1、TEC-2000 系列教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng) 概要介紹,配套教材： 王誠教授主編，清華大學(xué)出版社 計算機(jī)組成與設(shè)計 （16 位機(jī)為主，清華大學(xué)計算機(jī)系列教材， 計算機(jī)組成與設(shè)計實驗指導(dǎo) 已經(jīng)列選國家“十五”重點教材） 計算機(jī)組成原理 （ 8 位機(jī)為主，教育部開放教育試點教材） 計算機(jī)組成原理實驗指導(dǎo)書 配套教學(xué)課件： 王誠教授主編，清華大學(xué)音像出版社 計算機(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 TEC-2000系列教學(xué)計算機(jī)：王誠教授帶隊研制， 研制目的，教學(xué)內(nèi)容和指導(dǎo)思想， 清華同方生產(chǎn)銷售 硬/軟件系統(tǒng)組成，教學(xué)實驗項目 清華大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)實驗設(shè)備一等獎,計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實

2、現(xiàn),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計者所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，是計算機(jī)的外特性，概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，研究計算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件的功能劃分和接口關(guān)系。 計算機(jī)組成，計算機(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；實現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性，是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。 計算機(jī)實現(xiàn)，計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)，即把一臺完成邏輯設(shè)計的計算機(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)系實際要求

3、，也為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力和創(chuàng)新意識，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)計算機(jī)系統(tǒng)，既為計算機(jī)組成原理課講課提供了實例內(nèi)容,又為教學(xué)實驗解決了實驗設(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)實踐經(jīng)驗和該教學(xué)計算機(jī)在全國推廣應(yīng)用的效果已充分證明，學(xué)好用好這臺計算機(jī)的組成與設(shè)計知識，對提高課程教學(xué)水平很重要。,在教學(xué)過程中，要講解計算機(jī)組成的基本原理和總體概念，又用教學(xué)計算機(jī)的組成、設(shè)計與實現(xiàn)的具體實例，來深化所學(xué)知識。 此外，希望在整個教學(xué)過程中，同學(xué)對理論聯(lián)系實際，增強(qiáng)工程觀點，培養(yǎng)動手能力和增強(qiáng)創(chuàng)新意識等這樣一些問題，有更深切

4、的體會，更加有意識地加強(qiáng)在這樣一些方面的鍛煉與提高。,教學(xué)計算機(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: 講解單臺計算機(jī)的完 整 硬件系統(tǒng) 的基本組成原理與內(nèi)部運行機(jī)制 單臺：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：計算機(jī)整機(jī)、全部的硬件功能部件,再詳細(xì)分一點說，可以分成 3 個層次給出課程的有關(guān)知識和技術(shù)內(nèi)容： （1）重點講解 簡單、完整、單臺計算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部運行機(jī)制， （2）適當(dāng)說明 當(dāng)前最流行的一些新計算機(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)外計算機(jī)組成領(lǐng)域最新研究成果和發(fā)

5、展應(yīng)用趨勢。 第一個層次的教學(xué)內(nèi)容屬于原理性的基礎(chǔ)知識，是重點部分，其特點是內(nèi)容相對穩(wěn)定，同學(xué)可以動手實踐。同學(xué)在學(xué)習(xí)過這些原理知識的基礎(chǔ)上，可以通過教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，完成指定的教學(xué)實驗題目，或者完成帶有一定研究型的工程設(shè)計項目來加深對教學(xué)內(nèi)容的理解程度，增長研究、開創(chuàng)性工作、通過實踐獲取知識的能力，從知識和能力兩個方面全面提高學(xué)生的素質(zhì)。 第二個層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，其特點是技術(shù)性較強(qiáng)，內(nèi)容變化相對較快，由于設(shè)備條件的限制，同學(xué)難以動手實踐，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)，重點鍛煉學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力。 第三個層次體現(xiàn)的是教學(xué)內(nèi)容的前沿性，其特點是技術(shù)性上明顯的不成熟

6、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)容不作為評定成績的必要要求。,教學(xué)內(nèi)容 （2）,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (1),包括： 運算器 控制器 高速緩存 主存儲器 外存設(shè)備 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備等幾個主要組成部分。 這些設(shè)備和部件通過總線和接口連結(jié)在一起， 構(gòu)成一臺完整的計算機(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,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (2),運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (3),運算器部件是計算機(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、

