TEC-2000A教學(xué)機(jī)概要介紹.ppt

1 課程情況概述 課程的地位 屬于專業(yè)基礎(chǔ) 核心硬件課程 必修 數(shù)字邏輯和集成電路 匯編語言程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)組成原理 微型計(jì)算機(jī)技術(shù) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng) 先修課 后續(xù)課 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 組成與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 是計(jì)算機(jī)的外特性 概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬 軟件的功能劃分和接口關(guān)系 計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)各功能部件的內(nèi)部構(gòu)造和相互之間的聯(lián)系 部件配置 相互連接和作用 強(qiáng)調(diào)各功能部件的性能參數(shù)相匹配 實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 即把一臺(tái)完成邏輯設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)真正地制作出來 解決各部件的物理結(jié)構(gòu) 器件選擇 電源供電 通風(fēng)與冷卻 裝配與制造工藝等各個(gè)方面的問題 三者各自包括不同內(nèi)容 彼此又有密切的聯(lián)系 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)大綱規(guī)定 講解單臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制單臺(tái) 非多機(jī)系統(tǒng) 亦非多處理機(jī)結(jié)構(gòu)基本 不一定是最高性能 最合理的組成 而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分完整 計(jì)算機(jī)整機(jī) 全部的硬件功能部件 國內(nèi)外知名大學(xué)本課程教學(xué)特點(diǎn) 調(diào)查大學(xué) Princeton Stanford Cornell Florida 北大教學(xué)內(nèi)容 匯編語言 運(yùn)算器 控制器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出 總線 少量并行技術(shù)教學(xué)手段 課堂講解 實(shí)驗(yàn) 軟件模擬實(shí)驗(yàn) 教材 Computerorganization Design Thehardware softwareinterface 是我們指定的重要外文參考書 實(shí)驗(yàn)工具 Spim教學(xué)特點(diǎn) 強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ) 緊抓原理 注重實(shí)驗(yàn) 接觸前沿 硬件知識(shí)與動(dòng)手稍顯薄弱 再詳細(xì)一點(diǎn)說 可以把課程的有關(guān)知識(shí)和技術(shù)內(nèi)容劃分成3個(gè)層次 1 重點(diǎn)講解簡(jiǎn)單 完整 單臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制 占課程總份量的60 38學(xué)時(shí) 2 適當(dāng)說明當(dāng)前最流行的一些新計(jì)算機(jī)中廣泛采用的新技術(shù)新工藝等 占課程總份量的36 23學(xué)時(shí) 3 順便了解當(dāng)前國內(nèi)外計(jì)算機(jī)組成領(lǐng)域最新研究成果和發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì) 占課程總份量的4 3學(xué)時(shí) 教學(xué)內(nèi)容和課程特點(diǎn) 課程特點(diǎn)是 內(nèi)容面廣 技術(shù)性 工程性 實(shí)踐性強(qiáng) 知識(shí)與技術(shù)發(fā)展變化快 同學(xué)對(duì)硬件課程缺乏足夠的重視 對(duì)課程3個(gè)層次內(nèi)容的教學(xué)要求和追求目標(biāo)是不同的 第一個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容屬于原理性的基礎(chǔ)知識(shí) 是重點(diǎn)部分 其特點(diǎn)是內(nèi)容相對(duì)穩(wěn)定 同學(xué)可以動(dòng)手實(shí)踐 同學(xué)在學(xué)習(xí)過這些原理知識(shí)的基礎(chǔ)上 可以通過教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié) 完成指定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)題目 或者完成帶有一定研究性的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目來加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解程度 增長研究 開創(chuàng)性工作 通過實(shí)踐獲取知識(shí)的能力 從知識(shí)和能力兩個(gè)方面全面提高學(xué)生的素質(zhì) 第二個(gè)層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性 其特點(diǎn)是技術(shù)性較強(qiáng) 內(nèi)容變化相對(duì)較快 由于設(shè)備條件的限制 同學(xué)難以動(dòng)手實(shí)踐 更多的是通過課堂教學(xué)來學(xué)習(xí) 并適當(dāng)布置一些作業(yè) 重點(diǎn)鍛煉學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力 第三個(gè)層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的前沿性 其特點(diǎn)是技術(shù)性上明顯的不成熟性 有些甚至處于原理方案或者還只是一種思路 主要目的在于擴(kuò)展學(xué)生的眼界和思考問題所站的高度 這部分內(nèi)容不作為評(píng)定成績的必要要求 3個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容 2 課程教學(xué)資源建設(shè)情況 1 教材計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)王誠主編 清華大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 十五 國家級(jí)規(guī)劃教材 2 教學(xué)課件王誠主編 清華大學(xué)音像出版社計(jì)算機(jī)組成原理多媒體教學(xué)課件清華大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)軟件成果一等獎(jiǎng) 3 硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備 中小規(guī)模CPLD器件和大規(guī)模FPGA器件實(shí)現(xiàn) TEC 2000系列教學(xué)計(jì)算機(jī)本教學(xué)組研制 實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配備63臺(tái) 清華大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一等獎(jiǎng)早期產(chǎn)品TEC 2 教育部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng) 用FPGA器件實(shí)現(xiàn)的CPU系統(tǒng) 尚未產(chǎn)品化 體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性 4 軟件模擬與輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)本教學(xué)組研制 與國際接軌TEC 2000系統(tǒng)級(jí)模擬和指令級(jí)模擬微指令級(jí)模擬軟件硬連線控制器級(jí)模擬軟件微程序控制器輔助設(shè)計(jì)軟件硬連線控制器輔助設(shè)計(jì)軟件 1 教材建設(shè) 教材 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì) 王誠等 清華大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 同上 教材共分為9章 51 9萬字 把教學(xué)內(nèi)容劃分為3個(gè)層次 即強(qiáng)調(diào)打牢基礎(chǔ)的基本原理 體現(xiàn)先進(jìn)性的有關(guān)技術(shù) 