Logic and Computer Design Fundamentals, 5th Edition - M. Morris Mano, Charles R. Kime, Tom Martin

• Tác giả: M. Morris Mano
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Cơ bản về logic và thiết kế máy tính
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2015

Tóm tắt

I. Tổng quan về Logic and Computer Design Fundamentals 5th Edition

Logic and Computer Design Fundamentals ấn bản thứ năm là giáo trình kinh điển về thiết kế logic và máy tính. Tác giả M. Morris Mano, Charles R. Kime và Tom Martin biên soạn nội dung từ cơ bản đến nâng cao. Sách do Pearson Education xuất bản năm 2015. Ấn bản này cập nhật công nghệ mới nhất trong lĩnh vực thiết kế số. Nội dung bao gồm cổng logic, mạch tổ hợp, mạch tuần tự, đơn vị xử lý trung tâm và thiết kế hệ thống máy tính. Mỗi chương cung cấp ví dụ minh họa rõ ràng và bài tập thực hành phong phú. Cuốn sách phục vụ sinh viên kỹ thuật máy tính, khoa học máy tính và điện tử. Phương pháp tiếp cận theo tầng trừu tượng giúp người học hiểu toàn diện hệ thống. Từ mạch transistor đến thuật toán, mỗi lớp che giấu chi tiết lớp bên dưới. Đây là tài liệu không thể thiếu cho ai muốn nắm vững nền tảng thiết kế máy tính.

1.1. Giới thiệu về nhóm tác giả M. Morris Mano Charles R. Kime và Tom Martin

M. Morris Mano là giáo sư danh tiếng tại Đại học Bang California, Los Angeles. Ông có nhiều năm giảng dạy và nghiên cứu về logic số và thiết kế máy tính. Charles R. Kime công tác tại Đại học Wisconsin, Madison. Ông chuyên sâu về kiến trúc máy tính và hệ thống kỹ thuật số. Tom Martin giảng dạy tại Virginia Tech. Ông tập trung vào thiết kế hệ thống nhúng và phần cứng máy tính. Ba tác giả kết hợp kiến thức học thuật và kinh nghiệm thực tiễn. Sự hợp tác này tạo nên giáo trình toàn diện, cân bằng giữa lý thuyết và ứng dụng. Ấn bản thứ năm phản ánh tiến bộ công nghệ mới nhất trong ngành.

1.2. Cấu trúc và phạm vi nội dung Logic and Computer Design Fundamentals

Cuốn sách Logic and Computer Design Fundamentals trình bày theo cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp. Phần đầu giới thiệu hệ đếm nhị phân, đại số Boolean và cổng logic cơ bản. Phần giữa phân tích mạch tổ hợp và mạch tuần tự chi tiết. Phần sau thảo luận về thanh ghi, bộ đếm, bộ nhớ và đơn vị xử lý trung tâm. Cuối cùng, sách trình bày thiết kế hệ thống máy tính hoàn chỉnh. Mỗi chương bao gồm mục tiêu học tập, nội dung chính, ví dụ solved và bài tập cuối chương. Cách tiếp cận theo tầng trừu tượng xuyên suốt toàn bộ giáo trình. Sinh viên tiến bộ từ hiểu mạch transistor đến thiết kế kiến trúc指令集 hoàn chỉnh.

II. Phân tích nội dung Logic and Computer Design Fundamentals

Nội dung Logic and Computer Design Fundamentals 5th Edition bao quát toàn bộ lĩnh vực thiết kế số. Chương đầu tiên giới thiệu khái niệm trừu tượng trong thiết kế hệ thống máy tính hiện đại. Hệ thống máy tính có nhiều tầng trừu tượng: mạch transistor, cổng logic, chuyển tiếp thanh ghi, vi kiến trúc,指令集架构, hệ điều hành, ngôn ngữ lập trình và thuật toán. Mỗi tầng cao hơn che giấu chi tiết và độ phức tạp của tầng bên dưới. Tác giả giải thích cách nhà thiết kế tập trung vào khía cạnh quan trọng của thành phần. Ví dụ cụ thể minh họa cách chương trình cộng hai biến thực sự hoạt động bên trong. Điện tích di chuyển qua transistor và lưu trữ trong tầng điện dung để biểu diễn bit dữ liệu. Phương pháp này giúp người học hiểu sâu nguyên lý hoạt động của máy tính. Bài tập cuối chương củng cố kiến thức lý thuyết qua thực hành. Giáo trình cung cấp nền tảng vững chắc cho các môn học nâng cao về kiến trúc máy tính.

