計算機組成與設(shè)計

前言

TH-union+是清華大學計算機系最新研制的教學計算機系統(tǒng)，主要用于“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學。從硬件的角度看，它既可以支持計算機整機和部件的教學實驗，也可以支持電子線路和邏輯設(shè)計的教學實驗。從軟件的角度看，可以支持進行監(jiān)控程序設(shè)計、匯編語言程序設(shè)計、BASIC高級語言程序設(shè)計等教學實驗。該系統(tǒng)在繼承TEC一2000系列教學機全部功能的基礎(chǔ)上，改進了實現(xiàn)方案，簡化了實驗操作步驟。更重要的變化是增加了通過VHDL語言描述功能、并選用FPGA芯片實現(xiàn)的CPU系統(tǒng)，提供了更多的實驗功能和更先進的CPU設(shè)計手段。TH-union+是雙CPU系統(tǒng)，兩個CPU都可以單獨和內(nèi)存、接口等電路構(gòu)建成一臺完整的計算機。本書重點結(jié)合“計算機組成原理”課程的教學實驗需求，介紹TH-union+系列教學計算機系統(tǒng)的組成、功能及其支持的實驗項目，最后一章還簡單介紹了教學計算機軟件模擬系統(tǒng)的功能和使用方法。有關(guān)“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學實驗內(nèi)容，準備經(jīng)過一輪教學試用后再追加到本書中。全書內(nèi)容劃分為5章。第1章概述了TH-union+教學計算機系統(tǒng)的設(shè)計目標、總體組成和功能以及在教學過程中的作用，列出了該系統(tǒng)可以支持的教學實驗項目。

內(nèi)容概要

本書共分5章，針對TH—union+教學計算機系統(tǒng)進行講解。第1章簡單概述教學計算機系統(tǒng)的功能和組成；第2章、第3章介紹兩個計算機系統(tǒng)的硬件組成與設(shè)計，講解可以支持的教學實驗項目；第4章介紹軟件系統(tǒng)的功能、組成和實現(xiàn)技術(shù)；第5章講解指令一級的軟件模擬系統(tǒng)和微體系結(jié)構(gòu)一級的軟件模擬系統(tǒng)的功能和教學實驗。    本書是《計算機組成與設(shè)計》、《計算機組成原理》和《計算機組成與體系結(jié)構(gòu)》的配套實驗教材，也可以作為高等院校計算機或相關(guān)專業(yè)的“計算機組成原理”課程的實驗指導用書，還可供從事與計算機業(yè)務(wù)相關(guān)的生產(chǎn)、科研人員及其他人員參考。