順便提到具有前瞻性的研究方向 本書受國外著名教材computerorganization design thehardware softwareinterface的影響較大 但內(nèi)容差異是明顯的 教材特點(diǎn) 在講授一般原理知識(shí)的基礎(chǔ)上 特別結(jié)合一臺(tái)教學(xué)計(jì)算機(jī)的實(shí)際例子 把計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容具體化 并且與教學(xué)實(shí)驗(yàn)很好的結(jié)合 有利于做到學(xué)習(xí)知識(shí)和增長能力雙豐收 教材中 還強(qiáng)調(diào)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相結(jié)合的指導(dǎo)思想 本教材是 十五 國家級(jí)規(guī)劃教材 2004年7月初出版 前一版書中有教學(xué)課件 和用動(dòng)畫方式演示重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容 教師的教案是用工具軟件Power Point設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 王誠等 清華大學(xué)出版社在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中 對(duì)TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)的具體組成進(jìn)行了詳細(xì)說明 包括所用器件 總框圖 各部件的邏輯圖 詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔 包括主要程序清單 可編程器件的內(nèi)容 各部件的設(shè)計(jì)說明等 可以說文字和圖紙資料相當(dāng)齊全 對(duì)需要完成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有詳細(xì)解釋 包括具體內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)步驟和最終要求 例如 匯編語言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn) 控制器部件實(shí)驗(yàn) 內(nèi)存儲(chǔ)器部件實(shí)驗(yàn) 接口和中斷實(shí)驗(yàn)等 已列選國家十五重點(diǎn)教材 年底完成修訂 為了方便對(duì)教學(xué)機(jī)的監(jiān)控程序軟件的學(xué)習(xí) 分析和修改 在清單之外又加了程序流程圖和適當(dāng)說明 2 教學(xué)課件 與課堂授課 教學(xué)實(shí)驗(yàn) 學(xué)生自學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)相配合的有2個(gè)教學(xué)課件 第一個(gè)教學(xué)課件是教師授課的教案 選用Power Point軟件開發(fā) 與教學(xué)大綱 教材和教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全配套 文字與各種圖表配套 內(nèi)容完整齊全 可直接用于授課的全過程 隨著講課進(jìn)度 把課件分段地公布到網(wǎng)上 供學(xué)生復(fù)習(xí)時(shí)參閱 第二個(gè)教學(xué)課件是選用Authorware軟件實(shí)現(xiàn)的 以光盤方式放在教材中一起發(fā)行 以形象活潑的動(dòng)畫方式 演示教學(xué)中的重點(diǎn) 難點(diǎn)內(nèi)容 還配有背景音樂和一些錄音講解 聲形具備 圖文并茂 開發(fā)難度大 這2個(gè)教學(xué)課件是教學(xué)改革的重要成果 對(duì)規(guī)范教學(xué)內(nèi)容 提高課堂授課質(zhì)量 調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性起到重要作用 在同一作者統(tǒng)籌規(guī)劃下 來編寫教材 設(shè)計(jì)教學(xué)課件 研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備和配套軟件系統(tǒng) 保證了各項(xiàng)教學(xué)介質(zhì)的協(xié)調(diào)和實(shí)用性 3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 教學(xué)計(jì)算機(jī)的硬件組成 微程序方案的控制器 微型開關(guān)指示燈按鍵功能控制開關(guān)位數(shù)據(jù)開關(guān)8位數(shù)據(jù)開關(guān) 8位運(yùn)算器 8位運(yùn)算器 8位內(nèi)存儲(chǔ)器 8位內(nèi)存儲(chǔ)器 2路串行接口 中斷實(shí)驗(yàn)線路 直流電源 擴(kuò)展接口實(shí)驗(yàn)線路 硬連線方案的 控制器 邏輯筆線路 4 TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)軟件模擬系統(tǒng)和輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) 在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件系統(tǒng) 用來模擬TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能 包括微程序級(jí) 硬布線控制級(jí) 的模擬 指令級(jí)模擬 監(jiān)控程序級(jí) 系統(tǒng)級(jí) 模擬 匯編語言級(jí)模擬 高級(jí)語言 解釋BASIC 級(jí)模擬等全部功能 即用軟件實(shí)現(xiàn)的是一臺(tái)完整的TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部功能 在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件系統(tǒng) 用來實(shí)現(xiàn)控制器 包括微程序的 硬連線邏輯的2種控制器 的輔助設(shè)計(jì)的功能 這對(duì)提高設(shè)計(jì)效率 壓縮學(xué)時(shí) 和設(shè)計(jì)質(zhì)量 一次成功 將起到很好的作用 對(duì)幫助學(xué)生深入理解控制器組成和運(yùn)行機(jī)制極為有利 與當(dāng)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手段和所用技術(shù)更為接近 上述方案與國外許多著名大學(xué)采用的辦法相同 是我們實(shí)現(xiàn)與國際接軌的重要舉措之一 用硬件和軟件2種方案實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 通過硬件和軟件2種方案 實(shí)現(xiàn)相同功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 是教學(xué)改革的又一次重大突破 第一次突破 起步于1990年 教學(xué)實(shí)驗(yàn)從孤立的部件實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變到在整機(jī)上進(jìn)行 所用設(shè)備從硬件裸機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榕鋫淞吮O(jiān)控程序和匯編語言的整機(jī)系統(tǒng) 在理論聯(lián)系實(shí)際 深化教學(xué)內(nèi)容 增強(qiáng)能力培養(yǎng)等方面取得明顯進(jìn)展 使學(xué)生從感到課程內(nèi)容抽象 所學(xué)知識(shí)用在哪里 學(xué)過課程會(huì)做什么的種種疑惑中解脫出來 教學(xué)質(zhì)量有了明顯提高 第二次突破 表現(xiàn)在開發(fā)出教學(xué)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)軟件和教學(xué)機(jī)的軟件模擬系統(tǒng) 使得教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以完全脫離教學(xué)機(jī)硬件系統(tǒng)而直接在PC機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)備和執(zhí)行 設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量更高 保證學(xué)生可以真正地完成教學(xué)計(jì)算機(jī)完整控制器的設(shè)計(jì)過程 接下來可以通過模擬軟件檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性 最后把設(shè)計(jì)的最終結(jié)果編程到教學(xué)計(jì)算機(jī)的硬件中 啟動(dòng)教學(xué)機(jī)并運(yùn)行相應(yīng)程序 檢查真實(shí)的運(yùn)行情況 這種方案符合開展帶有一定研究型的教學(xué)要求 