7、除等運算， 執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與、或、非等邏輯運算， 由一個被稱為 ALU 的線路和乘商寄存器完成。 2. 暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果， 由多個通用寄存器來承擔(dān)。 3. 運算器通常也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,控 制 器,運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (4),控制器是計算機(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)定的序列自動連續(xù)地執(zhí)行。 三. 對各種異常情況和請求及時響應(yīng)和處理。 說到底，控制器要向計算機(jī)各功能部件提供 每一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號,外存設(shè)備,主存儲器,

8、高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (5),由高速緩沖存儲器、主存儲器、外 存儲器所組成的多級（層）存儲器系統(tǒng)， 是計算機(jī)中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。 這三級存儲器各自的功能分工、所用的 存儲介質(zhì)的工作原理和特性各不相同。 將作為三個部分分別講解。,輸入設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (6),輸入設(shè)備是向計算機(jī)中送入程序和數(shù)據(jù)的、有一定獨立功能的設(shè)備。 通過 接口 和 總線與計算機(jī)主機(jī)連通，用于人機(jī)交互聯(lián)系，如計算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)等。,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 (7

9、),輸出設(shè)備是計算機(jī)中用于送出計算機(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,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,計算機(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)成計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同運行。,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,入出接口和總線,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,第三單元(12學(xué)時),第四單元(12學(xué)時),第二單元(18學(xué)時),第一單元(18學(xué)時),計算機(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)以計算機(jī)硬件部件和整機(jī)系統(tǒng)知識為主的同時，還必須適當(dāng)兼顧與硬件關(guān)系最密切的基礎(chǔ)軟件知識學(xué)習(xí)。 那種把計算機(jī)組

10、成原理完全作為純硬件課來處理，是陳舊的認(rèn)識和過時的做法，不符合當(dāng)今計算機(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)系實際，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力和創(chuàng)新意識， 我們專門研制出 8 和 16 位的硬、軟件配置比較合理，資料相對齊全的教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)，為講課提供實例內(nèi)容, 為教學(xué)實驗提供實驗設(shè)備, 有利于更深入地學(xué)習(xí)計算機(jī)各功能部件和整機(jī)系統(tǒng)。引入“計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)工程研究項目”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,計算機(jī) 終端,PC機(jī),微程序 控制器,運算器

11、(8 / 16 位),主存儲器 （8 / 16位）,按鍵 開關(guān) 指示燈,串行接口,接口實驗 中斷實驗 內(nèi)存擴(kuò)展實驗,電 源 +5V,硬布線 控制器,（3） 實驗設(shè)備,TEC-2000 機(jī)系統(tǒng)概述,TEC-2000 教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)，在借鑒TEC-2 機(jī)已有應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上完全重新設(shè)計，2000年初完成。 教學(xué)機(jī)的主要邏輯線路（含擴(kuò)展實驗部分）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展實驗的幾塊電路板。成本降低，使用和攜帶也更方便，TEC-2000 教學(xué)計算機(jī)的實驗性能有很大提高： 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

12、制器方案； 可選用多種存儲器芯片實現(xiàn)內(nèi)存及容量擴(kuò)展； 教學(xué)實驗內(nèi)容有所增加，實驗性能也更強(qiáng)。,運算器,微程序控制器,控制 存儲器,用于運算器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,主存儲器,控制總線,0 單元,n單元,1單元,C Z V S,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,運算器,硬布線控制器,控制信號,用于運算器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,主存儲器,控制總線,0 單元,n單元,1單元,C Z V S,接口,.,PC,AR,IR,數(shù)據(jù)總

13、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,計算機(jī)終端 和 PC機(jī) 是計算機(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，可大大提高實驗效率和水平。 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實驗之外的其他各種擴(kuò)展操作的實驗，如內(nèi)存容量擴(kuò)展實驗，多級中斷實驗，并行接口實驗，以及其他 I/O 接口實驗等，都可以直接在 TEC-2000 機(jī)大板右側(cè)的擴(kuò)展

