TEC-2000 系列教学计算机系统

TEC-2000系列教学计算机系统概要介绍1.配套教材：王诚教授主编，清华大学出版社计算机组成与设计（16位机为主，清华大学计算机系列教材，计算机组成与设计实验指导已经列选国家“十五”重点教材）计算机组成原理（8位机为主，教育部开放教育试点教材）计算机组成原理实验指导书2.配套教学课件：王诚教授主编，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.TEC-2000系列教学计算机：王诚教授带队研制，研制目的，教学内容和指导思想，清华同方生产销售硬/软件系统组成，教学实验项目清华大学优秀教学实验设备一等奖计算机的系统结构、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（3）实验设备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。条件码微指令下地址部件微指令地址映射部件晶振启停控制节拍发生器时序控制信号形成部件移位信号进位信号状态位触发器8位运算器部件8位运算器部件8位内存储器部件8位内存储器部件高位地址寄存器程序计数器指令寄存器8位8位微指令寄存器控制存储器2片译码器(在运算器芯片内)3片译码器电平转换线路时钟分频线路扩展实验串行接口芯片串行接口Intel8251芯片中断实验线路+5V直流电源其他通用I/O接口扩展实验低位地址寄存器CKIRPC转移地址+1送地址寄存器Cout移位信号Cin移位信号/OECZVSSSTCyZrOvF移位信号SCISSHCin移位信号几个寄存器的接收允许送内部总线的选择控制内存与I/O片选信号及读写命令送入/出设备移位信号Cin8位内部总线IB来自八位开关来自八位开关片选读写命令/OE8位数据总线高位地址总线8位数据总线3548低8位地址总线送译码电路并行数据入/出C_/DI/O读写命令片选片选读写命令/OE/OE(接地)8位内部总线IB串行入/出时钟信号CLKDC23~20DC13~10/MIOREQ/WEA3~A0B3~B0I8~I0SST2~SST0SCI1~SCI0SSH1~SSH0/OE内存3位地址I/O端口高位地址343个无锁按键(中断源)/INT/OE{下地址字段控制命令字段...............INTSINTPReset3SCC16寄存器当前微指令地址/CC2串行入/出2.ARLARH/OECLK图3-3TEC-2000总体框图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.PCARIR数据总线地址总线ALU乘商寄存器R1R0Rn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….PCARIR数据总线地址总线ALU乘商寄存器R1R0Rn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ALUSRB锁存器A锁存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出YF3F=0000OVRCn+4输入DA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ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4Am2901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S8种运算功能0000010100111001011101113位功能选择码B16个A通用寄存器ALUSRB锁存器A锁存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第二个组成部分是通用寄存