向創(chuàng)辦世界一流大學(xué)前進(jìn)了一步 也是實(shí)現(xiàn)與國際上著名高校校教學(xué)方案接軌的重要措施之一 運(yùn)行環(huán)境 PC機(jī) Windows系統(tǒng) 硬件實(shí)現(xiàn) 軟件模擬的TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 可16位或8位字長 軟件 解釋BASIC語言監(jiān)控程序匯編語言支持硬件 運(yùn)算器 控制器 微程序或硬連線 用FPGA實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)器 總線 接口輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 硬件實(shí)現(xiàn)的TEC 2000教學(xué)機(jī)系統(tǒng) 解釋BASIC語言TEC 2000系統(tǒng)級(jí)模擬教學(xué)機(jī)匯編語言支持TEC 2000指令模擬器TEC 2000微指令模擬器和硬連線控制器模擬器教學(xué)機(jī)控制器輔助設(shè)計(jì)軟件 微程序控制器和硬布線控制器 軟件模擬的TEC 2000教學(xué)機(jī)系統(tǒng) 電路 邏輯器件和設(shè)備 TEC 2000系列教學(xué)計(jì)算機(jī)概述 TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 主要用于計(jì)算機(jī)組成原理課程的授課和教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程 這是一套多種實(shí)現(xiàn)方案 選用中小規(guī)模和CPLD器件實(shí)現(xiàn)或超大規(guī)模的FPGA器件實(shí)現(xiàn) 的 硬件 教學(xué)機(jī) 還是選用 純 的軟件模擬 在PC機(jī)上 實(shí)現(xiàn)的 軟的 教學(xué)機(jī)的系列產(chǎn)品 教學(xué)機(jī)硬件和軟件配置精簡(jiǎn)合理 文字與圖紙資料齊全 教學(xué)機(jī)可以構(gòu)成8位字長或16位字長兩種機(jī)型 能夠支持微程序和硬連線兩種控制器方案 系統(tǒng)軟件提供了監(jiān)控程序 PC機(jī)的仿真終端程序 匯編語言的匯編程序 高級(jí)語言BASIC的解釋程序 配套實(shí)現(xiàn)的 還有微程序和硬連線兩種控制器的輔助設(shè)計(jì)軟件 兩種控制器的模擬運(yùn)行軟件 為了配合教師授課 幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和完成教學(xué)實(shí)驗(yàn) 開發(fā)了與主教材 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書配套的教學(xué)課件 硬件系統(tǒng)的兩種實(shí)現(xiàn)方案 TEC 2000系列機(jī)的硬件子系統(tǒng)有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方案 各自有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn) 1 選用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的CPU 具體線路與邏輯設(shè)計(jì)的知識(shí)體現(xiàn)得多一些 調(diào)試時(shí)觀測(cè)點(diǎn)多 可以更深入地接觸底層硬件 但想對(duì)已有方案做大的變動(dòng)要困難一些 在一定意義上講 分散了對(duì)CPU內(nèi)部邏輯關(guān)系的注意力 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的工作量相對(duì)較大 2 選用FPGA器件實(shí)現(xiàn)的CPU 選用VHDL語言描述運(yùn)算器和控制器組成與運(yùn)行的時(shí)序邏輯 優(yōu)點(diǎn)是所用技術(shù)新 變更已有的設(shè)計(jì)方便靈活 更多的工作通過軟件完成 工作效率高 實(shí)現(xiàn)比較真實(shí)的指令流水成為可能 不足之處在于實(shí)驗(yàn)人員不再直接接觸底層硬件 直觀性略差 理解線路邏輯要更難一點(diǎn) 教學(xué)計(jì)算機(jī)的控制器輔助設(shè)計(jì)軟件 該軟件是在PC上實(shí)現(xiàn)的 完成控制器的輔助設(shè)計(jì)功能 這對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量起到很好的作用 對(duì)幫助學(xué)生深入理解控制器的組成和運(yùn)行機(jī)制也很有利 具體內(nèi)容包括 定義完整指令系統(tǒng) 包括指令的匯編語句名 指令格式 指令操作碼的編碼 形式地址定義等 劃分指令執(zhí)行步驟 包括劃分為幾步 每一步實(shí)現(xiàn)的功能 各步驟之間的銜接關(guān)系等 確定全部控制信號(hào) 按硬連線或者微程序兩種不同方案 確定指令每一步實(shí)現(xiàn)的操作功能 接下來自動(dòng)生成 硬連線控制器每一位控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式 或者微程序控制器的完整的微程序的內(nèi)容 并可以按照器件及其管腳的分配情況 自動(dòng)給出向各器件內(nèi)部編程寫入的代碼 控制器執(zhí)行過程的模擬運(yùn)行 在完成控制器設(shè)計(jì)之后 可以首先通過一個(gè)模擬軟件檢查設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性 也就是按照設(shè)計(jì)結(jié)果 模擬運(yùn)行一個(gè)包含希望檢查的指令的程序 并依據(jù)運(yùn)行結(jié)果 全部顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上 判斷設(shè)計(jì)是否正確 若有錯(cuò)誤 找出造成這一錯(cuò)誤的原因 再去修改已有設(shè)計(jì) 之后再次模擬運(yùn)行 直到得到完全正確的設(shè)計(jì)結(jié)果 在完成設(shè)計(jì)和模擬運(yùn)行之后 把正確的結(jié)果編程寫入到教學(xué)機(jī)的相應(yīng)器件中 通過運(yùn)行和調(diào)試硬件系統(tǒng) 確認(rèn)設(shè)計(jì)的控制器是否正常工作 這樣做的結(jié)果 可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程 加快設(shè)計(jì)進(jìn)度 提高設(shè)計(jì)質(zhì)量 力爭(zhēng)一次就可以把正確的設(shè)計(jì)結(jié)果成功地加載到硬件系統(tǒng)中 避免反復(fù)修改設(shè)計(jì)和反復(fù)修改硬件的麻煩 同時(shí)還有利于加深同學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)控制器的理解程度 進(jìn)一步體會(huì)硬件和軟件之間的配合關(guān)系 3 教學(xué)總體思路和具體安排 1 緊緊把握3個(gè)層次教學(xué)內(nèi)容的不同要求落實(shí)教學(xué)安排 打牢基礎(chǔ) 堅(jiān)持先進(jìn) 觸摸前沿 力爭(zhēng)做到較好地與國際接軌 2 把帶有較多研究性的工程項(xiàng)目引進(jìn)教學(xué) 瞄準(zhǔn)創(chuàng)辦世界一流 研究型 大學(xué)的目標(biāo) 突出課程特點(diǎn) 加強(qiáng)能力和素質(zhì)培養(yǎng) 3 合理安排各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié) 環(huán)環(huán)緊扣 相互協(xié)調(diào) 充分發(fā)揮各種教學(xué)資源的不同作用 加強(qiáng)教學(xué)輔導(dǎo)和適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)討論 也包括改革考試辦法 4 與SRT計(jì)劃相結(jié)合 適當(dāng)開展因材施教 加強(qiáng)師生互動(dòng) 堅(jiān)持教書育人的方向 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 入出接口和總線 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 TEC 2000教學(xué)機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)終端 PC機(jī) 微程序控制器 運(yùn)算器 8 16位 主存儲(chǔ)器 8 16位 按鍵開關(guān)指示燈 串行接口 接口實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 電源 5V 硬布線控制器 RESET START按鍵 運(yùn)行功能選擇開關(guān)單步 手撥 組合邏輯 8位 聯(lián)機(jī)連續(xù) 內(nèi)存 微程序 16位 脫機(jī) 兩個(gè)12位的微型開關(guān) 