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書籍詳細

  実践 コンピュータアーキテクチャ

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坂井修一 東大教授 工博 著

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発行年月日:2009/04/30 , 判 型: B5,  ページ数:172頁

ISBN:978-4-339-02437-1,  定 価:2,808円 (本体2,600円+税)

「コンピュータを作る」とは,マイクロプロセッサの中身を作ることである。本書では,コンピュータアーキテクチャとは何かを学びつつ,実際にコンピュータを設計する。1からコンピュータを作る面白さが実感できる待望の実践書。

【目次】

1. はじめに
1.1 ディジタルな表現
 1.1.1 1本の線=1ビットの信号
 1.1.2 n本の線=nビットの信号
 1.1.3 負の数
1. はじめに
1.1 ディジタルな表現
 1.1.1 1本の線=1ビットの信号
 1.1.2 n本の線=nビットの信号
 1.1.3 負の数
 1.1.4 実数
1.2 組合せ論理回路=計算の実現
 1.2.1 計算とは何か
 1.2.2 1ビットの加算
 1.2.3 nビット加算器
 1.2.4 減算の実現
 1.2.5 ALU
1.3 順序回路=記憶を含む論理回路
 1.3.1 フリップフロップ
 1.3.2 レジスタ
 1.3.3 レジスタとALUの結合
本章のまとめ
演習問題

2. ディジタル回路の入力
2.1 ディジタル回路の設計とは
 2.1.1 CAD
 2.1.2 設計の流れ
 2.1.3 CADツールの導入
2.2 組合せ論理回路の設計
 2.2.1 図式入力による半加算器の設計
 2.2.2 HDL入力による半加算器の設計(1)
 2.2.3 HDL入力による半加算器の設計(2)
2.3 順序回路の設計
 2.3.1 図式入力による3ビット同期式カウンタの設計
 2.3.2 HDL入力による3ビット同期式カウンタの設計(1)
 2.3.3 HDL入力による3ビット同期式カウンタの設計(2)
2.4 図式入力とHDL入力
本章のまとめ
演習問題

3. ハードウェア記述言語Verilog HDL
3.1 モジュール構成と宣言
 3.1.1 モジュール構成
 3.1.2 宣言部
 3.1.3 2次元配列の宣言
 3.1.4 名前・文字・予約語
3.2 値と型
 3.2.1 値
 3.2.2 型
 3.2.3 定数
3.3 素子とライブラリ
 3.3.1 基本素子
 3.3.2 3状態素子
 3.3.3 回路ライブラリ
3.4 演算
 3.4.1 演算子
 3.4.2 リダクション演算
 3.4.3 条件演算
 3.4.4 連接演算
 3.4.5 優先順位
3.5 回路記述部
 3.5.1 assign文
 3.5.2 function
 3.5.3 if文
 3.5.4 case文
 3.5.5 always文
 3.5.6 モジュール呼出し
 3.5.7 コメント
3.6 Quartus IIにおける設計の流れ
 3.6.1 プロジェクト起動
 3.6.2 回路入力
 3.6.3 論理合成
 3.6.4 シミュレーション
本章のまとめ
演習問題

4. シミュレーションによる動作検証
4.1 Verilog HDLによるテスト生成
 4.1.1 Verilog HDLによるシミュレーション記述
 4.1.2 モジュールの内部構成
4.2 Verilog HDLによるテストパターン生成と結果の表示
 4.2.1 遅延
 4.2.2 initial文とテストパターン入力
 4.2.3 繰返し文とwait文
 4.2.4 シミュレーションで用いるデータ型
 4.2.5 タスク
 4.2.6 システムタスク
4.3 シミュレーション環境の整備
 4.3.1 Modelsimの導入
 4.3.2 シミュレーションの波形出力
本章のまとめ
演習問題

