系列教学计算机系统

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1、TEC-2000 系列教学计算机系 统 概要介绍 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 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

2、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

3、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

4、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:讲解单台单台计算机的完完整整 硬件系统 的基本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

5、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

6、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

7、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. 正确执执行每条指令1. 首先是取来一条指令，2. 接着分析这这条指令， 3. 再按指令格式和功能执执行这这条指令 二. 保证证指令按程序中规规定的序列自动连续动连续 地执执行。 三. 对对各种异常情况和请请求及时时响应应和处处理。 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

8、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

9、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

10、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

11、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。运

12、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C Z V S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C Z V S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

13、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

14、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

15、，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B 16个 A 通用寄存器三选一二选一三选一三选一A L U S RB锁存器A锁存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出YF3 F=0000 OVR Cn+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A L U S RCnFF3 F=0000 OVR Cn+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+S SR RSRS RS RS RS RS8种运算功能000 001 010 011 100 101 110 1113位功能选择码B 16个 A 通用寄存器A L U S RB锁存器A锁存器CnFF3 F=0000 OV