16位的手撥輸入開關(guān) 微程序控制器小板 串行口接線座 5V直流電源 電源開關(guān) 組合邏輯控制器 運(yùn)算器 內(nèi)存儲(chǔ)器 串口電路 I8 6I5 3I2 0SSTSCISSHA口B口 RESET START按鍵 運(yùn)行功能選擇開關(guān)單步 手播 組合邏輯 8位 聯(lián)機(jī)連續(xù) 內(nèi)存 微程序 16位 脫機(jī) 兩個(gè)12位的微型開關(guān) 16位的手撥輸入開關(guān) DC2 DC1 AR低8位 控制運(yùn)算器的24位信號(hào) 節(jié)拍指示燈 IR高8位 CZVS狀態(tài)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 運(yùn)算器的狀態(tài)位 I8 6I5 3I2 0SSTSCISSHA口B口 0 1 RAM0Q0 RAM15 16位的運(yùn)算器 16位機(jī)的運(yùn)算器的完整組成 四位標(biāo)志位GAL1 右移輸入信號(hào)GAL3 SST 左移輸入信號(hào)GAL3 最低位進(jìn)位GAL3 CZVS CyF 0OVRF15 來自內(nèi)部總線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 運(yùn)算器部件的脫機(jī)實(shí)驗(yàn) Y15 Y0 用16個(gè)指示燈顯示結(jié)果 D15 D0 RAM15 Q15 RAM0 Q0 Cin CyF 0OverF15 運(yùn)算器部件 A3 0 B3 0 I8 6 用16個(gè)開關(guān)提供輸入數(shù)據(jù) CZVS SSH SST SCI I5 3 I2 0 A口B口SCiSSH I8 6I5 3I2 0SST 通過24位微型開關(guān)提供控制信號(hào) 用四個(gè)指示燈顯示狀態(tài) 操作功能 控制信號(hào)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 邏輯右移 與C循環(huán)右移 SCI 00 00 10 聯(lián)合左移 16位運(yùn)算器的操作使用 脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) 脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) 是讓運(yùn)算器部件脫離計(jì)算機(jī)其他部件孤立進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?同學(xué)能夠?qū)\(yùn)算器的組成和實(shí)現(xiàn)的功能 怎樣控制運(yùn)算器完成預(yù)期的操作等有正確的認(rèn)識(shí) 教學(xué)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)開關(guān)所撥的數(shù)據(jù) 將經(jīng)內(nèi)部總線送到運(yùn)算器的D輸入端 運(yùn)算器的Y輸出端已送到指示燈 可以通過指示燈觀察運(yùn)算結(jié)果 ALU的4個(gè)狀態(tài)位的輸出 狀態(tài)寄存器的四個(gè)輸出信號(hào)C Z V S已接到指示燈以觀察其值 通過2個(gè)12位的微型開關(guān)SW2 SW1向運(yùn)算器提供控制信號(hào) 各位的控制功能在操作卡和電路板上已標(biāo)明 運(yùn)算器的組成和脫機(jī)實(shí)驗(yàn)用到的開關(guān) 指示燈等給出在頁面1 2中 可以進(jìn)行的操作功能和順序給出在頁面3中 實(shí)驗(yàn)操作步驟 置功能開關(guān)為10100 單步 脫機(jī)狀態(tài) 撥數(shù)時(shí)用16位數(shù)據(jù)開關(guān) 向上為1 向下為0 所撥入的數(shù)據(jù)立刻顯示在內(nèi)部總線 IB 上并影響運(yùn)算器的數(shù)出Y 給出控制信號(hào)用紅色的微型開關(guān)SW2和SW1 其控制作用會(huì)立刻表現(xiàn)出來 影響運(yùn)算結(jié)果Y和ALU的狀態(tài)位 每執(zhí)行一步要按一次啟動(dòng)按鈕START 此時(shí)的RESET不起作用 觀察ALU的結(jié)果Y和狀態(tài)位在按START之前 CZVS在按之后 運(yùn)算器 硬布線控制器 控制信號(hào) 用于運(yùn)算器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 主存儲(chǔ)器 控制總線 0單元 n單元 1單元 CZVS 接口 PC AR IR 數(shù)據(jù)總線 地址總線 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作數(shù)地址 操作碼 產(chǎn)生部件 寄存器組 譯碼器 地址寄存器 程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器 節(jié)拍發(fā)生器 主振脈沖 硬連線控制器 控制信號(hào) 用于運(yùn)算器 IR 操作數(shù)地址 操作碼 產(chǎn)生部件 指令寄存器 節(jié)拍發(fā)生器 主振脈沖 程序計(jì)數(shù)器PC PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR 寄存器之間運(yùn)算與傳送 讀 寫內(nèi)存AR 地址 AR 地址 讀 寫內(nèi)存或I O接口 讀 寫內(nèi)存PC 地址 16位機(jī)的基本指令 擴(kuò)展指令執(zhí)行流程圖 A組 B組 C組 D組 Reset B C D組 1000 0000 0010 0011 0110 0100 0111 0101 節(jié)拍指令代碼0MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 1000432055013000001010000010 00110000000041B8DRSR100000110000011144B8DRSR0000011010000010471000003201001000001037300000000110110011104320550130010011001110170000000001111100111043314000300101110011100220550001 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRCALAADRINIO PORT 硬連線控制器實(shí)驗(yàn) 在教學(xué)計(jì)算機(jī)的主板上 配備了許多指示燈 可以查看教學(xué)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài) 一句話 可以直接看到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的我們可能感興趣的全部內(nèi)容 對(duì)學(xué)習(xí)控制器的實(shí)現(xiàn)原理非常有幫助 以看懂幾條典型指令的執(zhí)行過程更現(xiàn)實(shí)和實(shí)用一些 為此 至少有4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是值得選擇和完成的 1 檢查與理解指令的執(zhí)行效果設(shè)計(jì)含有預(yù)期執(zhí)行指令的小程序 用T命令在單指令方式下運(yùn)行每條指令 在屏幕上看每條指令的執(zhí)行效果 非常有利于理解指令的功能 2 檢查與理解指令的執(zhí)行步驟主要指理解節(jié)拍發(fā)生器的功能和狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況 實(shí)驗(yàn)方式 使用手撥開關(guān)輸入需要檢查的指令的操作碼 在單節(jié)拍方式下 教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)功能開關(guān)為11101狀態(tài) 每按一次啟動(dòng)按鍵 教學(xué)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)節(jié)拍的功能 則教學(xué)機(jī)反復(fù)執(zhí)行這同一條指令 對(duì)照頁面2的指令執(zhí)行流程圖 看節(jié)拍發(fā)生器的狀態(tài)輸出 能夠最方便地查看不同類型的指令的執(zhí)行步驟的變化與連接關(guān)系 此時(shí)無需關(guān)心指令的執(zhí)行功能 因?yàn)榇藭r(shí)指令得不到正確的操作數(shù)據(jù)和地址信息 硬連線控制器實(shí)驗(yàn) 3 檢查與理解指令的每一個(gè)執(zhí)行步驟所使用的控制信號(hào)這主要指的是理解與體會(huì)控制信號(hào)產(chǎn)生部件的功能 實(shí)驗(yàn)方式與實(shí)現(xiàn)思路是 通過使用手撥開關(guān)輸入需要檢查的指令的操作碼 在單節(jié)拍方式下 讓計(jì)算機(jī)反復(fù)執(zhí)行這同一條指令 對(duì)照教材上的指令執(zhí)行流程表的內(nèi)容 看在不同指令 不同節(jié)拍狀態(tài)的情況下 控制信號(hào)產(chǎn)生部件輸出的每一位控制信號(hào)的狀態(tài) 取值 