计算机组成原理与系统结构实验系统TEC-4

欢迎了解创元素电子实验设备公开计划。回忆起往昔在学校学习电子电路等相关技术基础课的时候,相信很多同学或已经参加工作的朋友们应该都深有同感。除了课堂单纯的讲解,课本里反反复复看不懂的说明,为应付考试而不断刷题乏味,缺乏直观的实验演示(现在应该是草草在实验室走了个过场),最终导致了大家对专业的学习和应用缺乏信息。之所以心里没底气,原因其实很简单,书上讲解的基本电路没搭过没测试过,实验室里的各种仪器也做不了熟练上手的操作。

事实上,实验是学习电子技术的一个重要环节。对巩固和加深课堂教学内容,高学生实际工作技能,培养科学作风,为学习后续课程和从事实践技术工作奠定基础具有重要作用。当今我们的许多一流高校并不缺乏相应的经费,其实验室也有良好的实践条件。然而,提供给好学者的机会是不多的,种种管理制度上的原因,大家能随时随地使用这些硬件条件往往也不具备。很多同学和爱好者就和我们早期一样,在宿舍、在自己的家里自己进行补充学习和自行搭建各种实验条件,这也是催生爱好者们到处在网上交流和寻找各种实践机会和条件。

从各种单片机开发板、趣味电子实验书籍资料等等,虽然其优势和自身的特点,但绝大部分其实与学校里的科班培养计划课程及标准教科书脱节较远,并不太能帮助将来成为专业从业者的学生建立严谨的学科体系知识,进而登堂入室。另一方面,由许多校企及专业供应高校实验室建设的公司生产制造了大量相关的实验设备器材和配套资料,通过专门的业务途径或教育系统关系进入到高校的采购之列,然而这些产品价格高昂且一般人无法通过官网或互联网上等渠道自由获取相关资料学习和实践。

有一些朋友在知道我们通过各种途径收集了大量本科电类专业的课程的实验器材后,希望向我获取相关资料、租用设备,并建议我公开分享相关资讯。由于工作忙碌和器材陈旧等各种原因,我一直并未认真整理分享相关资讯。但近日又有高校师生叩门联络并痛陈其专业教材阅读及欲实践无门之苦,又相关实验器材行业并无技术门槛且罔顾版权互抄严重,如非特殊采购机制,此类教育器材硬件贩售实难为公司牟利之主源,发达国家诸多此类教育相关资讯均已CC协议公开,并借由创客运动得到广泛传播。该应用故我摒弃非原创资料价值之疑虑,趁疫情居家期间尽数整理相关资料并通过各类渠道分享。部分资料及硬件采购资讯不易通过网页等方式分享的,或欲进行相关教学合作的同仁,欢迎通过微信ID:zhangchengwust 与我接洽,交流相关资讯。祝专业教学研之路顺遂,取得建树。

这是一个8位计算机模型系统,可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验。对提高学生的动手能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、提高学生的计算机系统综合设计能力都会有很大帮助。有一个指导实验的计算机组成原理实验辅助教学软件。

▲ 技术性能及特点

1.      采用单板式结构、计算机模型简单、实用。计算机模型分为数据通路、控制器(包括时序电路)、控制台、用户自定义区四部分,划分清晰。各部分之间采用可插、拔的导线连接,接线采用自锁紧累接方式,接线可靠。

2.      指令系统采用4位操作码,容纳16条指令,已实现了加、减、与、乘、存数、取数、转移、条件转移、停机、开中断和中断返回12条指令,其他4条指令备用。

3.      数据通路采用双端口存储器作为主存,实现了数据总线和指令总线双总线体制,能实现指令流水性能。

4.      运算器采用一片ispLSI1024实现,寄存器堆采用一片ispLSI1016实现,设计新颖。运算器能完成加、减、乘、与、直通五种运算。实现硬件乘法是本机的一大特色;寄存器堆内含4个8位寄存器,实现两个端口读、一个端口写操作。

5.      控制器有微程序控制器和组合逻辑控制器两种类型,每种类型又有流水和非流水两种方案。出厂时提供的是微程序控制器。学生可用自己设计的控制器代替微程序控制器,设计的控制器可以是常规控制器,也可以是流水控制器。