2.1. Các khái niệm cốt lõi trong Logic and Computer Design Fundamentals

Logic and Computer Design Fundamentals trình bày nhiều khái niệm cốt lõi quan trọng. Đại số Boolean là nền tảng toán học cho thiết kế mạch số. Biến Boolean nhận hai giá trị: đúng hoặc sai, tương ứng với mức logic 1 và 0. Cổng logic thực hiện phép toán Boolean cơ bản: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR. Mạch tổ hợp tạo ra đầu ra phụ thuộc hoàn toàn vào đầu vào hiện tại. Mạch tuần tự có khả năng lưu trữ trạng thái nhờ phần tử nhớ. Biểu đồ Karnaugh giúp đơn giản hóa hàm Boolean một cách trực quan. Phương pháp thiết kế theo hướng dẫn (design by hierarchy) quản lý độ phức tạp hiệu quả. Những khái niệm này tạo thành ngôn ngữ chung cho toàn bộ lĩnh vực kỹ thuật số.

2.2. Thách thức khi học Logic and Computer Design Fundamentals

Logic and Computer Design Fundamentals đặt ra nhiều thách thức cho người học. Khái niệm trừu tượng ban đầu khó nắm bắt, đặc biệt với sinh viên mới tiếp xúc. Đại số Boolean đòi hỏi tư duy logic chặt chẽ khác biệt với toán học thông thường. Thiết kế mạch tuần tự yêu cầu hiểu rõ đồng bộ hóa tín hiệu thời gian thực. Chuyển đổi giữa các tầng trừu tượng cần kỹ năng tổng hợp cao. Bài tập thiết kế phức tạp đòi hỏi kết hợp nhiều kiến thức từ nhiều chương. Thời gian thực hành trên phần cứng hoặc mô phỏng thường hạn chế. Sinh viên cần chủ động tìm kiếm tài liệu bổ sung và thực hành nhiều. Chiến lược học tập phù hợp giúp vượt qua những trở ngại này hiệu quả.

III. Phương pháp học Logic and Computer Design Fundamentals hiệu quả

Học Logic and Computer Design Fundamentals đòi hỏi phương pháp có hệ thống. Đọc kỹ lý thuyết trước khi bắt đầu làm bài tập là bước quan trọng đầu tiên. Ghi chú các công thức và quy tắc thiết kế thành bảng tóm tắt nhanh. Thực hành vẽ sơ đồ mạch trên giấy trước khi mô phỏng bằng phần mềm. Công cụ mô phỏng như Logisim, Quartus Prime hoặc Vivado hỗ trợ kiểm tra thiết kế. Làm bài tập từ dễ đến khó, không bỏ qua bất kỳ bài tập nào trong sách. Thảo luận nhóm giúp giải quyết vấn đề nhanh chóng và hiểu sâu hơn. Xây dựng dự án nhỏ như máy tính đơn giản củng cố kiến thức toàn diện. Ôn tập thường xuyên bằng cách giải đề thi các năm trước. Kết hợp đọc thêm tài liệu tham khảo bổ sung cho từng chủ đề cụ thể. Kiên trì và thực hành đều đặn là chìa khóa thành công.