書籍目錄

1  TH—union+教學計算機系統(tǒng)概述  1.1  TH—union+教學計算機系統(tǒng)    1.1.1  TH—union系列教學計算機產(chǎn)品概述    1.1.2  TH—union+教學計算機系統(tǒng)    1.1.3  TH—union+教學計算機的指令系統(tǒng)    1.1.4  教學計算機的硬件實現(xiàn)技術(shù)    1.1.5  教學計算機的軟件模擬系統(tǒng)    1.1.6  教學計算機在教學過程中的作用  1.2  實驗項目設(shè)置    1.2.1  基本實驗項目    1.2.2  可選實驗項目2  TH—union計原16硬件系統(tǒng)及其實驗項目  2.1  TH—union計原16計算機的硬件系統(tǒng)  2.2  使用GAL20V8芯片完成的教學實驗    2.2.1  實驗環(huán)境說明    2.2.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容  2.3  用CPLD器件MACH芯片實現(xiàn)的線路實驗    2.3.1  實驗環(huán)境說明    2.3.2  實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容    2.3.3  ABEL語言概述及其實驗項目功能描述源程序    2.3.4  VHDL語言概述及其實驗項目功能描述源程序    2.3.5  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.4  監(jiān)控程序與匯編語言程序設(shè)計實驗    2.4.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要技術(shù)說明    2.4.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.4.3  實驗操作過程    2.4.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.5  運算器部件實驗    2.5.1  相關(guān)知識、實驗環(huán)境與必要技術(shù)說明    2.5.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.5.3  實驗操作過程    2.5.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.6  內(nèi)存儲器部件實驗    2.6.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要知識、技術(shù)說明    2.6.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.6.3  實驗操作過程    2.6.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.7  兩種類型的控制器部件實驗    2.7.1  實驗環(huán)境、設(shè)備功能描述和技術(shù)說明    2.7.2  ABEL語言描述控制器源程序    2.7.3  VHDL語言描述控制器源程序    2.7.4  實驗?zāi)康呐c實驗內(nèi)容    2.7.5  組合邏輯控制器部件實驗過程    2.7.6  微程序控制器部件實驗過程  2.8  串行接口輸入輸出實驗    2.8.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要知識、技術(shù)說明    2.8.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.8.3  實驗操作過程    2.8.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.9  多級嵌套的中斷實驗    2.9.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要技術(shù)說明    2.9.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.9.3  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.10  其他接口電路輸入輸出實驗    2.10.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要技術(shù)說明    2.10.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.10.3  實驗操作過程    2.10.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.11  監(jiān)控程序功能擴展實驗    2.11.1  實驗環(huán)境和必要技術(shù)說明    2.11.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.11.3  實驗操作過程    2.11.4  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.12  系統(tǒng)匯編程序（匯編器）的設(shè)計或者功能擴展實驗    2.12.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要技術(shù)說明    2.12.2  實驗?zāi)康呐c具體內(nèi)容    2.12.3  實驗要求與實驗報告內(nèi)容  2.13  在教學機上設(shè)計實現(xiàn)一臺新計算機的工程項目    2.13.1  實驗環(huán)境、設(shè)備與必要技術(shù)說明    2.13.2  實驗?zāi)康摹?nèi)容和操作步驟    2.13.3  實驗總結(jié)報告的內(nèi)容3  TH—union（FPGA）計算機的硬件系統(tǒng)及其實驗項目  3.1  TH—Lmion（FP（]A）教學計算機的系統(tǒng)組成概述    3.1.1  TH—union（FPGA）教學計算機系統(tǒng)的技術(shù)指標與系統(tǒng)配置    3.1.2  FPGA芯片的外特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)  3.2  FPGA—CPU教學實驗  3.3  基于FPGA芯片的基本邏輯電路實驗    3.3.1  實驗環(huán)境說明    3.3.2  實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容  3.4  在FPGA芯片中實現(xiàn)的非流水線的CPU系統(tǒng)    3.4.1  CPU系統(tǒng)的層次與模塊設(shè)計    3.4.2  CPU系統(tǒng)的功能描述VHDL源程序4  教學計算機軟件系統(tǒng)技術(shù)說明  4.1  教學計算機的指令系統(tǒng)  4.2  教學計算機的監(jiān)控程序    4.2.1  監(jiān)控程序的功能    4.2.2  監(jiān)控程序的總體結(jié)構(gòu)    4.2.3  重要的子程序分析及其程序框圖    4.2.4  幾個功能較強的常用子程序    4.2.5  串行接口輸入輸出操作的原理說明及有關(guān)子程序    4.2.6  幾個基礎(chǔ)的子程序  4.3  教學計算機的PC仿真終端程序  4.4  教學計算機的匯編程序概述    4.4.1  教學計算機的交叉匯編程序的演變過程    4.4.2  交叉匯編程序使用說明  4.5  教學計算機的高級語言支持    4.5.1  BASIC語言解釋程序功能和程序設(shè)計    4.5.2  BASIC語言的程序    4.5.3  軟件實現(xiàn)的浮點數(shù)據(jù)運算5  教學計算機的軟件模擬系統(tǒng)  5.1  教學計算機的指令與系統(tǒng)級的模擬系統(tǒng)    5.1.1  指令模擬的概念及其在教學中的作用    5.1.2  教學計算機程序設(shè)計實驗（仿真）  5.2  教學計算機微體系結(jié)構(gòu)級組合邏輯控制器模擬系統(tǒng)    5.2.1  計算機微體系結(jié)構(gòu)級模擬的概念及其在教學中的作用    5.2.2  教學計算機組合邏輯控制器軟件模擬系統(tǒng)使用說明    5.2.3  使用模擬程序完成組合邏輯控制器實驗  5.3  教學計算機微體系結(jié)構(gòu)級微程序控制器模擬系統(tǒng)    5.3.1  教學計算機微程序控制器軟件模擬系統(tǒng)的使用說明    5.3.2  使用模擬程序完成微程序控制器實驗參考文獻附錄（在配書光盤中）

