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好的，这是一本名为《数字逻辑与计算机组成原理》的图书简介。 数字逻辑与计算机组成原理 深入理解现代计算基石的权威指南 作者： 电子工程与计算机科学系 资深教授团队 出版社： 科技文萃出版社 ISBN： 978-7-123456-78-9 页数： 约 850 页 --- 内容概述 《数字逻辑与计算机组成原理》是一本系统阐述现代数字系统设计与计算机硬件核心架构的深度教材与参考手册。本书旨在为电子工程、计算机科学、软件工程以及相关交叉学科的学生和专业人士，提供从最基础的逻辑门操作到复杂中央处理器（CPU）结构的全景式、工程化视角。 本书的核心目标是揭示现代电子设备（从微控制器到超级计算机）的底层运行机制。我们坚信，要真正掌握高级编程和系统优化，必须透彻理解信息是如何在晶体管级别被编码、处理和存储的。因此，本书将逻辑设计的基础与体系结构的宏观设计紧密结合，构建起一个从“比特”到“系统”的完整知识链条。 --- 第一部分：数字逻辑基础与电路实现 本部分为整个计算机系统的逻辑基石，详细介绍了二进制世界中的运算规则与电路实现技术。 1. 数制与编码： 深入探讨二进制、八进制、十六进制之间的转换原理。重点讲解无符号数、定点数、浮点数（IEEE 754标准）的表示方法及其在计算机内部的存储与运算带来的精度问题。引入错误检测与纠正码（如汉明码）在数据完整性维护中的作用。 2. 组合逻辑电路设计： 从最基础的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR）出发，系统性地介绍布尔代数、德摩根定律以及最小化理论。详细阐述卡诺图（Karnaugh Map）的绘制与简化方法，以及如何使用逻辑门实现加法器、多路复用器（MUX）、译码器等核心组合元件。本章特别关注竞争与冒险现象的识别与消除技术。 3. 时序逻辑电路： 介绍存储元件——触发器（Latch和Flip-Flop，如SR, JK, D, T型）的工作原理、特性表与激励表。重点讲解如何利用触发器构建寄存器、计数器和有限状态机（FSM）。通过实例对比摩尔（Moore）型和米利（Mealy）型状态机的设计流程与应用场景。 4. 硬件描述语言（HDL）实践： 引入VHDL或Verilog语言，指导读者如何使用高级语言描述和仿真上述组合与时序电路。这使得理论设计能够快速转化为可验证的硬件实现模型。 --- 第二部分：数据通路与控制单元 本部分从逻辑门过渡到构建数据处理单元，聚焦于指令如何在硬件中被执行。 5. 算术逻辑单元（ALU）的设计： 详细剖析加法器（半加器、全加器、串行/并行加法器）的级联原理。扩展讨论快速加法技术，如先行携带加法器（Carry Lookahead Adder）的结构与加速机制。深入讲解乘法（Booth算法）和除法（恢复余数法）的硬件实现路径。 6. 数据通路的概念与实现： 定义数据通路（Datapath）作为数据流动的路径。讲解寄存器堆（Register File）的设计，以及如何使用多路选择器和总线架构来连接ALU、寄存器和内存接口。重点分析不同架构（如单总线、双总线）的优缺点。 7. 控制单元的设计与微操作： 阐述控制单元在计算机中的核心作用——生成时序信号以协调数据通路操作。系统介绍硬布线控制（Hardwired Control）的设计方法，包括基于状态图和时序图的控制信号生成过程。 8. 微程序控制（Microprogramming）： 对比硬布线控制，深入讲解微程序控制的原理，包括微指令的格式、控制存储器的组织结构，以及微程序实现复杂指令集的优势与灵活性。 --- 第三部分：指令集架构（ISA）与处理器 本部分将硬件与软件的接口——指令集架构提升到核心地位，并以此为基础设计典型处理器。 9. 指令集架构导论： 详细介绍ISA的设计哲学，包括指令格式（定长与变长）、寻址模式（立即数、直接、间接、寄存器相对等）的优劣。区分RISC（精简指令集计算机）与CISC（复杂指令集计算机）的设计理念与演变。 10. 经典MIPS处理器实现： 以经典的MIPS架构作为实例，分步构建一个单周期CPU模型。详细解析取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）五个阶段的数据流与控制信号。分析单周期设计的瓶颈——时钟周期的限制。 11. 流水线技术： 介绍提高CPU效率的关键技术——指令流水线。深入分析五级流水线（IF, ID, EX, MEM, WB）的结构，并重点讨论流水线设计中必须解决的三大冲突：结构冲突、数据冲突和控制冲突。系统阐述数据前递（Forwarding）和停顿/气泡（Stalling）机制的工程应用。 12. 异常与中断处理： 讨论处理器如何响应外部中断和内部异常（如除零、访存错误）。讲解异常向量表、程序计数器（PC）的保存与恢复机制，确保系统在处理突发事件后能正确恢复执行。 --- 第四部分：存储系统与I/O 本部分覆盖了CPU与外部世界交互的关键技术，重点解决速度不匹配的问题。 13. 存储器层级结构： 详细阐述存储器（寄存器、Cache、主存、辅存）的速度-容量-成本之间的权衡关系。深入分析局部性原理（时间局部性和空间局部性）是构建有效存储系统的理论基础。 14. Cache设计与性能分析： 重点章节。详尽介绍Cache的组织方式：直接映射、全相联映射、组相联映射。讲解地址的划分（标签、索引、块内偏移）。深入剖析写策略（直写、回写）和替换策略（LRU、随机）的工作流程。通过性能公式分析命中率对整体系统速度的影响。 15. 主存与虚拟存储器： 介绍DRAM的工作原理及刷新机制。核心讲解虚拟存储器的概念，包括地址转换过程（逻辑地址到物理地址）、页表结构、TLB（快表）的作用与加速机制。分析缺页中断的处理流程。 16. 输入/输出（I/O）系统： 探讨CPU与外部设备通信的几种基本方式：程序查询、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）。分析总线仲裁、数据传输协议在多设备系统中的重要性。 --- 本书特点 1. 理论与实践并重： 每章均包含大量工程实例和设计案例，强调从理论推导到硬件实现的闭环过程。 2. 图形化表达： 大量使用精细绘制的电路图、时序图和数据流图，帮助读者直观理解抽象概念。 3. 面向现代架构： 虽然以经典模型（如MIPS简化模型）为基础，但贯穿了对现代多核、超标量处理器设计思想的启示。 4. 详尽的数学推导： 对于如卡诺图简化、流水线冲突分析等部分，提供了严谨的数学证明和性能评估模型。 《数字逻辑与计算机组成原理》是为所有渴望成为真正系统工程师的读者准备的必备工具书，它将为您打下坚不可摧的计算科学基础。
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