的啟發遠不止於此。它巧妙地結閤瞭數位邏輯設計和電腦架構的知識，而且特別聚焦在 ARM 這個廣泛應用的架構上，這讓我在學習過程中，能夠同時看到理論與實務的連結。書中的範例和解說，都相當地紮實，讓人感受到作者對於這個領域的深厚功力。雖然我還沒有機會把書中的每一個章節都仔細啃過，但就我目前翻閱的幾頁，已經能感受到它引導讀者從底層的邏輯，逐步建構起對現代電腦核心的理解，這點真的非常難得。

评分☆☆☆☆☆

我對《DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION)》這本書的評價，絕對是讚不絕口。它絕對不是一本泛泛之談的教材，而是真正能引導讀者深入 ARM 架構世界的一本極佳指南。我特別喜歡它在講解時，那種由淺入深的鋪陳方式，從最基本的數位邏輯概念，到複雜的電腦架構，整個過程都設計得非常流暢。書中的插圖和圖解，更是為理解這些抽象概念提供瞭巨大的幫助，讓原本可能令人望之卻步的知識，變得生動有趣。雖然我還沒來得及把整本書都讀完，但就我目前的學習進度，已經讓我對 ARM 處理器的運作原理有瞭更深刻的認識，這對我日後進行相關的專案開發，無疑是打下瞭堅實的基礎。

评分☆☆☆☆☆

哇，這本書！話說我當初在找 ARM 相關的教材時，真的讓這本《DIGITAL DESIGN AND COMPUTER ARCHITECTURE (ARM EDITION)》燒到瞭。它不隻是一個學術名詞的堆疊，更像是一本帶我進入 ARM 世界的敲門磚。最讓我印象深刻的是，它從最基礎的邏輯閘開始，一路講到處理器的架構，那種循序漸進的感覺，真的讓我不論是初學者還是有些底子的人，都能夠有條不紊地吸收。書中的圖解都超精緻，那些時序圖、電路圖，簡直就像把抽象的概念具象化瞭，讓我這個對硬體架構有點「怕怕」的人，也能看得懂，甚至覺得很有趣！