TEC-2000A教学机概要介绍.ppt

1 课程情况概述 课程的地位 属于专业基础 核心硬件课程 必修 数字逻辑和集成电路 汇编语言程序设计 计算机组成原理 微型计算机技术 计算机系统结构 操作系统 先修课 后续课 计算机的系统结构 组成与实现 计算机系统结构 程序设计者所看到的计算机系统的属性 是计算机的外特性 概念性结构和功能特性 研究计算机系统的硬 软件的功能划分和接口关系 计算机组成 计算机各功能部件的内部构造和相互之间的联系 部件配置 相互连接和作用 强调各功能部件的性能参数相匹配 实现机器指令级的各种功能和特性 是计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现 计算机组成的物理实现 即把一台完成逻辑设计的计算机真正地制作出来 解决各部件的物理结构 器件选择 电源供电 通风与冷却 装配与制造工艺等各个方面的问题 三者各自包括不同内容 彼此又有密切的联系 教学内容 教学大纲规定 讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制单台 非多机系统 亦非多处理机结构基本 不一定是最高性能 最合理的组成 而是最基础的必要的组成部分完整 计算机整机 全部的硬件功能部件 国内外知名大学本课程教学特点 调查大学 Princeton Stanford Cornell Florida 北大教学内容 汇编语言 运算器 控制器 存储器 输入 输出 总线 少量并行技术教学手段 课堂讲解 实验 软件模拟实验 教材 Computerorganization Design Thehardware softwareinterface 是我们指定的重要外文参考书 实验工具 Spim教学特点 强调基础 紧抓原理 注重实验 接触前沿 硬件知识与动手稍显薄弱 再详细一点说 可以把课程的有关知识和技术内容划分成3个层次 1 重点讲解简单 完整 单台计算机的基本组成原理和内部运行机制 占课程总份量的60 38学时 2 适当说明当前最流行的一些新计算机中广泛采用的新技术新工艺等 占课程总份量的36 23学时 3 顺便了解当前国内外计算机组成领域最新研究成果和发展应用趋势 占课程总份量的4 3学时 教学内容和课程特点 课程特点是 内容面广 技术性 工程性 实践性强 知识与技术发展变化快 同学对硬件课程缺乏足够的重视 对课程3个层次内容的教学要求和追求目标是不同的 第一个层次的教学内容属于原理性的基础知识 是重点部分 其特点是内容相对稳定 同学可以动手实践 同学在学习过这些原理知识的基础上 可以通过教学实践环节 完成指定的教学实验题目 或者完成带有一定研究性的工程设计项目来加深对教学内容的理解程度 增长研究 开创性工作 通过实践获取知识的能力 从知识和能力两个方面全面提高学生的素质 第二个层次体现的是教学内容的先进性 其特点是技术性较强 内容变化相对较快 由于设备条件的限制 同学难以动手实践 更多的是通过课堂教学来学习 并适当布置一些作业 重点锻炼学生的逻辑思维和创新能力 第三个层次体现的是教学内容的前沿性 其特点是技术性上明显的不成熟性 有些甚至处于原理方案或者还只是一种思路 主要目的在于扩展学生的眼界和思考问题所站的高度 这部分内容不作为评定成绩的必要要求 3个层次的教学内容 2 课程教学资源建设情况 1 教材计算机组成与设计王诚主编 清华大学出版社计算机组成与设计实验指导 十五 国家级规划教材 2 教学课件王诚主编 清华大学音像出版社计算机组成原理多媒体教学课件清华大学优秀教学软件成果一等奖 3 硬件实验设备 中小规模CPLD器件和大规模FPGA器件实现 TEC 2000系列教学计算机本教学组研制 实验室已经配备63台 清华大学优秀教学实验设备一等奖早期产品TEC 2 教育部科技进步三等奖 用FPGA器件实现的CPU系统 尚未产品化 体现实验的先进性 4 软件模拟与辅助设计系统本教学组研制 与国际接轨TEC 2000系统级模拟和指令级模拟微指令级模拟软件硬连线控制器级模拟软件微程序控制器辅助设计软件硬连线控制器辅助设计软件 1 教材建设 教材 计算机组成与设计 王诚等 清华大学出版社计算机组成与设计实验指导 同上 教材共分为9章 51 9万字 把教学内容划分为3个层次 即强调打牢基础的基本原理 体现先进性的有关技术 顺便提到具有前瞻性的研究方向 本书受国外著名教材computerorganization design thehardware softwareinterface的影响较大 但内容差异是明显的 教材特点 在讲授一般原理知识的基础上 特别结合一台教学计算机的实际例子 把计算机设计 实现的内容具体化 并且与教学实验很好的结合 有利于做到学习知识和增长能力双丰收 教材中 还强调硬件系统和软件系统相结合的指导思想 本教材是 十五 国家级规划教材 2004年7月初出版 前一版书中有教学课件 和用动画方式演示重点难点内容 教师的教案是用工具软件Power Point设计与实现 教学实验指导书 计算机组成原理实验指导 王诚等 清华大学出版社在实验指导书中 对TEC 2000教学计算机的具体组成进行了详细说明 包括所用器件 总框图 各部件的逻辑图 详细的设计文档 包括主要程序清单 可编程器件的内容 各部件的设计说明等 可以说文字和图纸资料相当齐全 对需要完成的教学实验项目有详细解释 包括具体内容 实验步骤和最终要求 例如 汇编语言程序设计实验 运算器部件实验 控制器部件实验 内存储器部件实验 接口和中断实验等 