3.1. Chiến lược đọc và ghi nhớ nội dung Logic and Computer Design Fundamentals

Chiến lược đọc hiệu quả giúp tiếp thu Logic and Computer Design Fundamentals nhanh chóng. Đọc lướt chương để nắm tổng quan trước khi đọc chi tiết. Đánh dấu khái niệm mới và ghi chú giải thích bằng ngôn ngữ đơn giản. Tóm tắt mỗi phần bằng sơ đồ tư duy hoặc gạch đầu dòng ngắn gọn. Liên hệ lý thuyết với ví dụ thực tế trong cuộc sống để ghi nhớ lâu. Ôn lại ghi chú trong vòng 24 giờ sau khi học để củng cố trí nhớ dài hạn. Sử dụng kỹ thuật spaced repetition lặp lại kiến thức theo khoảng cách thời gian tăng dần. Thảo luận giải thích lại khái niệm cho người khác kiểm tra mức hiểu biết. Phương pháp chủ động này hiệu quả hơn đọc thụ động rất nhiều lần.

3.2. Thực hành thiết kế mạch với Logic and Computer Design Fundamentals

Thực hành thiết kế mạch là phần không thể thiếu khi học Logic and Computer Design Fundamentals. Bắt đầu bằng bài tập đơn giản như thiết kế cổng logic từ NAND hoặc NOR. Tiến tới thiết kế mạch tổ hợp như bộ mã hóa, bộ giải mã, bộ nhân đa bội. Thiết kế mạch tuần tự như bộ đếm đồng bộ, thanh ghi dịch, máy trạng thái hữu hạn. Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra thiết kế trước khi triển khai thực tế. Thực hiện trên bảng mạch FPGA áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực hành. Ghi lại kết quả và phân tích sai sót để rút kinh nghiệm cho lần sau. Dự án tích hợp như thiết kế CPU đơn giản tổng hợp toàn bộ kiến thức học được.

IV. Ứng dụng Logic and Computer Design Fundamentals trong thực tế

Logic and Computer Design Fundamentals cung cấp kiến thức nền tảng cho nhiều ứng dụng thực tế. Thiết kế vi xử lý là ứng dụng trực tiếp nhất của nguyên tắc logic số. Bộ vi điều khiển trong thiết bị gia dụng thông minh sử dụng nguyên lý mạch tổ hợp và tuần tự. Thiết kế FPGA và ASIC áp dụng kỹ thuật mô tả phần cứng như VHDL hoặc Verilog. Hệ thống nhúng trong ô tô, máy bay và thiết bị y tế đòi hỏi kiến thức thiết kế số vững chắc. Truyền thông số sử dụng mạch mã hóa, giải mã và kiểm tra lỗi dựa trên đại số Boolean. Thiết kế bộ nhớ cache, pipeline và phân cấp bộ nhớ áp dụng nguyên tắc kiến trúc máy tính. Trí tuệ nhân tạo và học máy cần phần cứng chuyên dụng được thiết kế theo nguyên tắc này. Nhu cầu kỹ sư thiết kế số ngày càng tăng trong thời đại công nghệ 4.0. Kiến thức từ giáo trình này mở ra cơ hội nghề nghiệp rộng lớn.

4.1. Vai trò của Logic and Computer Design Fundamentals trong đào tạo kỹ sư

Logic and Computer Design Fundamentals đóng vai trò trung tâm trong đào tạo kỹ sư máy tính. Đây là môn học bắt buộc tại hầu hết trường đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Kiến thức từ giáo trình này là cầu nối giữa lý thuyết toán học và kỹ thuật thực hành. Sinh viên xây dựng tư duy thiết kế hệ thống từ đơn giản đến phức tạp có hệ thống. Nền tảng logic số giúp hiểu sâu các môn nâng cao như kiến trúc máy tính, hệ thống nhúng. Kỹ năng phân tích và thiết kế mạch rèn luyện tư duy giải quyết vấn đề sáng tạo. Nhà tuyển dụng đánh giá cao ứng viên có kiến thức vững về thiết kế logic số. Bằng cấp kỹ thuật máy tính không thể thiếu kiến thức từ giáo trình kinh điển này.

