搜索
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(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