已列选国家十五重点教材 年底完成修订 为了方便对教学机的监控程序软件的学习 分析和修改 在清单之外又加了程序流程图和适当说明 2 教学课件 与课堂授课 教学实验 学生自学等教学环节相配合的有2个教学课件 第一个教学课件是教师授课的教案 选用Power Point软件开发 与教学大纲 教材和教学实验设备完全配套 文字与各种图表配套 内容完整齐全 可直接用于授课的全过程 随着讲课进度 把课件分段地公布到网上 供学生复习时参阅 第二个教学课件是选用Authorware软件实现的 以光盘方式放在教材中一起发行 以形象活泼的动画方式 演示教学中的重点 难点内容 还配有背景音乐和一些录音讲解 声形具备 图文并茂 开发难度大 这2个教学课件是教学改革的重要成果 对规范教学内容 提高课堂授课质量 调动学生学习的主动性起到重要作用 在同一作者统筹规划下 来编写教材 设计教学课件 研制实验设备和配套软件系统 保证了各项教学介质的协调和实用性 3 实验设备 教学计算机的硬件组成 微程序方案的控制器 微型开关指示灯按键功能控制开关位数据开关8位数据开关 8位运算器 8位运算器 8位内存储器 8位内存储器 2路串行接口 中断实验线路 直流电源 扩展接口实验线路 硬连线方案的 控制器 逻辑笔线路 4 TEC 2000教学计算机软件模拟系统和辅助设计系统 在PC机上实现一个软件系统 用来模拟TEC 2000教学计算机系统的各项功能 包括微程序级 硬布线控制级 的模拟 指令级模拟 监控程序级 系统级 模拟 汇编语言级模拟 高级语言 解释BASIC 级模拟等全部功能 即用软件实现的是一台完整的TEC 2000教学计算机系统的全部功能 在PC机上实现一个软件系统 用来实现控制器 包括微程序的 硬连线逻辑的2种控制器 的辅助设计的功能 这对提高设计效率 压缩学时 和设计质量 一次成功 将起到很好的作用 对帮助学生深入理解控制器组成和运行机制极为有利 与当今计算机设计手段和所用技术更为接近 上述方案与国外许多著名大学采用的办法相同 是我们实现与国际接轨的重要举措之一 用硬件和软件2种方案实现的教学计算机系统 通过硬件和软件2种方案 实现相同功能的计算机系统 是教学改革的又一次重大突破 第一次突破 起步于1990年 教学实验从孤立的部件实验转变到在整机上进行 所用设备从硬件裸机转变为配备了监控程序和汇编语言的整机系统 在理论联系实际 深化教学内容 增强能力培养等方面取得明显进展 使学生从感到课程内容抽象 所学知识用在哪里 学过课程会做什么的种种疑惑中解脱出来 教学质量有了明显提高 第二次突破 表现在开发出教学计算机的辅助设计软件和教学机的软件模拟系统 使得教学实验可以完全脱离教学机硬件系统而直接在PC机上进行准备和执行 设计效率和设计质量更高 保证学生可以真正地完成教学计算机完整控制器的设计过程 接下来可以通过模拟软件检验设计结果的正确性 最后把设计的最终结果编程到教学计算机的硬件中 启动教学机并运行相应程序 检查真实的运行情况 这种方案符合开展带有一定研究型的教学要求 向创办世界一流大学前进了一步 也是实现与国际上著名高校校教学方案接轨的重要措施之一 运行环境 PC机 Windows系统 硬件实现 软件模拟的TEC 2000教学计算机系统 可16位或8位字长 软件 解释BASIC语言监控程序汇编语言支持硬件 运算器 控制器 微程序或硬连线 用FPGA实现主存储器 总线 接口输入设备 输出设备 硬件实现的TEC 2000教学机系统 解释BASIC语言TEC 2000系统级模拟教学机汇编语言支持TEC 2000指令模拟器TEC 2000微指令模拟器和硬连线控制器模拟器教学机控制器辅助设计软件 微程序控制器和硬布线控制器 软件模拟的TEC 2000教学机系统 电路 逻辑器件和设备 TEC 2000系列教学计算机概述 TEC 2000教学计算机系统 主要用于计算机组成原理课程的授课和教学实验过程 这是一套多种实现方案 选用中小规模和CPLD器件实现或超大规模的FPGA器件实现 的 硬件 教学机 还是选用 纯 的软件模拟 在PC机上 实现的 软的 教学机的系列产品 教学机硬件和软件配置精简合理 文字与图纸资料齐全 教学机可以构成8位字长或16位字长两种机型 能够支持微程序和硬连线两种控制器方案 系统软件提供了监控程序 PC机的仿真终端程序 汇编语言的汇编程序 高级语言BASIC的解释程序 配套实现的 还有微程序和硬连线两种控制器的辅助设计软件 两种控制器的模拟运行软件 为了配合教师授课 帮助学生复习和完成教学实验 开发了与主教材 实验指导书配套的教学课件 硬件系统的两种实现方案 TEC 2000系列机的硬件子系统有两种不同的实现方案 各自有其明显的优缺点 1 选用中小规模集成电路实现的CPU 具体线路与逻辑设计的知识体现得多一些 调试时观测点多 可以更深入地接触底层硬件 但想对已有方案做大的变动要困难一些 在一定意义上讲 分散了对CPU内部逻辑关系的注意力 设计与实现的工作量相对较大 2 选用FPGA器件实现的CPU 选用VHDL语言描述运算器和控制器组成与运行的时序逻辑 优点是所用技术新 变更已有的设计方便灵活 更多的工作通过软件完成 工作效率高 实现比较真实的指令流水成为可能 不足之处在于实验人员不再直接接触底层硬件 直观性略差 理解线路逻辑要更难一点 教学计算机的控制器辅助设计软件 该软件是在PC上实现的 完成控制器的辅助设计功能 这对提高设计效率和质量起到很好的作用 对帮助学生深入理解控制器的组成和运行机制也很有利 具体内容包括 定义完整指令系统 包括指令的汇编语句名 