4.2. Xu hướng phát triển và tương lai của thiết kế logic máy tính

Thiết kế logic máy tính đang phát triển mạnh mẽ theo nhiều xu hướng mới. Công nghệ bán dẫn tiến vào node 3nm và 2nm đòi hỏi kỹ thuật thiết kế tiên tiến hơn. Thiết kế năng lượng thấp trở thành ưu tiên hàng đầu cho thiết bị di động và IoT. Kiến trúc neuromorphic lấy cảm hứng từ não bộ mở ra hướng tiếp cận mới cho phần cứng AI. Điện toán lượng tử yêu cầu nguyên tắc logic hoàn toàn khác biệt so với logic cổ điển. Thiết kế dựa trên mô hình (model-based design) tăng tốc quy trình phát triển sản phẩm. Công cụ EDA tích hợp trí tuệ nhân tạo tự động hóa nhiều bước thiết kế phức tạp. Logic and Computer Design Fundamentals cung cấp nền tảng vững chắc để thích ứng với những thay đổi này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org Logic and Computer Design Fundamentals Fifth Edition M. Morris Mano California State University, Los Angeles Charles R. Kime University of Wisconsin, Madison Tom Martin Virginia Tech Boston Columbus Indianapolis New York San Francisco Hoboken Amsterdam Cape Town Dubai London Madrid Milan Munich Paris Montreal Toronto Delhi Mexico City São Paulo Sydney Hong Kong Seoul Singapore Taipei Tokyo www.org Vice President and Editorial Director, ECS: Marcia J. Operations Specialist: Maura Zaldivar-Garcia Horton Cover Designer: Black Horse Designs Acquisitions Editor: Julie Bai Manager, Rights and Permissions: Rachel Youdelman Executive Marketing Manager: Tim Galligan Associate Project Manager, Rights and Permissions: Marketing Assistant: Jon Bryant Timothy Nicholls Senior Managing Editor: Scott Disanno Full-Service Project Management: Shylaja Gattupalli, Production Project Manager: Greg Dulles Jouve India Program Manager: Joanne Manning Composition: Jouve India Global HE Director of Vendor Sourcing and Printer/Binder: Edwards Brothers Procurement: Diane Hynes Cover Printer: Phoenix Color/Hagerstown Director of Operations: Nick Sklitsis Typeface: 10/12 Times Ten LT Std Copyright © 2015, 2008, 2004 by Pearson Higher Education, Inc. All rights reserved. Manufactured in the United States of America. This publication is protected by Copyright and permissions should be obtained from the publisher prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or likewise. To obtain permission(s) to use materials from this work, please submit a written request to Pearson Higher Education, Permissions Department, 221 River Street, Hoboken, NJ 07030. Many of the designations by manufacturers and seller to distinguish their products are claimed as trademarks. Where those designations appear in this book, and the publisher was aware of a trademark claim, the designations have been printed in initial caps or all caps. The author and publisher of this book have used their best efforts in preparing this book. These efforts include the development, research, and testing of theories and programs to determine their effectiveness. The author and publisher make no warranty of any kind, expressed or implied, with regard to these programs or the documentation contained in this book. The author and publisher shall not be liable in any event for incidental or consequential damages with, or arising out of, the furnishing, performance, or use of these programs. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Mano, M. Morris, 1927- Logic and computer design fundamentals / Morris Mano, California State University, Los Angeles; Charles R. Kime, University of Wisconsin, Madison; Tom Martin, Blacksburg, Virginia.   