這能夠最方便地查看每一條指令的在不同執(zhí)行步驟用到的控制信號(hào) 4 檢查與理解指令的每一個(gè)執(zhí)行步驟實(shí)現(xiàn)的具體功能實(shí)驗(yàn)方式 設(shè)計(jì)一小段含有預(yù)期觀察指令的小程序 并使其進(jìn)入并處于循環(huán)執(zhí)行狀態(tài) 在程序運(yùn)行過程中切換到單步運(yùn)行方式 把教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)功能開關(guān)中最左的一個(gè)撥向上方 此后每按一次STEP按鍵 教學(xué)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)節(jié)拍的功能 看在不同指令 不同節(jié)拍狀態(tài)的情況下 控制信號(hào)產(chǎn)生部件輸出的每一位控制信號(hào)的狀態(tài) 取值 以及在這些控制信號(hào)的作用下 計(jì)算機(jī)各個(gè)功能部件所實(shí)現(xiàn)的具體功能 這是綜合查看指令執(zhí)行過程的全部內(nèi)容的非常有效的手段 對(duì)理解指令功能 指令執(zhí)行步驟劃分和每個(gè)執(zhí)行步驟實(shí)現(xiàn)的功能 指令執(zhí)行步驟的銜接關(guān)系 不同指令的銜接關(guān)系等很有幫助 是控制器實(shí)驗(yàn)中很好的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 A2000用G2000命令運(yùn)行 在屏幕上輸出連續(xù)的字符6 按reset結(jié)束MVRDR0 36用T2000 連續(xù)的T命令運(yùn)行 在屏幕上顯示每條指令的結(jié)果OUT80在連續(xù)執(zhí)行程序時(shí)切換到單步執(zhí)行 每按一次啟動(dòng)按鍵將只JR2000執(zhí)行一條指令的一個(gè)節(jié)拍 通過指示燈可以觀察機(jī)器內(nèi)部的RET指令 節(jié)拍 地址 總線 運(yùn)算結(jié)果 控制信號(hào)等當(dāng)前值 微程序控制器實(shí)驗(yàn) Am2910 MAPROM SCCGal 控制存儲(chǔ)器 ROM 指令操作碼 微指令轉(zhuǎn)移的控制條件 CC 微指令寄存器 0MRWSAI8 6B口0SSTDC20I2 0SBI5 3A口SSHSCIDC1 CP G 讀命令 1 確定指令功能與格式2 劃分指令執(zhí)行步驟3 分配微指令地址4 設(shè)計(jì)微指令內(nèi)容5 把新微指令寫入控存6 需要時(shí)修改MAPROM和SCCGal等7 調(diào)試并且運(yùn)行 B口二選一 A口二選一 IR SR IR DR MAP PL 下址CI3 0SCC3 00MRW0I2 0SAI8 6SBI5 3B口A口0SSTSSHSCIDC2DC1 00E0432055013000E0101000001000204010000000 303041B80010003044B80000003647100000323030373000000000E0432055013000E0170000000000E0433140003030300220550001 指令執(zhí)行流程表舉例 ADDDR SRMVRRDR SRCALAADRINIO PORT 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 組成與實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 是計(jì)算機(jī)的外特性 概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬 軟件的功能劃分和接口關(guān)系 計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)各功能部件的內(nèi)部構(gòu)造和相互之間的聯(lián)系 部件配置 相互連接和作用 強(qiáng)調(diào)各功能部件的性能參數(shù)相匹配 實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 即把一臺(tái)完成邏輯設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)真正地制作出來 解決各部件的物理結(jié)構(gòu) 器件選擇 電源供電 通風(fēng)與冷卻 裝配與制造工藝等各個(gè)方面的問題 三者各自包括不同內(nèi)容 彼此又有密切的聯(lián)系 一 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制目的 1 為了更好地貫徹理論聯(lián)系實(shí)際要求 也為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí) 我們專門研制出8位和16位兩種字長 硬 軟件配置比較合理的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 既為計(jì)算機(jī)組成原理課講課提供了實(shí)例內(nèi)容 又為教學(xué)實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備 這是課程教學(xué)改革的重要舉措 幾年來我們總結(jié)自己的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和該教學(xué)計(jì)算機(jī)在全國推廣應(yīng)用的效果已充分證明 學(xué)好用好這臺(tái)計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)知識(shí) 對(duì)提高課程教學(xué)水平很重要 在教學(xué)過程中 要講解計(jì)算機(jī)組成的基本原理和總體概念 又用教學(xué)計(jì)算機(jī)的組成 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)例 來深化所學(xué)知識(shí) 此外 希望在整個(gè)教學(xué)過程中 同學(xué)對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際 增強(qiáng)工程觀點(diǎn) 培養(yǎng)動(dòng)手能力和增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)等這樣一些問題 有更深切的體會(huì) 更加有意識(shí)地加強(qiáng)在這樣一些方面的鍛煉與提高 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制目的 2 二 教學(xué)內(nèi)容 1 教學(xué)大綱規(guī)定 講解單臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制單臺(tái) 非多機(jī)系統(tǒng) 亦非多處理機(jī)結(jié)構(gòu)基本 不一定是最高性能 最合理的組成 而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分完整 計(jì)算機(jī)整機(jī) 全部的硬件功能部件 再詳細(xì)分一點(diǎn)說 可以分成3個(gè)層次給出課程的有關(guān)知識(shí)和技術(shù)內(nèi)容 1 重點(diǎn)講解簡(jiǎn)單 完整 單臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制 2 適當(dāng)說明當(dāng)前最流行的一些新計(jì)算機(jī)中廣泛采用的新技術(shù) 新工藝 3 順便了解當(dāng)前國內(nèi)外計(jì)算機(jī)組成領(lǐng)域最新研究成果和發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì) 第一個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容屬于原理性的基礎(chǔ)知識(shí) 是重點(diǎn)部分 其特點(diǎn)是內(nèi)容相對(duì)穩(wěn)定 同學(xué)可以動(dòng)手實(shí)踐 同學(xué)在學(xué)習(xí)過這些原理知識(shí)的基礎(chǔ)上 可以通過教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié) 完成指定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)題目 或者完成帶有一定研究型的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目來加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解程度 增長研究 開創(chuàng)性工作 通過實(shí)踐獲取知識(shí)的能力 從知識(shí)和能力兩個(gè)方面全面提高學(xué)生的素質(zhì) 第二個(gè)層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性 其特點(diǎn)是技術(shù)性較強(qiáng) 內(nèi)容變化相對(duì)較快 由于設(shè)備條件的限制 