指令格式 指令操作码的编码 形式地址定义等 划分指令执行步骤 包括划分为几步 每一步实现的功能 各步骤之间的衔接关系等 确定全部控制信号 按硬连线或者微程序两种不同方案 确定指令每一步实现的操作功能 接下来自动生成 硬连线控制器每一位控制信号的逻辑表达式 或者微程序控制器的完整的微程序的内容 并可以按照器件及其管脚的分配情况 自动给出向各器件内部编程写入的代码 控制器执行过程的模拟运行 在完成控制器设计之后 可以首先通过一个模拟软件检查设计结果的正确性 也就是按照设计结果 模拟运行一个包含希望检查的指令的程序 并依据运行结果 全部显示在计算机的屏幕上 判断设计是否正确 若有错误 找出造成这一错误的原因 再去修改已有设计 之后再次模拟运行 直到得到完全正确的设计结果 在完成设计和模拟运行之后 把正确的结果编程写入到教学机的相应器件中 通过运行和调试硬件系统 确认设计的控制器是否正常工作 这样做的结果 可以大大简化设计过程 加快设计进度 提高设计质量 力争一次就可以把正确的设计结果成功地加载到硬件系统中 避免反复修改设计和反复修改硬件的麻烦 同时还有利于加深同学对计算机控制器的理解程度 进一步体会硬件和软件之间的配合关系 3 教学总体思路和具体安排 1 紧紧把握3个层次教学内容的不同要求落实教学安排 打牢基础 坚持先进 触摸前沿 力争做到较好地与国际接轨 2 把带有较多研究性的工程项目引进教学 瞄准创办世界一流 研究型 大学的目标 突出课程特点 加强能力和素质培养 3 合理安排各个教学环节 环环紧扣 相互协调 充分发挥各种教学资源的不同作用 加强教学辅导和适当的教学讨论 也包括改革考试办法 4 与SRT计划相结合 适当开展因材施教 加强师生互动 坚持教书育人的方向 输入设备 输出设备 入出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 TEC 2000教学机系统的组成 计算机终端 PC机 微程序控制器 运算器 8 16位 主存储器 8 16位 按键开关指示灯 串行接口 接口实验中断实验内存扩展实验 电源 5V 硬布线控制器 RESET START按键 运行功能选择开关单步 手拨 组合逻辑 8位 联机连续 内存 微程序 16位 脱机 两个12位的微型开关 16位的手拨输入开关 微程序控制器小板 串行口接线座 5V直流电源 电源开关 组合逻辑控制器 运算器 内存储器 串口电路 I8 6I5 3I2 0SSTSCISSHA口B口 RESET START按键 运行功能选择开关单步 手播 组合逻辑 8位 联机连续 内存 微程序 16位 脱机 两个12位的微型开关 16位的手拨输入开关 DC2 DC1 AR低8位 控制运算器的24位信号 节拍指示灯 IR高8位 CZVS状态位 IB高8位 IB低8位 DB低8位 DB高8位 Y低8位 Y高8位 AR高8位 IR低8位 MIOREQWE 运算器的状态位 I8 6I5 3I2 0SSTSCISSHA口B口 0 1 RAM0Q0 RAM15 16位的运算器 16位机的运算器的完整组成 四位标志位GAL1 右移输入信号GAL3 SST 左移输入信号GAL3 最低位进位GAL3 CZVS CyF 0OVRF15 来自内部总线IB SSH SSH SCI 右移控制 左移控制 RAM15Q15 RAM0Q0 0CQ15 F15 0CCyRAM0 01C Y15 0 D15 0 B口 A口 I8 I0 Cin 3 运算器部件的脱机实验 Y15 Y0 用16个指示灯显示结果 D15 D0 RAM15 Q15 RAM0 Q0 Cin CyF 0OverF15 运算器部件 A3 0 B3 0 I8 6 用16个开关提供输入数据 CZVS SSH SST SCI I5 3 I2 0 A口B口SCiSSH I8 6I5 3I2 0SST 通过24位微型开关提供控制信号 用四个指示灯显示状态 操作功能 控制信号B口A口SSTI8 6I5 3I2 0CnSSH R0 R0 R1 R2 R2 R0 Q R0 右移R0 R0 R1 R0 Q R0 R3 Q Y F 0000 011 0001 000 001 000 0010 0000 010 001 001 100 0000 101 0001 000 001 0000 000 000 100 0000 0000 110 0011 001 001 00 R0 R0 R1 Y A口 0000 010 0001 100 001 00 001 001 001 001 001 001 0001 逻辑右移 与C循环右移 SCI 00 00 10 联合左移 16位运算器的操作使用 脱机运算器实验 脱机运算器实验 是让运算器部件脱离计算机其他部件孤立进行的教学实验 实验目的 同学能够对运算器的组成和实现的功能 怎样控制运算器完成预期的操作等有正确的认识 教学计算机的数据开关所拨的数据 将经内部总线送到运算器的D输入端 运算器的Y输出端已送到指示灯 可以通过指示灯观察运算结果 ALU的4个状态位的输出 状态寄存器的四个输出信号C Z V S已接到指示灯以观察其值 通过2个12位的微型开关SW2 SW1向运算器提供控制信号 各位的控制功能在操作卡和电路板上已标明 运算器的组成和脱机实验用到的开关 指示灯等给出在页面1 2中 可以进行的操作功能和顺序给出在页面3中 实验操作步骤 置功能开关为10100 单步 脱机状态 拨数时用16位数据开关 向上为1 向下为0 所拨入的数据立刻显示在内部总线 IB 上并影响运算器的数出Y 