章節(jié)摘錄

1.1.5教學計算機的軟件模擬系統(tǒng)把已經(jīng)用硬件實現(xiàn)的教學計算機系統(tǒng)的全部功能，通過軟件模擬的辦法在PC上展現(xiàn)出來是我們做出的重大努力之一。通過上網(wǎng)查詢以及與出國人員的直接交流，了解到國外有一些著名大學在計算機組成原理課程教學過程中的安排，前些年多是選用軟件模擬的方式完成逐項教學實驗。其優(yōu)點是使用方便，變動設(shè)計的靈活性強，可以比較容易地對比不同設(shè)計方案對計算機性能影響的程度。不使用專用硬件設(shè)備完成教學實驗，實驗成本也會比較低，授課與輔導教師更容易與同學交互。但是缺憾也是明顯的，學生學習硬件課程的整個過程，不接觸（擁有）自己可以設(shè)計與修改的硬件設(shè)備，更多的精力集中到計算機的功能設(shè)計部分，難以對線路與邏輯設(shè)計部分以及計算機硬件實現(xiàn)中的工程性、技術(shù)性問題有切身體會。最近幾年，這些院校已經(jīng)轉(zhuǎn)變到軟件模擬加上選用FPGA芯片實現(xiàn)CPU系統(tǒng)的教學實驗方案上。如何權(quán)衡硬件的教學計算機系統(tǒng)和軟件模擬的教學計算機系統(tǒng)在課程教學中的作用，可謂是仁者見仁，智者見智。對此，我們采取的措施是同時實現(xiàn)這兩部分內(nèi)容，并且同時應(yīng)用在教學過程中，使它們發(fā)揮各自的作用，通過教學實踐來探索更好地解決問題的途徑。為了更便于比較，做到更好的資源復用，在設(shè)計與實現(xiàn)軟件模擬的教學計算機系統(tǒng)的過程中，采取了兩項措施。（1）堅持與硬件實現(xiàn)的教學計算機系統(tǒng)有盡可能高的一致性。為此，模擬軟件使用的信息（例如監(jiān)控程序的執(zhí)行碼，微程序控制器的微程序的二進制編碼文件等）與硬件教學機系統(tǒng)中使用的完全相同，這樣輔助設(shè)計產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果既可以直接用于模擬，也可以直接用于寫到硬件教學機的部件中，確保二者之間有最好的一致性。（2）在模擬軟件的設(shè)計中，比較準確地按照硬件系統(tǒng)的主要功能部件實現(xiàn)模擬，確保硬件實現(xiàn)的與軟件模擬實現(xiàn)的系統(tǒng)有良好的對照關(guān)系，期望在教學過程中可以得到更好的教學效果。

編輯推薦

《計算機組成與設(shè)計》詳細說明了TH-union+教學計算機系統(tǒng)支持的教學實驗項目，包括每項實驗的操作環(huán)境和必要的技術(shù)說明，實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容、實驗要求等，使每項實驗具有更好的針對性和可操作性?！队嬎銠C組成與設(shè)計》詳盡系統(tǒng)地給出了TH-union+教學計算機系統(tǒng)的硬件組成和實現(xiàn)技術(shù)以及軟件構(gòu)成，并從指令和系統(tǒng)的層次以及微體系結(jié)構(gòu)的層次介紹了TH-union+教學計算機系統(tǒng)的軟件模擬系統(tǒng)的功能和使用方法，以及完成教學實驗的內(nèi)容和操作步驟?！队嬎銠C組成與設(shè)計》附有一張光盤，主要包括授課的電子版教案、教學內(nèi)容中重點難點的動畫演示軟件，一些供自學和參考的教學資料.VHDL語言概述、模擬試題和參考答案等。

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