14、實驗區(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 用于啟動計算機(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)生中斷請求信號。 開關(guān) 用于選擇TEC-2000 機(jī)的運行方式， 可向機(jī)內(nèi)撥入數(shù)據(jù) 和 地址等信息， 微型開關(guān)用于給出實驗控制信號。 指示燈有 超百個，同時顯示實驗機(jī)內(nèi)的 各種數(shù)據(jù)、地址和控制信號的狀態(tài)。,3. TEC-2000 機(jī)的硬件組成,TEC-2000 機(jī)上的運算器，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，作為講解運算器的

15、實例和教學(xué)實驗的對象，有很強(qiáng)的典型性。它可脫離 TEC-2000 主機(jī)，單獨地進(jìn)行運算器部件實驗，也可在主機(jī)控制下完成運算器部件實驗、其它功能部件實驗或整機(jī)實驗。 位片結(jié)構(gòu)是說，每個器件本身就是一個完整的運算器，只是位數(shù)較少，要組成更多位數(shù)的實用運算器要用多片共同實現(xiàn)，這里選用的是美國AMD公司的 Am2901芯片。,二選一,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選一,三選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,乘商寄存器Q,Cn,/OE,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,輸出Y,F3 F=0000 OVR Cn+4,輸入D,A口地址,B口地址,Am2901內(nèi)部組成 （無動畫）,

16、組成 算邏運算部件 16 個 累加器 乘商寄存器 Q 功能 8種運算功能 8種數(shù)據(jù)組合 8種結(jié)果處理,A L U S R,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,Am2901芯片是一個 4位的位片結(jié)構(gòu)的運算器器件,其內(nèi)部組成講解如下：,第一個組成部分是算邏運算部件ALU，完成 3 種算術(shù)運算 和 5 種邏輯運算， 共計 8 種功能。,其輸出為 F，兩路輸入為 S、R， 最低位進(jìn)位Cn，四個狀態(tài)輸出信號如圖所示。,符號位 結(jié)果為零 結(jié)果溢出 進(jìn)位輸出,R+S SR RS RS RS RS RS RS,8種運算功能,000 001 010 011 100 101 110 111,3位功能選

17、擇碼,B 16個 A 通用寄存器,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,A口地址,B口地址,第二個組成部分 是通用寄存器組， 由16個寄存器構(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) 由一個多路選擇 器送來。,（寫入）,B 16個 A 通用寄存器,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+4,A口地址,B口地址,第三個組成部分 是乘商寄存器Q， 它能對自己的內(nèi) 容完成左右移

18、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 組成部分是 5 組 多路選通門,包括,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,F,F3 F=0000 OVR Cn+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) AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ D0,3位數(shù)據(jù)選擇碼,000 001 010 011 100 101 110 111,B 1

19、6個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選一,三選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,F3 F=0000 OVR Cn+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 移位信號有雙 向入/出問題。,二選一,B 16個 A 通用寄存器,三選一,二選一,三選一,三選一,A L U S R,B鎖存器,A鎖存器,Q寄存器,Cn,/O

20、E,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,輸出Y,F3 F=0000 OVR Cn+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 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QF/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2F F 111 B2F F,Y30,D30,Cin,RAM0,Q0,8 位教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng) 2 片Am2901

21、之間的連接,Vcc R,Y118,Y30,D118,D74,D30,Cin,RAM0,Q0,Y74,16 位教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng) 4 片Am2901之間的連接,Vcc R,片間高速進(jìn)位用 Am2902,高位 Am2901,Am2901,Am2901,低位 Am2901,Am2902 Cn+z Cn+y Cn+x,/G /P,+5V,Y1512,Y118,Y74,Y30,D1512,D118,D74,D30,OVER,F=0,F15,Cy,Cin,CP,RAM15,Q15,RAM0,Q0,A口,B口,I86 I53 I20,TEC-2000的運算器 8 位機(jī)，只用 8 位數(shù)據(jù)線， 只用 2 片Am29

22、01 芯片實現(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 (FLAG GAL)、 最低位進(jìn)位信號、高低位移 位信號線路 (SHIFT G

23、AL)。 狀態(tài)位 C Z V S 和中斷優(yōu)先級 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現(xiàn)，非常好地支持動態(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)實驗的對象，有很高實用性和典型性。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；這對于教學(xué)與教學(xué)實驗的計算機(jī)有特別重要的意義。TEC-