给出控制信号用红色的微型开关SW2和SW1 其控制作用会立刻表现出来 影响运算结果Y和ALU的状态位 每执行一步要按一次启动按钮START 此时的RESET不起作用 观察ALU的结果Y和状态位在按START之前 CZVS在按之后 运算器 硬布线控制器 控制信号 用于运算器 输入设备 输出设备 主存储器 控制总线 0单元 n单元 1单元 CZVS 接口 PC AR IR 数据总线 地址总线 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作数地址 操作码 产生部件 寄存器组 译码器 地址寄存器 程序计数器 指令寄存器 节拍发生器 主振脉冲 硬连线控制器 控制信号 用于运算器 IR 操作数地址 操作码 产生部件 指令寄存器 节拍发生器 主振脉冲 程序计数器PC PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR 寄存器之间运算与传送 读 写内存AR 地址 AR 地址 读 写内存或I O接口 读 写内存PC 地址 16位机的基本指令 扩展指令执行流程图 A组 B组 C组 D组 Reset B C D组 1000 0000 0010 0011 0110 0100 0111 0101 节拍指令代码0MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 1000432055013000001010000010 00110000000041B8DRSR100000110000011144B8DRSR0000011010000010471000003201001000001037300000000110110011104320550130010011001110170000000001111100111043314000300101110011100220550001 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRCALAADRINIO PORT 硬连线控制器实验 在教学计算机的主板上 配备了许多指示灯 可以查看教学机内部的各个部件的运行状态 一句话 可以直接看到计算机内部的我们可能感兴趣的全部内容 对学习控制器的实现原理非常有帮助 以看懂几条典型指令的执行过程更现实和实用一些 为此 至少有4项实验是值得选择和完成的 1 检查与理解指令的执行效果设计含有预期执行指令的小程序 用T命令在单指令方式下运行每条指令 在屏幕上看每条指令的执行效果 非常有利于理解指令的功能 2 检查与理解指令的执行步骤主要指理解节拍发生器的功能和状态转换情况 实验方式 使用手拨开关输入需要检查的指令的操作码 在单节拍方式下 教学机左下方的5个功能开关为11101状态 每按一次启动按键 教学计算机执行一个节拍的功能 则教学机反复执行这同一条指令 对照页面2的指令执行流程图 看节拍发生器的状态输出 能够最方便地查看不同类型的指令的执行步骤的变化与连接关系 此时无需关心指令的执行功能 因为此时指令得不到正确的操作数据和地址信息 硬连线控制器实验 3 检查与理解指令的每一个执行步骤所使用的控制信号这主要指的是理解与体会控制信号产生部件的功能 实验方式与实现思路是 通过使用手拨开关输入需要检查的指令的操作码 在单节拍方式下 让计算机反复执行这同一条指令 对照教材上的指令执行流程表的内容 看在不同指令 不同节拍状态的情况下 控制信号产生部件输出的每一位控制信号的状态 取值 这能够最方便地查看每一条指令的在不同执行步骤用到的控制信号 4 检查与理解指令的每一个执行步骤实现的具体功能实验方式 设计一小段含有预期观察指令的小程序 并使其进入并处于循环执行状态 在程序运行过程中切换到单步运行方式 把教学机左下方的5个功能开关中最左的一个拨向上方 此后每按一次STEP按键 教学计算机执行一个节拍的功能 看在不同指令 不同节拍状态的情况下 控制信号产生部件输出的每一位控制信号的状态 取值 以及在这些控制信号的作用下 计算机各个功能部件所实现的具体功能 这是综合查看指令执行过程的全部内容的非常有效的手段 对理解指令功能 指令执行步骤划分和每个执行步骤实现的功能 指令执行步骤的衔接关系 不同指令的衔接关系等很有帮助 是控制器实验中很好的一项实验内容 A2000用G2000命令运行 在屏幕上输出连续的字符6 按reset结束MVRDR0 36用T2000 连续的T命令运行 在屏幕上显示每条指令的结果OUT80在连续执行程序时切换到单步执行 每按一次启动按键将只JR2000执行一条指令的一个节拍 通过指示灯可以观察机器内部的RET指令 节拍 地址 总线 运算结果 控制信号等当前值 微程序控制器实验 Am2910 MAPROM SCCGal 控制存储器 ROM 指令操作码 微指令转移的控制条件 CC 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 读命令 1 确定指令功能与格式2 划分指令执行步骤3 分配微指令地址4 设计微指令内容5 把新微指令写入控存6 需要时修改MAPROM和SCCGal等7 调试并且运行 B口二选一 A口二选一 IR SR IR DR MAP PL 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B80000003647100000323030373000000000E0432055013000E0170000000000E0433140003030300220550001 