同學(xué)難以動(dòng)手實(shí)踐 更多的是通過課堂教學(xué)來學(xué)習(xí) 并適當(dāng)布置一些作業(yè) 重點(diǎn)鍛煉學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力 第三個(gè)層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的前沿性 其特點(diǎn)是技術(shù)性上明顯的不成熟性 有些甚至處于原理方案或者還只是一種思路 主要目的在于擴(kuò)展學(xué)生的眼界和思考問題所站的高度 這部分內(nèi)容不作為評(píng)定成績的必要要求 教學(xué)內(nèi)容 2 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 1 包括 運(yùn)算器控制器高速緩存主存儲(chǔ)器外存設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備等幾個(gè)主要組成部分 這些設(shè)備和部件通過總線和接口連結(jié)在一起 構(gòu)成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī) 如下圖所示 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 入出接口和總線 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 2 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 3 運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件 其主要功能包括 1 執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)加 減 乘 除等運(yùn)算 執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與 或 非等邏輯運(yùn)算 由一個(gè)被稱為ALU的線路和乘商寄存器完成 2 暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果 由多個(gè)通用寄存器來承擔(dān) 3 運(yùn)算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 4 控制器是計(jì)算機(jī)中控制執(zhí)行指令的部件 一 正確執(zhí)行每條指令1 首先是取來一條指令 2 接著分析這條指令 3 再按指令格式和功能執(zhí)行這條指令二 保證指令按程序中規(guī)定的序列自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行 三 對(duì)各種異常情況和請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)和處理 說到底 控制器要向計(jì)算機(jī)各功能部件提供每一時(shí)刻協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào) 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 5 由高速緩沖存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器所組成的多級(jí) 層 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 是計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的系統(tǒng) 這三級(jí)存儲(chǔ)器各自的功能分工 所用的存儲(chǔ)介質(zhì)的工作原理和特性各不相同 將作為三個(gè)部分分別講解 輸入設(shè)備 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 6 輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)中送入程序和數(shù)據(jù)的 有一定獨(dú)立功能的設(shè)備 通過接口和總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)連通 用于人 機(jī)交互聯(lián)系 如計(jì)算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)等 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 7 輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)中用于送出計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的設(shè)備 例如打印機(jī) 顯示器等 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 8 這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在一起 構(gòu)成計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng) 協(xié)同運(yùn)行 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 入出接口和總線 外存設(shè)備 主存儲(chǔ)器 高速緩存 控制器 運(yùn)算器 第三單元 12學(xué)時(shí) 第四單元 12學(xué)時(shí) 第二單元 18學(xué)時(shí) 第一單元 18學(xué)時(shí) 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 三 教學(xué)指導(dǎo)思想 1 教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)以計(jì)算機(jī)硬件部件和整機(jī)系統(tǒng)知識(shí)為主的同時(shí) 還必須適當(dāng)兼顧與硬件關(guān)系最密切的基礎(chǔ)軟件知識(shí)學(xué)習(xí) 那種把計(jì)算機(jī)組成原理完全作為純硬件課來處理 是陳舊的認(rèn)識(shí)和過時(shí)的做法 不符合當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)研究和教育發(fā)展的潮流 處理好硬 軟件相關(guān)知識(shí)的結(jié)合 將有助于提高課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量和水平 教學(xué)指導(dǎo)思想 2 為了更好地做到理論聯(lián)系實(shí)際 更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí) 我們專門研制出8和16位的硬 軟件配置比較合理 資料相對(duì)齊全的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 為講課提供實(shí)例內(nèi)容 為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備 有利于更深入地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)各功能部件和整機(jī)系統(tǒng) 引入 計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工程研究項(xiàng)目 是課程教學(xué)改革的重要舉措 四 TEC 2000教學(xué)機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)終端 PC機(jī) 微程序控制器 運(yùn)算器 8 16位 主存儲(chǔ)器 8 16位 按鍵開關(guān)指示燈 串行接口 接口實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 電源 5V 硬布線控制器 TEC 2000機(jī)系統(tǒng)概述 TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 在借鑒TEC 2機(jī)已有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完全重新設(shè)計(jì) 2000年初完成 教學(xué)機(jī)的主要邏輯線路 含擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)部分 在一塊印制電路板上給出 不再使用外接的PC機(jī)電源 不必再外接支持?jǐn)U展實(shí)驗(yàn)的幾塊電路板 成本降低 使用和攜帶也更方便 TEC 2000教學(xué)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)性能有很大提高 可構(gòu)成8位或者16位兩種不同字長的機(jī)型 可支持組合邏輯和微程序兩種控制器方案 可選用多種存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)內(nèi)存及容量擴(kuò)展 