24、2000 機(jī)在這一方面性能超群。,控制器的功能,計算機(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， 就是向計算機(jī)各功能部件提供 協(xié)調(diào)運行每一步所需要的控制信號 （還要能及時處理異常情況和緊急請求）,控制器的組成,(1) 程序計數(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 主脈沖源與啟停控制線路：按需要給出主脈沖信號 (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) 控制信號記憶或產(chǎn)生線路: 給出計算機(jī)各功能部件協(xié)同運

25、行所需要的控制信號。,運算器部件,主存儲器部件,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)計中的難點，在于解決對運算器、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,RR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 存儲器,映射,IR,PC,接口 輸出 設(shè)備,主 存

26、儲 器,運算器 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,微程序控制器的運行原理,指令每一個執(zhí)行步驟用到的全體控制信號組成一微指令 每條指令可以包括一到多個微操作 用多條微指令(一個微程序段)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間被稱為一個微周期。 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

27、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(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)計中要重點解決的問題之一， 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。

28、 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/CC； 5 片GAL用作為 5 片 8位 的 D 觸發(fā)器的寄存器， 2 片GAL 實現(xiàn)兩個4 位的 2 選 1 芯片功能。 8 或 16位的指令寄存器。,TEC-2000 16位機(jī)基本指令系統(tǒng),指令格式 匯編語句 操作數(shù)個數(shù) CZVS 指令分組 功能說明 00000000 DRSR ADD DR，SR 2 * A DRDR+SR 00000001 DRSR SUB DR，SR 2 * A DRDR-SR 00000010 DRSR AND DR，SR 2 * A DRDR and SR 00000011

29、 DRSR CMP DR，SR 2 * A DR-SR 00000100 DRSR XOR DR，SR 2 * A DRDR xor SR 00000101 DRSR TEST DR，SR 2 * A DR and SR 00000110 DRSR OR DR，SR 2 * A DRDR or SR 00000111 DRSR MVRR DR, SR 2 A DRSR 00001000 DR0000 DEC DR 1 * A DRDR-1 00001001 DR0000 INC DR 1 * A DRDR+1 00001010 DR0000 SHL DR 1 * A DR,CDR*2 0000

30、1011 DR0000 SHR DR 1 * A DR,CDR /2 01000001 OFFSET JR ADR 1 A 無條件跳轉(zhuǎn) 01000100 OFFSET JRC ADR 1 A C=1 時跳轉(zhuǎn) 01000101 OFFSET JRNC ADR 1 A C=0 時跳轉(zhuǎn) 01000110 OFFSET JRZ ADR 1 A Z=1 時跳轉(zhuǎn) 01000111 OFFSET JRNZ ADR 1 A Z=0 時跳轉(zhuǎn),TEC-2000 16位機(jī)基本指令系統(tǒng),指令格式 匯編語句 操作數(shù)個數(shù) CZVS 指令分組 功能說明 10000000 0000000 JMPA ADR 1 B 無條件跳到

31、ADR ADR（16位） 10000001 DRSR LDRR DR，SR 2 B DRSR 10000010 I/O PORT IN I/O PORT 1 B R0I/O PORT 10000011 DRSR STRR DR，SR 2 B DRSR 10000100 00000000 PSHF 0 B FLAG 入棧 10000101 0000SR PUSH SR 1 B SR 入棧 10000110 I/O PORT OUT I/O PORT 1 B I/O PORTR0 10000111 DR POP DR 1 B 出棧到 DR 00001000 DR0000 MVRD DR, DATA

32、 2 B DRDATA DATA（16位） 10001100 00000000 POPF 1 B FLAG出棧 10001111 00000000 RET 1 B 子程序返回 11001110 00000000 CALA ADR 1 D 調(diào)用子程序 ADR（16位）,PC 0,AR PC PCPC+1,IR(AR),/MAP,寄存器之間 運算與傳送,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,加電啟動時， 執(zhí)行 0PC,接下來的兩步， 完成取指操作,按指令操作碼

33、， 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 求信號，有請求 時則響應(yīng)中斷， 否則開始下一條 指令的執(zhí)行過程,對運算器的控制,24位控制信號，同24位微型開關(guān)內(nèi)容， A4A0，B4B0，I8I6， I5I3， I2I0 SST20， SSH10， SCI10 多出兩位SA、SB，用于選擇A口、B口來源 SA=1 IR 的源操作數(shù)寄存器 =0 微碼 A口 字段 SB=1 IR 的目的操作數(shù)寄存器 =0 微碼 B口 字段 寄存器分配： R4：SP R5： PC 約定用法：R0：I/O指令約定使用，也是通用累加器,對內(nèi)存