指令执行流程表举例 ADDDR SRMVRRDR SRCALAADRINIO PORT 计算机的系统结构 组成与实现 计算机系统结构 程序设计者所看到的计算机系统的属性 是计算机的外特性 概念性结构和功能特性 研究计算机系统的硬 软件的功能划分和接口关系 计算机组成 计算机各功能部件的内部构造和相互之间的联系 部件配置 相互连接和作用 强调各功能部件的性能参数相匹配 实现机器指令级的各种功能和特性 是计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现 计算机组成的物理实现 即把一台完成逻辑设计的计算机真正地制作出来 解决各部件的物理结构 器件选择 电源供电 通风与冷却 装配与制造工艺等各个方面的问题 三者各自包括不同内容 彼此又有密切的联系 一 教学计算机系统的研制目的 1 为了更好地贯彻理论联系实际要求 也为了更好地培养学生的实验动手能力和创新意识 我们专门研制出8位和16位两种字长 硬 软件配置比较合理的教学计算机系统 既为计算机组成原理课讲课提供了实例内容 又为教学实验解决了实验设备 这是课程教学改革的重要举措 几年来我们总结自己的教学实践经验和该教学计算机在全国推广应用的效果已充分证明 学好用好这台计算机的组成与设计知识 对提高课程教学水平很重要 在教学过程中 要讲解计算机组成的基本原理和总体概念 又用教学计算机的组成 设计与实现的具体实例 来深化所学知识 此外 希望在整个教学过程中 同学对理论联系实际 增强工程观点 培养动手能力和增强创新意识等这样一些问题 有更深切的体会 更加有意识地加强在这样一些方面的锻炼与提高 教学计算机系统的研制目的 2 二 教学内容 1 教学大纲规定 讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制单台 非多机系统 亦非多处理机结构基本 不一定是最高性能 最合理的组成 而是最基础的必要的组成部分完整 计算机整机 全部的硬件功能部件 再详细分一点说 可以分成3个层次给出课程的有关知识和技术内容 1 重点讲解简单 完整 单台计算机的基本组成原理和内部运行机制 2 适当说明当前最流行的一些新计算机中广泛采用的新技术 新工艺 3 顺便了解当前国内外计算机组成领域最新研究成果和发展应用趋势 第一个层次的教学内容属于原理性的基础知识 是重点部分 其特点是内容相对稳定 同学可以动手实践 同学在学习过这些原理知识的基础上 可以通过教学实践环节 完成指定的教学实验题目 或者完成带有一定研究型的工程设计项目来加深对教学内容的理解程度 增长研究 开创性工作 通过实践获取知识的能力 从知识和能力两个方面全面提高学生的素质 第二个层次体现的是教学内容的先进性 其特点是技术性较强 内容变化相对较快 由于设备条件的限制 同学难以动手实践 更多的是通过课堂教学来学习 并适当布置一些作业 重点锻炼学生的逻辑思维和创新能力 第三个层次体现的是教学内容的前沿性 其特点是技术性上明显的不成熟性 有些甚至处于原理方案或者还只是一种思路 主要目的在于扩展学生的眼界和思考问题所站的高度 这部分内容不作为评定成绩的必要要求 教学内容 2 计算机硬件系统组成 1 包括 运算器控制器高速缓存主存储器外存设备输入设备输出设备等几个主要组成部分 这些设备和部件通过总线和接口连结在一起 构成一台完整的计算机 如下图所示 输入设备 输出设备 入出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 2 运算器 计算机硬件系统组成 3 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件 其主要功能包括 1 执行数值数据的算术加 减 乘 除等运算 执行逻辑数据的与 或 非等逻辑运算 由一个被称为ALU的线路和乘商寄存器完成 2 暂时存放参加运算的数据和中间结果 由多个通用寄存器来承担 3 运算器通常也是数据传输的通路 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 4 控制器是计算机中控制执行指令的部件 一 正确执行每条指令1 首先是取来一条指令 2 接着分析这条指令 3 再按指令格式和功能执行这条指令二 保证指令按程序中规定的序列自动连续地执行 三 对各种异常情况和请求及时响应和处理 说到底 控制器要向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 5 由高速缓冲存储器 主存储器 外存储器所组成的多级 层 存储器系统 是计算机中用于存储程序和数据的系统 这三级存储器各自的功能分工 所用的存储介质的工作原理和特性各不相同 将作为三个部分分别讲解 输入设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 6 输入设备是向计算机中送入程序和数据的 有一定独立功能的设备 通过接口和总线与计算机主机连通 用于人 机交互联系 如计算机键盘和鼠标等 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 7 输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备 例如打印机 显示器等 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机硬件系统组成 