教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有所增加 實(shí)驗(yàn)性能也更強(qiáng) 運(yùn)算器 微程序控制器 控制存儲(chǔ)器 用于運(yùn)算器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 主存儲(chǔ)器 控制總線 0單元 n單元 1單元 CZVS 接口 PC AR IR 數(shù)據(jù)總線 地址總線 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作數(shù)地址 操作碼 寄存器組 映射 地址寄存器 程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器 微程序定序器 主振脈沖 微指令寄存器 下地址字段內(nèi)容 運(yùn)算器 硬布線控制器 控制信號(hào) 用于運(yùn)算器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 主存儲(chǔ)器 控制總線 0單元 n單元 1單元 CZVS 接口 PC AR IR 數(shù)據(jù)總線 地址總線 ALU 乘商寄存器 R1 R0 Rn 操作數(shù)地址 操作碼 產(chǎn)生部件 寄存器組 譯碼器 地址寄存器 程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器 節(jié)拍發(fā)生器 主振脈沖 1 TEC 2000機(jī)的硬件組成 計(jì)算機(jī)終端和PC機(jī)是計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 可通過串行接口與TEC 2000機(jī)接通 作為輸入 輸出設(shè)備使用 在監(jiān)控程序的支持下 可大大提高實(shí)驗(yàn)效率和水平 TEC 2000機(jī)上的串行接口是該機(jī)用于連接輸入 輸出設(shè)備的線路 CPU實(shí)驗(yàn)之外的其他各種擴(kuò)展操作的實(shí)驗(yàn) 如內(nèi)存容量擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 多級(jí)中斷實(shí)驗(yàn) 并行接口實(shí)驗(yàn) 以及其他I O接口實(shí)驗(yàn)等 都可以直接在TEC 2000機(jī)大板右側(cè)的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)區(qū)域完成 2 TEC 2000機(jī)的硬件組成 TEC 2000機(jī)上的按鍵 開關(guān) 指示燈是作為最底層的輸入 輸出手段使用的部件 按鍵用于啟動(dòng)計(jì)算機(jī) 執(zhí)行RESET操作 控制打入開關(guān)撥入的數(shù)據(jù)或地址 作為中斷源以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào) 開關(guān)用于選擇TEC 2000機(jī)的運(yùn)行方式 可向機(jī)內(nèi)撥入數(shù)據(jù)和地址等信息 微型開關(guān)用于給出實(shí)驗(yàn)控制信號(hào) 指示燈有超百個(gè) 同時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)的各種數(shù)據(jù) 地址和控制信號(hào)的狀態(tài) 3 TEC 2000機(jī)的硬件組成 TEC 2000機(jī)上的運(yùn)算器 可選8或16位字長 分別由2或4片4位的位片結(jié)構(gòu)的器件組成 作為講解運(yùn)算器的實(shí)例和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象 有很強(qiáng)的典型性 它可脫離TEC 2000主機(jī) 單獨(dú)地進(jìn)行運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn) 也可在主機(jī)控制下完成運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn) 其它功能部件實(shí)驗(yàn)或整機(jī)實(shí)驗(yàn) 位片結(jié)構(gòu)是說 每個(gè)器件本身就是一個(gè)完整的運(yùn)算器 只是位數(shù)較少 要組成更多位數(shù)的實(shí)用運(yùn)算器要用多片共同實(shí)現(xiàn) 這里選用的是美國AMD公司的Am2901芯片 二選一 B16個(gè)A通用寄存器 三選一 二選一 三選一 三選一 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 乘商寄存器Q Cn OE Q3 Q0 RAM0 RAM3 F 輸出Y F3F 0000OVRCn 4 輸入D A口地址 B口地址 Am2901內(nèi)部組成 無動(dòng)畫 組成算邏運(yùn)算部件16個(gè)累加器乘商寄存器Q功能8種運(yùn)算功能8種數(shù)據(jù)組合8種結(jié)果處理 ALUSR Cn F F3F 0000OVRCn 4 Am2901芯片是一個(gè)4位的位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件 其內(nèi)部組成講解如下 第一個(gè)組成部分是算邏運(yùn)算部件ALU 完成3種算術(shù)運(yùn)算和5種邏輯運(yùn)算 共計(jì)8種功能 其輸出為F 兩路輸入為S R 最低位進(jìn)位Cn 四個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)如圖所示 符號(hào)位結(jié)果為零結(jié)果溢出進(jìn)位輸出 R SS RR SR SR SR SR SR S 8種運(yùn)算功能 000001010011100101110111 3位功能選擇碼 B16個(gè)A通用寄存器 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 A口地址 B口地址 第二個(gè)組成部分是通用寄存器組 由16個(gè)寄存器構(gòu)成 并通過B口與A口地址選擇被讀的寄存器 B口地址還用于指定寫入寄存器 通過B口地址 A口地址讀出的數(shù)據(jù)將送到B A鎖存器 要寫入寄存器的數(shù)據(jù)由一個(gè)多路選擇器送來 寫入 B16個(gè)A通用寄存器 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 Q寄存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 A口地址 B口地址 第三個(gè)組成部分是乘商寄存器Q 它能對(duì)自己的內(nèi)容完成左右移位功能 其輸出可以送往ALU 并可接收ALU的輸出結(jié)果 該芯片的第四個(gè)組成部分是5組多路選通門 包括 B16個(gè)A通用寄存器 三選一 二選一 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 Q寄存器 Cn F F3F 0000OVRCn 4 輸入D A口地址 B口地址 一組三選一門和另一組二選一門用來選擇送向ALU的R S輸入端的數(shù)據(jù)來源 包括Q寄存器 A口 B口 外部輸入D數(shù)據(jù)的8種不同組合 8種數(shù)據(jù)組合 R S AQAB0Q0B0ADADQD0 3位數(shù)據(jù)選擇碼 000001010011100101110111 B16個(gè)A通用寄存器 三選一 二選一 三選一 三選一 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 Q寄存器 Cn Q3 Q0 RAM0 RAM3 F F3F 0000OVRCn 4 輸入D A口地址 B口地址 一組三選一門完成把ALU的輸出 或左移一位 或右移一位的值送往通用寄存器組 最高 最低位移位信號(hào)有雙向入 出問題 一組三選一門完成Q寄存器的左移一位 或右移一位 或接收ALU輸出值的功能 最高 最低位移位信號(hào)有雙向入 出問題 二選一 B16個(gè)A通用寄存器 三選一 二選一 三選一 三選一 ALUSR B鎖存器 A鎖存器 Q寄存器 Cn OE Q3 Q0 RAM0 RAM3 F 輸出Y F3F 0000OVRCn 4 輸入D A口地址 B口地址 一組二選一門 選擇把A口數(shù)據(jù)或ALU結(jié)果送出芯片 以給出輸出Y的數(shù)據(jù) Y輸出的有無還受輸出使能 OE信號(hào)的控制 僅當(dāng) OE為低是才有Y輸出 OE為高 Y輸出為高阻態(tài) 8種結(jié)果處理 3位控制碼通用寄存器Q寄存器Y輸出000Q FF001F010B FA011B FF100B F 2Q Q 2F101B F 2F110B 2FQ 2QF111B 2FF Y3 0 D3 0 Cin RAM0 Q0 8位教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2片Am2901之間的連接 VccR Y11 8 Y3 0 D11 8 D7 4 D3 0 Cin RAM0 Q0 Y7 4 16位教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4片Am2901之間的連接 