34、和 I/O接口的讀寫,/MIO（0：有內(nèi)存或串口讀寫，1：無） REQ （0：讀寫內(nèi)存， 1：讀寫串行口） /WE （0：寫操作， 1：讀操作）,0 0 0 寫內(nèi)存,0 0 1 讀內(nèi)存,0 1 0 寫串口,0 1 1 讀串口,1 XX 無內(nèi)存和串口的讀寫操作,對內(nèi)部總線和特定寄存器的控制,選擇送內(nèi)部總線的信息來源 DC120 信號名稱 注釋 000 /SWTOIB 來自開關(guān) 001 /RTOIB ALU的輸出 010 /ETOIB 符號擴(kuò)展16位 011 /FTOIB 狀態(tài)位輸出 100 /STOIB 符號擴(kuò)展8位 101 /INTVH 中斷向量的 110 /INTVL 高、低 8 位 110

35、 NC 不用,控制指定寄存器接收信息 DC220 信號名稱 注釋 000 NC 不用 001 /RIR 指令寄存器 010 /GARL 地址寄存器低位 011 /GARH 地址寄存器高位 100 /INTR 取原中斷優(yōu)先級 101 /INTN 置新中斷優(yōu)先級 110 /EI 開中斷 110 /DI 關(guān)中斷,控制器提供的控制信號(微指令格式),B55 B48 微下地址 B47 B40 B39 B32 CI3 CI0 SCC30 0/MIO REQ /WE 0 I2I0 B31 B24 B23 B16 SA I8I6 SB I5I3 B口 A口 B15 B8 B7 B0 0 SST SSH SCI

36、 0 DC2 0 DC1,下址 CI30 SCC30 0MRW 0 I20 SA I86 SB I53 B口 A口 0 SST SSH SCI DC2 DC1,00 E 0 4 3 2 0 5 5 0 1 3 0 00 E 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 00 2 0 4 0 1 0 0 0 0 0 0 0,30 3 0 4 1 B 8 0 0 1 0 0 0 3 0 4 4 B 8 0 0 0 0 0 0 3 6 4 7 1 0 0 0 0 0 3 2 30 3 0 3 7 3 0 0 0 0 0 0 0 00 E 0 4 3 2 0 5 5 0 1 3 0 00 E 0 1 7

37、 0 0 0 0 0 0 0 0 00 E 0 4 3 3 1 4 0 0 0 3 0 30 3 0 0 2 2 0 5 5 0 0 0 1,指令執(zhí)行流程表舉例,ADD DR, SR MVRR DR, SR CALA ADR IN IO-PORT,時序控制 信號 形成部件,OP IR,PC,接口 輸 出 設(shè) 備,主存儲器 部件,運算器 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（如 C Z V S等 ）,主振,組合邏輯控制器的組成和運行原理,程序 計數(shù)器,指令 寄存器,節(jié)拍 發(fā)生器,接口 輸 出 設(shè) 備,組合邏輯控制器 8 或16位的指令寄存器， 1 片100引腳的MA

38、CH， 5 片 8 輸出引腳的GAL， 二者互斥運行，構(gòu)成時序控制信號形成部件，提供35 位的控制信號。 2 片GAL與GAL3共同提供運算器A、B口信號。 節(jié)拍發(fā)生器(1 片GAL) ，產(chǎn)生 4 位節(jié)拍狀態(tài)信號。 2 片GAL用于啟動、停止等控制電路。 GAL1GAL7公用于組合和微程序兩種控制器。,組合邏輯控制器的組成與運行原理,在講解過微程序的控制器之后，再來討論組合邏輯控制器的組成和運行原理就變得容易了, 因為二者有很多共同點。 它們都用于控制指令的執(zhí)行過程, 并且使用幾乎相同的執(zhí)行步驟和幾乎完全相同的控制信號，來完成對控制器之外的其他各功能部件的控制作用，因此可以簡化對這些內(nèi)容設(shè)計原