8 这些部件和设备通过总线和接口连接在一起 构成计算机整机系统 协同运行 输入设备 输出设备 入出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 第三单元 12学时 第四单元 12学时 第二单元 18学时 第一单元 18学时 计算机硬件系统组成 三 教学指导思想 1 教学内容强调以计算机硬件部件和整机系统知识为主的同时 还必须适当兼顾与硬件关系最密切的基础软件知识学习 那种把计算机组成原理完全作为纯硬件课来处理 是陈旧的认识和过时的做法 不符合当今计算机科学研究和教育发展的潮流 处理好硬 软件相关知识的结合 将有助于提高课程学习的质量和水平 教学指导思想 2 为了更好地做到理论联系实际 更好地培养学生的实验动手能力和创新意识 我们专门研制出8和16位的硬 软件配置比较合理 资料相对齐全的教学计算机系统 为讲课提供实例内容 为教学实验提供实验设备 有利于更深入地学习计算机各功能部件和整机系统 引入 计算机整机系统的设计与实现工程研究项目 是课程教学改革的重要举措 四 TEC 2000教学机系统的组成 计算机终端 PC机 微程序控制器 运算器 8 16位 主存储器 8 16位 按键开关指示灯 串行接口 接口实验中断实验内存扩展实验 电源 5V 硬布线控制器 TEC 2000机系统概述 TEC 2000教学计算机系统 在借鉴TEC 2机已有应用经验的基础上完全重新设计 2000年初完成 教学机的主要逻辑线路 含扩展实验部分 在一块印制电路板上给出 不再使用外接的PC机电源 不必再外接支持扩展实验的几块电路板 成本降低 使用和携带也更方便 TEC 2000教学计算机的实验性能有很大提高 可构成8位或者16位两种不同字长的机型 可支持组合逻辑和微程序两种控制器方案 可选用多种存储器芯片实现内存及容量扩展 教学实验内容有所增加 实验性能也更强 运算器 微程序控制器 控制存储器 用于运算器 输入设备 输出设备 主存储器 控制总线 0单元 n单元 1单元 CZVS 接口 PC AR IR 数据总线 地址总线 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作数地址 操作码 寄存器组 映射 地址寄存器 程序计数器 指令寄存器 微程序定序器 主振脉冲 微指令寄存器 下地址字段内容 运算器 硬布线控制器 控制信号 用于运算器 输入设备 输出设备 主存储器 控制总线 0单元 n单元 1单元 CZVS 接口 PC AR IR 数据总线 地址总线 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作数地址 操作码 产生部件 寄存器组 译码器 地址寄存器 程序计数器 指令寄存器 节拍发生器 主振脉冲 1 TEC 2000机的硬件组成 计算机终端和PC机是计算机标准设备 可通过串行接口与TEC 2000机接通 作为输入 输出设备使用 在监控程序的支持下 可大大提高实验效率和水平 TEC 2000机上的串行接口是该机用于连接输入 输出设备的线路 CPU实验之外的其他各种扩展操作的实验 如内存容量扩展实验 多级中断实验 并行接口实验 以及其他I O接口实验等 都可以直接在TEC 2000机大板右侧的扩展实验区域完成 2 TEC 2000机的硬件组成 TEC 2000机上的按键 开关 指示灯是作为最底层的输入 输出手段使用的部件 按键用于启动计算机 执行RESET操作 控制打入开关拨入的数据或地址 作为中断源以产生中断请求信号 开关用于选择TEC 2000机的运行方式 可向机内拨入数据和地址等信息 微型开关用于给出实验控制信号 指示灯有超百个 同时显示实验机内的各种数据 地址和控制信号的状态 3 TEC 2000机的硬件组成 TEC 2000机上的运算器 可选8或16位字长 分别由2或4片4位的位片结构的器件组成 作为讲解运算器的实例和教学实验的对象 有很强的典型性 它可脱离TEC 2000主机 单独地进行运算器部件实验 也可在主机控制下完成运算器部件实验 其它功能部件实验或整机实验 位片结构是说 每个器件本身就是一个完整的运算器 只是位数较少 要组成更多位数的实用运算器要用多片共同实现 这里选用的是美国AMD公司的Am2901芯片 二选一 B16个A通用寄存器 三选一 二选一 三选一 三选一 ALUSR B锁存器 A锁存器 乘商寄存器Q Cn OE Q3 Q0 RAM0 RAM3 F 输出Y F3F 0000OVRCn 4 输入D A口地址 B口地址 Am2901内部组成 无动画 组成算逻运算部件16个累加器乘商寄存器Q功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理 ALUSR Cn F F3F 0000OVRCn 4 Am2901芯片是一个4位的位片结构的运算器器件 其内部组成讲解如下 第一个组成部分是算逻运算部件ALU 完成3种算术运算和5种逻辑运算 共计8种功能 其输出为F 两路输入为S R 最低位进位Cn 四个状态输出信号如图所示 符号位结果为零结果溢出进位输出 R SS RR SR SR SR SR SR S 8种运算功能 000001010011100101110111 3位功能选择码 B16个A通用寄存器 ALUSR B锁存器 A锁存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 A口地址 B口地址 