pages cm ISBN 978-0-13-376063-7 — ISBN 0-13-376063-4 1. Electronic digital computers—Circuits. Martin, Tom, 1969- III.39'2—dc23  2014047146 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN-10: 0-13-376063-4 ISBN-13: 978-0-13-376063-7 www.org Contents Preface xii Chapter 1 3 Digital Systems and Information 3 1-1 Information Representation 4 The Digital Computer 6 Beyond the Computer 7 More on the Generic Computer 10 1-2 Abstraction Layers in Computer Systems Design 12 An Overview of the Digital Design Process 14 1-3 Number Systems 15 Binary Numbers 17 Octal and Hexadecimal Numbers 18 Number Ranges 20 1-4 Arithmetic Operations 20 Conversion from Decimal to Other Bases 23 1-5 Decimal Codes 25 1-6 Alphanumeric Codes 26 ASCII Character Code 26 Parity Bit 29 1-7 Gray Codes 30 1-8 Chapter Summary 32 References 33 Problems 33 Chapter 2 37 Combinational Logic Circuits 37 2-1 Binary Logic and Gates 38 Binary Logic 38 Logic Gates 40 HDL Representations of Gates 44           iii www.org iv           Contents 2-2 Boolean Algebra 45 Basic Identities of Boolean Algebra 49 Algebraic Manipulation 51 Complement of a Function 54 2-3 Standard Forms 55 Minterms and Maxterms 55 Sum of Products 59 Product of Sums 60 2-4 Two-Level Circuit Optimization 61 Cost Criteria 61 Map Structures 63 Two-Variable Maps 65 Three-Variable Maps 67 2-5 Map Manipulation 71 Essential Prime Implicants 71 Nonessential Prime Implicants 73 Product-of-Sums Optimization 74 Don’t-Care Conditions 75 2-6 Exclusive-Or Operator and Gates 78 Odd Function 78 2-7 Gate Propagation Delay 80 2-8 HDLs Overview 82 Logic Synthesis 84 2-9 HDL Representations—VHDL 86 2-10 HDL Representations—Verilog 94 2-11 Chapter Summary 101 References 102 Problems 102 Chapter 3 113 Combinational Logic Design 113 3-1 Beginning Hierarchical Design 114 3-2 Technology Mapping 118 3-3 Combinational Functional Blocks 122 3-4 Rudimentary Logic Functions 122 Value-Fixing, Transferring, and Inverting 123 Multiple-Bit Functions 123 Enabling 126 3-5 Decoding 128 Decoder and Enabling Combinations 132 Decoder-Based Combinational Circuits 135 3-6 Encoding 137 Priority Encoder 138 Encoder Expansion 139 www.org Contents      v 3-7 Selecting 140 Multiplexers 140 Multiplexer-Based Combinational Circuits 150 3-8 Iterative Combinational Circuits 155 3-9 Binary Adders 157 Half Adder 157 Full Adder 158 Binary Ripple Carry Adder 159 3-10 Binary Subtraction 161 Complements 162 Subtraction Using 2s Complement 164 3-11 Binary Adder-Subtractors 165 Signed Binary Numbers 166 Signed Binary Addition and Subtraction 168 Overflow 170 HDL Models of Adders 172 Behavioral Description 174 3-12 Other Arithmetic Functions 177 Contraction 178 Incrementing 179 Decrementing 180 Multiplication by Constants 180 Division by Constants 182 Zero Fill and Extension 182 3-13 Chapter Summary 183 References 183 Problems 184 Chapter 4 197 Sequential Circuits 197 4-1 Sequential Circuit Definitions 198 4-2 Latches 201 SR and SR Latches 201 D Latch 204 4-3 Flip-Flops 204 Edge-Triggered Flip-Flop 206 Standard Graphics Symbols 207 Direct Inputs 209 4-4 Sequential Circuit Analysis 210 Input Equations 210 State Table 211 State Diagram 213 Sequential Circuit Simulation 216 4-5 Sequential Circuit Design 218 www.org vi           Contents Design Procedure 218 Finding State Diagrams and State Tables 219 State Assignment 226 Designing with D Flip-Flops 227 Designing with Unused States 230 Verification 232 4-6 State-Machine Diagrams and Applications 234 State-Machine Diagram Model 236 Constraints on Input Conditions 238 Design Applications Using State-Machine Diagrams 240 4-7 HDL Representation for Sequential