39、理和方法的論述。,兩種控制器實質(zhì)性的差別，表現(xiàn)在處理指令各執(zhí)行步驟的接續(xù)關(guān)系的方案和給出時序控制信號的辦法完全不同，從而造成控制器的具體組成和運行原理、運行性能上的一些差異。從前兩頁的圖上可看出兩種控制器組成中的主要差異： 微程序控制器中的控存變成這里的時序信號產(chǎn)生部件，還取消了微指令寄存器；原來的下地址部件變成了這里的節(jié)拍發(fā)生器；原來的微地址映射部件變成這里的操作碼譯碼器；一些信號連接關(guān)系也有某些變化。,組合邏輯控制器的組成與運行原理,組合邏輯控制器是用節(jié)拍發(fā)生器（Timing，幾個觸發(fā)器構(gòu)成的時序邏輯電路）不同的狀態(tài)組合來區(qū)分一條指令不同的執(zhí)行步驟，因此，指令執(zhí)行步驟的接續(xù)是通過變換節(jié)拍發(fā)

40、生器的狀態(tài)組合完成的，不同于微程序控制器中通過下地址部件給出不同的微指令地址來實現(xiàn)。這里用節(jié)拍發(fā)生器取代了原來的下地址部件。,組合邏輯控制器是通過由 “與或” 兩級邏輯關(guān)系構(gòu)成的時序控制信號產(chǎn)生部件來直接給出全部的時序控制信號。送到第一級各“與門”的輸入信號是指令操作碼和節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍狀態(tài)(可能還有控制條件)，每個與門產(chǎn)生一個與項輸出，相關(guān)的與項輸出信號送到第二級的 “或門” ，每個或門輸出的就是一個時序控制信號。全部的時序控制信號由許多個 “與或”邏輯門給出。與用控制存儲器存放全部控制信號的微程序控制方案不同，這里用時序控制信號產(chǎn)生部件取代了原來的控制存儲器，還取消了那里的微指令寄存器線路

41、，把控制信號直接送到被控制的部件。,TEC-2000 8位機(jī)指令與執(zhí)行流程設(shè)計,TEC-2000 是在 TEC2 和 TEC-3 基礎(chǔ)上，經(jīng)過較大的改進(jìn)與完善重新設(shè)計的，分為 16 位和 8 位字長的兩種型號。 這里說的 8 位機(jī)，主要著眼點，是期望它能提供較高的實驗性能并具有較低成本。選擇 8 位機(jī)指令系統(tǒng)和確定其指令格式的工作比起 16 位機(jī)的同類工作更困難一些，每條指令的執(zhí)行步驟也會多出一到幾步，但從設(shè)計與實現(xiàn)的基本原理來看，與 16 位機(jī)還是有許多類似或相同之處。 關(guān)于該 8 位機(jī)控制器設(shè)計過程中，指令執(zhí)行步驟的劃分，使用的控制信號的選擇與確定，指令執(zhí)行流程設(shè)計等內(nèi)容不再贅述，直接跳過

42、，而是單刀直入地開始講解節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)，時序控制信號產(chǎn)生部件的設(shè)計與實現(xiàn)，特別要強(qiáng)調(diào)設(shè)計中有關(guān)的原理性知識，并順便提到一些實現(xiàn)中對所用電路的選擇原則。,TEC-2000 8位機(jī)基本指令系統(tǒng),指令格式 匯編語句 操作數(shù)個數(shù) CZVS 指令分組 功能說明 0000 DRSR ADD DR，SR 2 * A DRDR+SR 0001 DRSR SUB DR，SR 2 * A DRDR-SR 0010 DRSR AND DR，SR 2 * A DRDR and SR 0011 DRSR CMP DR，SR 2 * A DR-SR 0100 DRSR MOV DR，SR 2 A DR SR 10

43、01 00DR DEC DR 1 * A DRDR-1 1010 00DR SHR DR 1 * A DR,CDR/2 1011 01DR SHL DR 1 * A DR,CDR*2 1010 10IO IN IO port 1 A R0 I/O port 1010 11IO OUT IO port 1 A I/O port R0 1100 1XXX(DR) INC DR 1 * A DRDR+1 1100 00XX(DR) INC DR 1 * A DRDR+1 1111 1000 CLC 0 0 A C=0 1111 1001 STC 0 1 A C=1,TEC-2000 8位機(jī)基本指令系