第二个组成部分是通用寄存器组 由16个寄存器构成 并通过B口与A口地址选择被读的寄存器 B口地址还用于指定写入寄存器 通过B口地址 A口地址读出的数据将送到B A锁存器 要写入寄存器的数据由一个多路选择器送来 写入 B16个A通用寄存器 ALUSR B锁存器 A锁存器 Q寄存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 A口地址 B口地址 第三个组成部分是乘商寄存器Q 它能对自己的内容完成左右移位功能 其输出可以送往ALU 并可接收ALU的输出结果 该芯片的第四个组成部分是5组多路选通门 包括 B16个A通用寄存器 三选一 二选一 ALUSR B锁存器 A锁存器 Q寄存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 输入D A口地址 B口地址 一组三选一门和另一组二选一门用来选择送向ALU的R S输入端的数据来源 包括Q寄存器 A口 B口 外部输入D数据的8种不同组合 8种数据组合 R S AQAB0Q0B0ADADQD0 3位数据选择码 000001010011100101110111 B16个A通用寄存器 三选一 二选一 三选一 三选一 ALUSR B锁存器 A锁存器 Q寄存器 Cn Q3 Q0 RAM0 RAM3 F F3F 0000OVRCn 4 输入D A口地址 B口地址 一组三选一门完成把ALU的输出 或左移一位 或右移一位的值送往通用寄存器组 最高 最低位移位信号有双向入 出问题 一组三选一门完成Q寄存器的左移一位 或右移一位 或接收ALU输出值的功能 最高 最低位移位信号有双向入 出问题 二选一 B16个A通用寄存器 三选一 二选一 三选一 三选一 ALUSR B锁存器 A锁存器 Q寄存器 Cn OE Q3 Q0 RAM0 RAM3 F 输出Y F3F 0000OVRCn 4 输入D A口地址 B口地址 一组二选一门 选择把A口数据或ALU结果送出芯片 以给出输出Y的数据 Y输出的有无还受输出使能 OE信号的控制 仅当 OE为低是才有Y输出 OE为高 Y输出为高阻态 8种结果处理 3位控制码通用寄存器Q寄存器Y输出000Q FF001F010B FA011B FF100B F 2Q Q 2F101B F 2F110B 2FQ 2QF111B 2FF Y3 0 D3 0 Cin RAM0 Q0 8位教学计算机系统2片Am2901之间的连接 VccR Y11 8 Y3 0 D11 8 D7 4 D3 0 Cin RAM0 Q0 Y7 4 16位教学计算机系统4片Am2901之间的连接 VccR 片间高速进位用Am2902 高位Am2901 Am2901 Am2901 低位Am2901 Am2902Cn zCn yCn x G P 5V Y15 12 Y11 8 Y7 4 Y3 0 D15 12 D11 8 D7 4 D3 0 OVER F 0 F15 Cy Cin CP RAM15 Q15 RAM0 Q0 A口 B口 I8 6I5 3I2 0 TEC 2000的运算器8位机 只用8位数据线 只用2片Am2901芯片实现 写16位的地址寄存器操作 8位的ALU要送2次数据 8位ALU输出经8位开关门 8位的内部线IB 经8位双向三态门 外部总线ALU接收8位开关送数据 16位机 使用16位数据线 共用4片Am2901芯片实现 写16位的地址寄存器操作 16位ALU一次送16位数据 16位ALU输出经16位开关门 16位的内部线IB 经16位双向三态门 外部总线ALU接收16位开关送数据 2种机器使用大体相同的状态寄存器 FLAGGAL 最低位进位信号 高低位移位信号线路 SHIFTGAL 状态位CZVS和中断优先级P1 P0经开关门 内部线IB 4 TEC 2000机的硬件组成 TEC 2000机上的控制器 可用选用组合逻辑或微程序方案实现 非常好地支持动态的指令集合 选用了美国AMD公司的Am2910芯片作为微程序的下地址形成部件 用来讲解微程序下地址逻辑和教学实验的对象 有很高实用性和典型性 组合逻辑和微程序控制器方案之间可用手拨开关完成切换 动态的指令集合 是指可以通过修改和增加微程序的内容 或变化可编程器件的内容 来改变计算机已有的指令系统 例如 增加新的指令 变更原有指令等 这对于教学与教学实验的计算机有特别重要的意义 TEC 2000机在这一方面性能超群 控制器的功能 计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令代码控制器的基本功能就在于正确且自动地连续执行指令正确地分步完成每一条指令规定的功能再进一步说 就是向计算机各功能部件提供协调运行每一步所需要的控制信号 还要能及时处理异常情况和紧急请求 控制器的组成 1 程序计数器PC 存放指令地址 有 1或接收新值功能 2 指令寄存器IR 存放指令内容 操作码与操作数地址主脉冲源与启停控制线路 按需要给出主脉冲信号 3 指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤 4 控制信号记忆或产生线路 给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号 运算器部件 主存储器部件 总线及输入 输出接口 输入 输出设备 控制器部件 各部件包括 也包括 设计中的难点 在于解决对运算器 控制器的控制 每条指令的执行步骤 读取指令指令地址送入主存地址寄存器读主存 