Circuits—VHDL 248 4-8 HDL Representation for Sequential Circuits—Verilog 257 4-9 Flip-Flop Timing 266 4-10 Sequential Circuit Timing 267 4-11 Asynchronous Interactions 270 4-12 Synchronization and Metastability 271 4-13 Synchronous Circuit Pitfalls 277 4-14 Chapter Summary 278 References 279 Problems 280 Chapter 5 295 Digital Hardware Implementation 295 5-1 The Design Space 295 Integrated Circuits 295 CMOS Circuit Technology 296 Technology Parameters 302 5-2 Programmable Implementation Technologies 304 Read-Only Memory 306 Programmable Logic Array 308 Programmable Array Logic Devices 311 Field Programmable Gate Array 313 5-3 Chapter Summary 318 References 318 Problems 318 Chapter 6 323 Registers and Register Transfers 323 6-1 Registers and Load Enable 324 Register with Parallel Load 325 6-2 Register Transfers 327 6-3 Register Transfer Operations 329 6-4 Register Transfers in VHDL and Verilog 331 www.org Contents      vii 6-5 Microoperations 332 Arithmetic Microoperations 333 Logic Microoperations 335 Shift Microoperations 337 6-6 Microoperations on a Single Register 337 Multiplexer-Based Transfers 338 Shift Registers 340 Ripple Counter 345 Synchronous Binary Counters 347 Other Counters 351 6-7 Register-Cell Design 354 6-8 Multiplexer and Bus-Based Transfers for Multiple Registers 359 High-Impedance Outputs 361 Three-State Bus 363 6-9 Serial Transfer and Microoperations 364 Serial Addition 365 6-10 Control of Register Transfers 367 Design Procedure 368 6-11 HDL Representation for Shift Registers and Counters—VHDL 384 6-12 HDL Representation for Shift Registers and Counters—Verilog 386 6-13 Microprogrammed Control 388 6-14 Chapter Summary 390 References 391 Problems 391 Chapter 7 403 Memory Basics 403 7-1 Memory Definitions 403 7-2 Random-Access Memory 404 Write and Read Operations 406 Timing Waveforms 407 Properties of Memory 409 7-3 SRAM Integrated Circuits 409 Coincident Selection 411 7-4 Array of SRAM ICs 415 7-5 DRAM ICs 418 DRAM Cell 419 DRAM Bit Slice 420 7-6 DRAM Types 424 Synchronous DRAM (SDRAM) 426 Double-Data-Rate SDRAM (DDR SDRAM) 428 www.org viii           Contents RAMBUS® DRAM (RDRAM) 429 7-7 Arrays of Dynamic RAM ICs 430 7-8 Chapter Summary 430 References 431 Problems 431 Chapter 8 433 Computer Design Basics 433 8-1 Introduction 434 8-2 Datapaths 434 8-3 The Arithmetic/Logic Unit 437 Arithmetic Circuit 437 Logic Circuit 440 Arithmetic/Logic Unit 442 8-4 The Shifter 443 Barrel Shifter 444 8-5 Datapath Representation 445 8-6 The Control Word 447 8-7 A Simple Computer Architecture 453 Instruction Set Architecture 453 Storage Resources 454 Instruction Formats 455 Instruction Specifications 457 8-8 Single-Cycle Hardwired Control 460 Instruction Decoder 461 Sample Instructions and Program 463 Single-Cycle Computer Issues 466 8-9 Multiple-Cycle Hardwired Control 467 Sequential Control Design 471 8-10 Chapter Summary 476 References 478 Problems 478 Chapter 9 485 Instruction Set Architecture 485 9-1 Computer Architecture Concepts 485 Basic Computer Operation Cycle 487 Register Set 487 9-2 Operand Addressing 488 Three-Address Instructions 489 Two-Address Instructions 489 One-Address Instructions 490 www.org Contents      ix Zero-Address Instructions 490 Addressing Architectures 491 9-3 Addressing Modes 494 Implied Mode 495 Immediate Mode 495 Register and Register-Indirect Modes 496 Direct Addressing Mode 496 Indirect Addressing Mode 497 Relative Addressing Mode 498 Indexed Addressing Mode 499 Summary of Addressing Modes 500 9-4 Instruction Set Architectures 501 9-5 Data-Transfer Instructions 502 Stack Instructions 502 