44、統(tǒng),指令格式 匯編語句 操作數(shù)個數(shù) CZVS 指令分組 功能說明 1011 00SR PUSH SR 1 B SR 入棧 1011 01DR POP DR 1 B 出棧到 DR 1011 10SR STO SR 1 B R9 R8 SR 1011 11DR LOD DR 1 B DR R9 R8 1101 DR MVRD DR, DATA 2 B DRDATA 1111 1010 PSHF 0 B FLAG 入棧 1111 1011 POPF 0 * B FLAG出棧 1110 1000 JZ ADR 1 C Z=1 跳到ADR 1110 1001 JNZ ADR 1 C Z=0 跳到ADR

45、1110 1010 JC ADR 1 C C=1 跳到ADR 1110 1011 JNC ADR 1 C C=0 跳到ADR 1110 1100 JR ADR 1 C 無條件跳到ADR 1111 1100 CALL 0 C 調(diào)子程序 R11 R10 1111 1101 RET 0 C 子程序返回 1111 1111 JMP 0 D 長跳轉(zhuǎn)到 R11 R10,B、C組指令,TEC-2000 8位機(jī)指令執(zhí)行流程圖,R40,R50,ARLR4 C0, R4 R4+1,按RESET鍵,ARHR5 R5 R5+C0,讀內(nèi)存 IR 讀出內(nèi)容,ARL 低位地址,ARL 低位地址,寄存器之間的 數(shù)據(jù)運算與傳送

46、,寄存器之間的 數(shù)據(jù)運算與傳送,ARH 高位地址,ARH 高位地址,讀寫內(nèi)存,讀寫內(nèi)存,響應(yīng)與處理 中斷請求,1100,1000,0000,0010,0110,0111,1111,0100,0101,0011,1011,0001,1001,A組指令,D組指令,CALL RET,讀取指令的步驟,節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計原理,TEC-2000 8位機(jī)實現(xiàn)了30余條指令，使用了 13 個節(jié)拍（不含響應(yīng)中斷的步驟），為此，節(jié)拍發(fā)生器至少要使用 4 位觸發(fā)器，即必須保證有 24 13 的關(guān)系； 使用 4個觸發(fā)器（分別命名為 T3 T2 T1 T0）不同的狀態(tài)組合來區(qū)分每一個節(jié)拍，例如，用T3 T2 T1 T0

47、=1100 和 1000 來分別標(biāo)識最頂上一行的兩個節(jié)拍，如此等等，正象前頁一圖所示。如何為每個節(jié)拍分配 4個觸發(fā)器的狀態(tài)組合，需要遵循的原則是：盡量做到從當(dāng)前節(jié)拍切換到下一個節(jié)拍時，只有一個觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生變化，辦不到時，也要盡量使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化的觸發(fā)器數(shù)目最少。此外，還要考慮有利于對寫出的節(jié)拍發(fā)生器的邏輯表達(dá)式的邏輯化簡。前一頁給出的設(shè)計結(jié)果已經(jīng)較好地體現(xiàn)了上述設(shè)計要求。 接下來的工作是按上圖給出的設(shè)計結(jié)果，寫出設(shè)計與實現(xiàn)這一節(jié)拍發(fā)生器的線路所依據(jù)的邏輯表達(dá)式。,節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計原理,按照節(jié)拍狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的結(jié)果，設(shè)計與實現(xiàn)這一節(jié)拍發(fā)生器的邏輯線路的首要任務(wù)，是寫出該節(jié)拍發(fā)生器線路的邏輯表達(dá)式。

48、具體過程是，寫出反映每一個觸發(fā)器的完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換序列的邏輯表達(dá)式。在該表達(dá)式中，用一個與項表示在一個節(jié)拍中該觸發(fā)器取值為 1 的一種狀態(tài)，參加與運算的元素是進(jìn)到本節(jié)拍的前一個節(jié)拍的 4個觸發(fā)器的取值狀態(tài) （用 Ti 表示該觸發(fā)器的 1 狀態(tài)，則 /Ti 表示該觸發(fā)器的 0 狀態(tài)），和從前一個節(jié)拍得以進(jìn)到本節(jié)拍的限制條件（可能沒有），如指令組（用代表該指令組的表達(dá)式表示）或具體的一條指令（用相應(yīng)指令的操作碼表示）等。再把所有節(jié)拍中該觸發(fā)器取值為 1 的情形用或運算表示在一個表達(dá)式中。下面看處理 T3 的實際例子。 T3+ := /RESET + T3 * T2* /T1 * /T0 + /T3