读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 检查有无中断请求若有 则转中断处理若无 则转入下一条指令的执行过程 形成下条指令地址 R R型指令读写内存型指令输入输出型指令其他类型指令 可能一次 多次地进行操作 一次读内存操作 控制存储器 映射 IR PC 接口输出设备 主存储器 运算器部件 启停 地址寄存器 数据总线 地址总线 控制总线 控制条件 微指令寄存器 主振 微程序方案的控制器 接口输入设备 下地址部件 下地址 微程序控制器的运行原理 指令每一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令每条指令可以包括一到多个微操作用多条微指令 一个微程序段 解释每条指令的执行过程解释全部指令的微程序段的集合构成控制器的微程序执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期 微指令的格式和内容 下地址字段控制命令字段 读与执行微指令的并行流水技术 下地址字段的内容 得到下地址的方法 由指令操作码得到微指令顺序执行微指令必转或条件转移多路微地址转移微子程序调用和返回按次数循环一段微程序其他 如特定入口微地址 在微指令下地址字段中表示清楚 使用哪种方法 哪个 些 判断条件 要用的有关地址等 并用专门电路完成必要支持和处理 微指令的下地址是微程序设计中要重点解决的问题之一 技术 技巧性强 应学得好些 在教学计算机中 解决下地址使用了Am2910器件 微程序控制器部件56位的微指令字长 微下地址字段16位 控制命令字段40位 7片28C64组成控存 1片28C65 从指令操作码产生微地址 1片374存8位下地址 1片273存8位条件码 1片377存8位现微地址 1片Am2910给出下一条微指令地址 1片GAL按判断条件产生微指令转移信号 CC 5片GAL用作为5片8位的D触发器的寄存器 2片GAL实现两个4位的2选1芯片功能 8或16位的指令寄存器 TEC 200016位机基本指令系统 指令格式汇编语句操作数个数CZVS指令分组功能说明00000000DRSRADDDR SR2 ADR DR SR00000001DRSRSUBDR SR2 ADR DR SR00000010DRSRANDDR SR2 ADR DRandSR00000011DRSRCMPDR SR2 ADR SR00000100DRSRXORDR SR2 ADR DRxorSR00000101DRSRTESTDR SR2 ADRandSR00000110DRSRORDR SR2 ADR DRorSR00000111DRSRMVRRDR SR2 ADR SR00001000DR0000DECDR1 ADR DR 100001001DR0000INCDR1 ADR DR 100001010DR0000SHLDR1 ADR C DR 200001011DR0000SHRDR1 ADR C DR 201000001OFFSETJRADR1 A无条件跳转01000100OFFSETJRCADR1 AC 1时跳转01000101OFFSETJRNCADR1 AC 0时跳转01000110OFFSETJRZADR1 AZ 1时跳转01000111OFFSETJRNZADR1 AZ 0时跳转 TEC 200016位机基本指令系统 指令格式汇编语句操作数个数CZVS指令分组功能说明100000000000000JMPAADR1 B无条件跳到ADRADR 16位 10000001DRSRLDRRDR SR 2 BDR SR 10000010I OPORTINI OPORT1 BR0 I OPORT 10000011DRSRSTRR DR SR2 B DR SR1000010000000000PSHF0 BFLAG入栈100001010000SRPUSHSR1 BSR入栈10000110I OPORTOUTI OPORT1 B I OPORT R010000111DRPOPDR1 B出栈到DR00001000DR0000MVRDDR DATA2 BDR DATADATA 16位 1000110000000000POPF1 BFLAG 出栈1000111100000000RET1 B子程序返回1100111000000000CALAADR1 D调用子程序ADR 16位 PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR MAP 寄存器之间运算与传送 读 写内存AR 地址 AR 地址 读 写内存或I O接口 读 写内存PC 地址 16位机的基本指令 扩展指令执行流程图 A组 B组 C组 D组 Reset B C D组 加电启动时 执行0 PC 接下来的两步 完成取指操作 按指令操作码 读出相应微指令 按指令具体功能 再分别用1 2 3 4步完成不同指令组的中各条指令的执行过程 最后检查中断请求信号 有请求时则响应中断 否则开始下一条指令的执行过程 对运算器的控制 24位控制信号 同24位微型开关内容 A4 A0 B4 B0 I8 I6 I5 I3 I2 I0SST2 0 SSH1 0 SCI1 0多出两位SA SB 用于选择A口 B口来源SA 1IR的源操作数寄存器 0微码A口字段SB 1IR的目的操作数寄存器 0微码B口字段寄存器分配 R4 SPR5 PC约定用法 R0 I O指令约定使用 也是通用累加器 对内存和I O接口的读写 M