5. データの流れと制御の流れ
5.1 主記憶装置
 5.1.1 主記憶装置の導入
 5.1.2 メモリの構成
 5.1.3 メモリの分類
 5.1.4 レジスタファイル
 5.1.5 主記憶装置の接続
5.2 命令とは何か
 5.2.1 命令
 5.2.2 命令実行のしくみ
 5.2.3 算術論理演算命令の実行サイクル
 5.2.4 メモリ操作命令の実行サイクル
5.3 シーケンサ
 5.3.1 シーケンサとは何か
 5.3.2 コンピュータ中枢部の構成
 5.3.3 条件分岐命令の実行サイクル
本章のまとめ
演習問題

6. 命令セットアーキテクチャとアセンブラ
6.1 命令の表現形式とアセンブリ言語
 6.1.1 操作とオペランド
 6.1.2 命令の表現形式
 6.1.3 命令フィールド
 6.1.4 アセンブリ言語
6.2 命令セット
 6.2.1 算術論理演算命令
 6.2.2 メモリ操作命令
 6.2.3 分岐命令
6.3 アドレシング
 6.3.1 アドレシングの種類
 6.3.2 バイトアドレシングとエンディアン
 6.3.3 ゼロレジスタと定数の生成
6.4 サブルーチンの実現
 6.4.1 サブルーチンの基本
 6.4.2 サブルーチンの手順
 6.4.3 スタックによるサブルーチンの実現
 6.4.4 サブルーチンのプログラム
6.5 命令セットアーキテクチャの設計とアセンブラ
 6.5.1 命令セットの設計
 6.5.2 アセンブラの製作
本章のまとめ
演習問題

7. 基本プロセッサの設計
7.1 設計の流れ
 7.1.1 モジュールへの分割
 7.1.2 入出力信号の設定
 7.1.3 設計の試行錯誤
7.2 構成要素の設計
 7.2.1 命令フェッチ部
 7.2.2 デコード部
 7.2.3 実行部
 7.2.4 書戻し部
 7.2.5 レジスタファイル
7.3 基本プロセッサ
 7.3.1 Verilog HDLによる全体設計
 7.3.2 論理合成
本章のまとめ
演習問題

8. 基本プロセッサのシミュレーションによる検証
8.1 シミュレーションの手順
8.2 命令フェッチ部
 8.2.1 アセンブラによる機械語プログラムの生成
 8.2.2 機械語プログラムを命令メモリにロードする
 8.2.3 メモリ内容の表示と修正法
8.3 データメモリ
8.4 実行部
 8.4.1 opr-gen
 8.4.2 ALU
 8.4.3 結果データの生成・分岐・書込みレジスタの選択
8.5 書戻し部
8.6 レジスタファイル
8.7 基本プロセッサの全体シミュレーション
 8.7.1 トップモジュールのテスト法
 8.7.2 1+1=2の実行
 8.7.3 個々の命令のテスト
 8.7.4 階和計算のプログラム
本章のまとめ
演習問題

9. FPGAによる実装
9.1 FPGAの原理
9.2 設計の手順
 9.2.1 手順の具体化
 9.2.2 デザイン入力
 9.2.3 論理合成
 9.2.4 機能シミュレーション
 9.2.5 配置配線
 9.2.6 タイミング解析・シミュレーション
9.3 FPGA上の実装
 9.3.1 FPGAボード
 9.3.2 実装用の設計の修正(1) ――命令メモリとプログラムのロード――
 9.3.3 実装用の設計の修正(2) ――データメモリ――
 9.3.4 実装用の設計の修正(3) ――結果の表示――
 9.3.5 Quartus IIライブラリを用いたときのModelsimの使い方
 9.3.6 ピン割付け
 9.3.7 設計データのFPGAボードへのダウンロード
9.4 FPGAボード上のプログラム実行例
 9.4.1 1+1=2の実行
 9.4.2 階和計算
9.5 改良
 9.5.1 設計の改良
 9.5.2 アーキテクチャの改良
本章のまとめ
演習問題

付録
 A. Quartus II
 B. Modelsim
 C. 基本プロセッサのVerilog HDL記述
 D. FPGAボード
 E. FPGAにダウンロードする基本プロセッサ(Verilog HDL)
引用・参考文献
演習問題解答
あとがき
索引

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