49、* /T2* /T1 * T0 *(CALL+RET) + T3 * T2* T1 * T0 + T3 * /T2* /T1 * T0,節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計原理,在節(jié)拍狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中， T3 在 5 個節(jié)拍中取值為 1，特意用 標(biāo)明出來，故該表達(dá)式由 5 個或項構(gòu)成，也已用 標(biāo)明它們之間的對應(yīng)關(guān)系。每個或項由一個與運算式組成，表示該觸發(fā)器取值為 1 的一種狀態(tài)。第一個與運算式僅含/RESET信號，表示教學(xué)機(jī)剛加電啟動時，低電平信號使T3 為 1；第2、第4、第5項都僅由各自的前一個節(jié)拍的 4個觸發(fā)器的取值（狀態(tài)）的與運算組成，反映了從前一個節(jié)拍轉(zhuǎn)換到本節(jié)拍沒有限制條件。第 3項的與運算式的元素還包括

50、指令操作碼，表示僅在指令為 CALL 和 RET 時，才會出現(xiàn)這里的使 T3 為 1 的情況。 T3+ := /RESET + T3 * T2* /T1 * /T0 + /T3 * /T2* /T1 * T0 *(CALL+RET) + T3 * T2* T1 * T0 + T3 * /T2* T1 * T0,這里的 T3+ 為當(dāng)前狀態(tài)，:= 為時序邏輯賦值符，賦值符右側(cè)的T0 T3 為前一個節(jié)拍中各觸發(fā)器的值。賦值符兩側(cè)的同一個i 在時間上是不同的。,節(jié)拍發(fā)生器的邏輯表達(dá)式,若把前一個表達(dá)式中的 CALL 和 RET 符號換成對應(yīng)指令操作碼 IR7*IR6*IR5*IR4*IR3*IR2*/

51、IR1*/IR0 和 IR7*IR6*IR5 *IR4*IR3*IR2*/IR1*IR0，并對表達(dá)式進(jìn)行整理和適當(dāng)?shù)幕啠偷玫浇滩纳辖o出的最終結(jié)果。照此辦法可以寫出另外個觸發(fā)器的邏輯表達(dá)式。 節(jié)拍發(fā)生器設(shè)計中要考慮的幾個問題小結(jié)： 使用的觸發(fā)器的數(shù)目 n 盡量小，2n 用到的節(jié)拍數(shù)目總數(shù) 每次節(jié)拍變換時，使盡量少的節(jié)拍觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生變化 教學(xué)計算機(jī)中，選用 GAL20V8 芯片（支持與或兩級邏輯，可運行于組合邏輯方式和時序邏輯方式的現(xiàn)場可編程器件）實現(xiàn)節(jié)拍發(fā)生器，其輸入信號是節(jié)拍觸發(fā)器的輸出和指令的操作碼。其輸出的就是節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍狀態(tài)信號。 教學(xué)計算機(jī)對指令執(zhí)行流程設(shè)計和節(jié)拍發(fā)生器設(shè)計

52、，還強(qiáng)調(diào)指令執(zhí)行流程的清晰性和邏輯表達(dá)式更高的可讀性。,時序控制信號形成部件的設(shè)計與實現(xiàn),時序控制信號形成部件用于提供計算機(jī)各功能部件運行所要求的每一位控制信號。 設(shè)計與實現(xiàn)的過程是： 1. 設(shè)計指令執(zhí)行流程表； 2. 按流程表寫出每一位控制信號的邏輯表達(dá)式； 用一個與項表示一位控制信號在流程表的一個橫行中為 1 的情形； 用一個或項匯總這位控制信號在流程表中所用橫行中為 1 的全部情形； 按前兩步方法依次寫出每一個控制信號的邏輯表達(dá)式，若可能，適當(dāng)化減。 3. 編譯得到的邏輯表達(dá)式，并寫入現(xiàn)場可編程芯片中 4. 對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行調(diào)試、改錯，直到全部正確。 5. 把新設(shè)計的指令與原有指令用在同一程序中并運行，檢查設(shè)計結(jié)果的正確性。,TEC-2000 8位教學(xué)計算機(jī)幾條基本指令執(zhí)行流程表,5.