Independent versus Memory-Mapped I/O 504 9-6 Data-Manipulation Instructions 505 Arithmetic Instructions 505 Logical and Bit-Manipulation Instructions 506 Shift Instructions 508 9-7 Floating-Point Computations 509 Arithmetic Operations 510 Biased Exponent 511 Standard Operand Format 512 9-8 Program Control Instructions 514 Conditional Branch Instructions 515 Procedure Call and Return Instructions 517 9-9 Program Interrupt 519 Types of Interrupts 520 Processing External Interrupts 521 9-10 Chapter Summary 522 References 523 Problems 523 Chapter 10 531 Risc and Cisc Central Processing Units 531 10-1 Pipelined Datapath 532 Execution of Pipeline Microoperations 536 10-2 Pipelined Control 537 Pipeline Programming and Performance 539 10-3 The Reduced Instruction Set Computer 541 Instruction Set Architecture 541 Addressing Modes 544 Datapath Organization 545 Control Organization 548 www.org x           Contents Data Hazards 550 Control Hazards 557 10-4 The Complex Instruction Set Computer 561 ISA Modifications 563 Datapath Modifications 564 Control Unit Modifications 566 Microprogrammed Control 567 Microprograms for Complex Instructions 569 10-5 More on Design 572 Advanced CPU Concepts 573 Recent Architectural Innovations 576 10-6 Chapter Summary 579 References 580 Problems 581 Chapter 11 585 Input—Output and Communication 585 11-1 Computer I/O 585 11-2 Sample Peripherals 586 Keyboard 586 Hard Drive 587 Liquid Crystal Display Screen 589 I/O Transfer Rates 592 11-3 I/O Interfaces 592 I/O Bus and Interface Unit 593 Example of I/O Interface 594 Strobing 595 Handshaking 597 11-4 Serial Communication 598 Synchronous Transmission 599 The Keyboard Revisited 600 A Packet-Based Serial I/O Bus 601 11-5 Modes of Transfer 604 Example of Program-Controlled Transfer 605 Interrupt-Initiated Transfer 606 11-6 Priority Interrupt 608 Daisy Chain Priority 608 Parallel Priority Hardware 610 11-7 Direct Memory Access 611 DMA Controller 612 DMA Transfer 614 11-8 Chapter Summary 615 References 615 Problems 616 www.org Contents      xi Chapter 12 619 Memory Systems 619 12-1 Memory Hierarchy 619 12-2 Locality of Reference 622 12-3 Cache Memory 624 Cache Mappings 626 Line Size 631 Cache Loading 632 Write Methods 633 Integration of Concepts 634 Instruction and Data Caches 636 Multiple-Level Caches 637 12-4 Virtual Memory 637 Page Tables 639 Translation Lookaside Buffer 641 Virtual Memory and Cache 643 12-5 Chapter Summary 643 References 644 Problems 644 Index 648 www.org Preface The objective of this text is to serve as a cornerstone for the learning of logic design, digital system design, and computer design by a broad audience of readers. This fifth edition marks the continued evolution of the text contents. Beginning as an adap- tation of a previous book by the first author in 1997, it continues to offer a unique combination of logic design and computer design principles with a strong hardware emphasis. Over the years, the text has followed industry trends by adding new mater- ial such as hardware description languages, removing or de-emphasizing material of declining importance, and revising material to track changes in computer technology and computer-aided design. New to This Edition The fifth edition reflects changes in technology and design practice that require com- puter system designers to work at higher levels of abstraction and manage larger ranges of complexity than they have in the past. The level of abstraction at which logic, digital systems, and computers are designed has moved well beyond the level at which these topics are typically taught.