VccR 片間高速進(jìn)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的運(yùn)算器8位機(jī) 只用8位數(shù)據(jù)線 只用2片Am2901芯片實(shí)現(xiàn) 寫16位的地址寄存器操作 8位的ALU要送2次數(shù)據(jù) 8位ALU輸出經(jīng)8位開關(guān)門 8位的內(nèi)部線IB 經(jīng)8位雙向三態(tài)門 外部總線ALU接收8位開關(guān)送數(shù)據(jù) 16位機(jī) 使用16位數(shù)據(jù)線 共用4片Am2901芯片實(shí)現(xiàn) 寫16位的地址寄存器操作 16位ALU一次送16位數(shù)據(jù) 16位ALU輸出經(jīng)16位開關(guān)門 16位的內(nèi)部線IB 經(jīng)16位雙向三態(tài)門 外部總線ALU接收16位開關(guān)送數(shù)據(jù) 2種機(jī)器使用大體相同的狀態(tài)寄存器 FLAGGAL 最低位進(jìn)位信號(hào) 高低位移位信號(hào)線路 SHIFTGAL 狀態(tài)位CZVS和中斷優(yōu)先級(jí)P1 P0經(jīng)開關(guān)門 內(nèi)部線IB 4 TEC 2000機(jī)的硬件組成 TEC 2000機(jī)上的控制器 可用選用組合邏輯或微程序方案實(shí)現(xiàn) 非常好地支持動(dòng)態(tài)的指令集合 選用了美國AMD公司的Am2910芯片作為微程序的下地址形成部件 用來講解微程序下地址邏輯和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象 有很高實(shí)用性和典型性 組合邏輯和微程序控制器方案之間可用手撥開關(guān)完成切換 動(dòng)態(tài)的指令集合 是指可以通過修改和增加微程序的內(nèi)容 或變化可編程器件的內(nèi)容 來改變計(jì)算機(jī)已有的指令系統(tǒng) 例如 增加新的指令 變更原有指令等 這對(duì)于教學(xué)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)有特別重要的意義 TEC 2000機(jī)在這一方面性能超群 控制器的功能 計(jì)算機(jī)的功能是執(zhí)行程序程序是依次排列起來的指令代碼控制器的基本功能就在于正確且自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令正確地分步完成每一條指令規(guī)定的功能再進(jìn)一步說 就是向計(jì)算機(jī)各功能部件提供協(xié)調(diào)運(yùn)行每一步所需要的控制信號(hào) 還要能及時(shí)處理異常情況和緊急請(qǐng)求 控制器的組成 1 程序計(jì)數(shù)器PC 存放指令地址 有 1或接收新值功能 2 指令寄存器IR 存放指令內(nèi)容 操作碼與操作數(shù)地址主脈沖源與啟?？刂凭€路 按需要給出主脈沖信號(hào) 3 指令執(zhí)行步驟標(biāo)記線路 指明每條指令的執(zhí)行步驟 4 控制信號(hào)記憶或產(chǎn)生線路 給出計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào) 運(yùn)算器部件 主存儲(chǔ)器部件 總線及輸入 輸出接口 輸入 輸出設(shè)備 控制器部件 各部件包括 也包括 設(shè)計(jì)中的難點(diǎn) 在于解決對(duì)運(yùn)算器 控制器的控制 每條指令的執(zhí)行步驟 讀取指令指令地址送入主存地址寄存器讀主存 讀出內(nèi)容送入指定的寄存器 分析指令 按指令規(guī)定內(nèi)容執(zhí)行指令不同指令的操作步驟數(shù) 和具體操作內(nèi)容差異很大 檢查有無中斷請(qǐng)求若有 則轉(zhuǎn)中斷處理若無 則轉(zhuǎn)入下一條指令的執(zhí)行過程 形成下條指令地址 R R型指令讀寫內(nèi)存型指令輸入輸出型指令其他類型指令 可能一次 多次地進(jìn)行操作 一次讀內(nèi)存操作 控制存儲(chǔ)器 映射 IR PC 接口輸出設(shè)備 主存儲(chǔ)器 運(yùn)算器部件 啟停 地址寄存器 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 控制條件 微指令寄存器 主振 微程序方案的控制器 接口輸入設(shè)備 下地址部件 下地址 微程序控制器的運(yùn)行原理 指令每一個(gè)執(zhí)行步驟用到的全體控制信號(hào)組成一微指令每條指令可以包括一到多個(gè)微操作用多條微指令 一個(gè)微程序段 解釋每條指令的執(zhí)行過程解釋全部指令的微程序段的集合構(gòu)成控制器的微程序執(zhí)行一條微指令所用的時(shí)間被稱為一個(gè)微周期 微指令的格式和內(nèi)容 下地址字段控制命令字段 讀與執(zhí)行微指令的并行流水技術(shù) 下地址字段的內(nèi)容 得到下地址的方法 由指令操作碼得到微指令順序執(zhí)行微指令必轉(zhuǎn)或條件轉(zhuǎn)移多路微地址轉(zhuǎn)移微子程序調(diào)用和返回按次數(shù)循環(huán)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 使用哪種方法 哪個(gè) 些 判斷條件 要用的有關(guān)地址等 并用專門電路完成必要支持和處理 微指令的下地址是微程序設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)解決的問題之一 技術(shù) 技巧性強(qiáng) 應(yīng)學(xué)得好些 在教學(xué)計(jì)算機(jī)中 解決下地址使用了Am2910器件 微程序控制器部件56位的微指令字長 微下地址字段16位 控制命令字段40位 7片28C64組成控存 1片28C65 從指令操作碼產(chǎn)生微地址 1片374存8位下地址 1片273存8位條件碼 1片377存8位現(xiàn)微地址 1片Am2910給出下一條微指令地址 1片GAL按判斷條件產(chǎn)生微指令轉(zhuǎn)移信號(hào) CC 5片GAL用作為5片8位的D觸發(fā)器的寄存器 2片GAL實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4位的2選1芯片功能 8或16位的指令寄存器 TEC 200016位機(jī)基本指令系統(tǒng) 指令格式匯編語句操作數(shù)個(gè)數(shù)CZVS指令分組功能說明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無條件跳轉(zhuǎn)01000100OFFSETJRCADR1 AC 1時(shí)跳轉(zhuǎn)01000101OFFSETJRNCADR1 AC 0時(shí)跳轉(zhuǎn)01000110OFFSETJRZADR1 AZ 1時(shí)跳轉(zhuǎn)01000111OFFSETJRNZADR1 AZ 0時(shí)跳轉(zhuǎn) TEC 200016位機(jī)基本指令系統(tǒng) 指令格式匯編語句操作數(shù)個(gè)數(shù)CZVS指令分組功能說明100000000000000JMPAADR1 B無條件跳到ADRADR 16位 10000001DRSRLDRRDR SR 2 BDR SR 10000010I OPORTINI OPORT1 BR0 I OPORT 10000011DRSRSTRR DR SR2 B DR SR1000010000000000PSHF0 BFLAG入棧100001010000SRPUSHSR1 BSR入棧10000110I OPORTOUTI OPORT1 B I OPORT R010000111DRPOPDR1 B出棧到DR00001000DR0000MVRDDR DATA2 BDR DATADATA 16位 1000110000000000POPF1 BFLAG 出棧1000111100000000RET1 B子程序返回1100111000000000CALAADR1 D調(diào)用子程序ADR 16位 PC 0 AR PCPC PC 1 IR AR MAP 寄存器之間運(yùn)算與傳送 讀 寫內(nèi)存AR 地址 AR 地址 讀 寫內(nèi)存或I O接口 讀 寫內(nèi)存PC 地址 16位機(jī)的基本指令 擴(kuò)展指令執(zhí)行流程圖 A組 B組 C組 D組 Reset B C D組 加電啟動(dòng)時(shí) 執(zhí)行0 PC 接下來的兩步 完成取指操作 按指令操作碼 讀出相應(yīng)微指令 按指令具體功能 再分別用1 2 3 4步完成不同指令組的中各條指令的執(zhí)行過程 最后檢查中斷請(qǐng)求信號(hào) 有請(qǐng)求時(shí)則響應(yīng)中斷 否則開始下一條指令的執(zhí)行過程 對(duì)運(yùn)算器的控制 24位控制信號(hào) 同24位微型開關(guān)內(nèi)容 A4 A0 B4 B0 I8 I6 I5 I3 I2 I0SST2 0 SSH1 0 SCI1 0多出兩位SA SB 用于選擇A口 B口來源SA 1IR的源操作數(shù)寄存器 0微碼A口字段SB 1IR的目的操作數(shù)寄存器 0微碼B口字段寄存器分配 R4 SPR5 PC約定用法 R0 I O指令約定使用 也是通用累加器 對(duì)內(nèi)存和I O接口的讀寫 M