6.      实验台上提供了一片在系统编程器件ispLSI1032,学生在PC机设计好组合逻辑控制器方案后下载到ispLSI1032中,ispLSI1032就构成了新的控制器。控制器的设计并实现对提高计算机综合设计能力会有很大帮助。

7.      时序电路由一个500KHz晶体振荡器和2片GAL22V10组成。一条微程序分为4拍。一条组合逻辑指令由4个周期组成,1个周期由4拍组成。

8.      控制台包含8个数据开关,用于置数功能;16个双位开关,用于置信号电平;28个LED指示灯,用于显示地址、数据、微指令、进位和中断允许。控制台有复位、启动、和中断三个单脉冲发生器,有单拍、单步、单指令三个开关。控制台有5种操作:写存储器,读存储器,读寄存器,写寄存器,启动程序运行。

9.      用户自选器件实验区,供做中、小规模器件实验使用。

10.   逻辑笔一支。

11.   采用模块电源,重量轻,具有抗电源对地短路能力。

12.   接线采用自锁紧累接方式,接线可靠。

13.   计算机组成原理实验辅助教学软件

▲ 实验内容

1.运算器组成实验

2.双端口存储器原理实验

3.数据通路组成实验

4.微程序控制器组成实验

5.CPU组成与机器指令执行实验

6.中断实验

7.常规硬布线控制器的设计和调试

8.流水硬布线控制器的设计和调试

9.流水微程序控制器的设计和调试

▲     配套资料

TEC-4A计算机组成原理实验系统教师用实验指导书

▲ 推荐教材              

《计算机组成原理》(含CAI光盘)                    白中英主编

(本书获2005年国家教育成果二等奖)

《计算机组成原理题解、题库与实验》(含试题库光盘)  白中英、杨春武主编

(本书获2005年国家教育成果二等奖)

《计算机硬件基础课实验教程》                  白中英、杨春武、冯一兵主编

目     录

 

前言LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL2

TEC—4计算机组成原理实验系统LLLLLLLLLLLLLL 3

 

基本实验

运算器组成实验LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL13

双端口存储器原理实验LLLLLLLLLLLLLLLLLLL18

数据通路组成实验LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL22

微程序控制器组成实验LLLLLLLLLLLLLLLLLLL28

CPU组成和机器指令执行实验LLLLLLLLLLLLLLLL40

中断原理实验LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL45

 

课程设计

硬布线控制器的设计与调试LLLLLLLLLLLLLLLLL50

流水微程序控制器的设计与调试LLLLLLLLLLLLLLL61

流水硬布线控制器的设计与调试LLLLLLLLLLLLLLL70

 

 

附录LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL78

 

 

 

 

   

 

计算机组成原理是大学计算机专业的一门专业基础课程。清华同方股份有限公司和北京邮电大学白中英教授合作,开发出TEC—4计算机组成原理实验系统。在这个实验设备上,既能够做计算机组成原理课程的实验,又能够进行计算机系统结构课程的流水实验。该实验设备计算机模型简单、实用,运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰,为学生提供了很多的动手条件,有利于提高学生学习的主动性和创造性。

为了更好地使用TEC—4计算机组成原理实验系统,我们编写了这本《教师用实验指导书》。它是TEC—4计算机组成原理实验系统的配套资料。本书提供了9个实验,其中6个基本实验,3个课程设计。对每个实验提供了接线图、实验步骤及实验结果;对3个课程设计提供了参考方案。当然,每个实验的接线方法或者源程序绝不是唯一的,实验结果也会有所不同。本书提供的接线图和源程序只是许多接线方法、源程序中的一种,只能作为参考。这些接线图、源程序和实验结果都经过实际实验验证。本书的目的是希望减少教师设计、准备、调试实验的劳动,让教师把主要精力集中在提高教学质量上。各位老师在使用中如果发现错误和不妥之处,欢迎提出宝贵意见,以便将来改进。

除了本书外,TEC—4计算机组成原理实验系统还有另一本配套资料《计算机组成原理题解、题库和实验》,这是一本科学出版社出版的学生用书。该书由北京邮电大学的白中英教授和我们共同编写,可作为TEC—4计算机组成原理实验系统的使用说明书。两本资料配合使用,效果更好。

敬请读者提出宝贵意见。

 

清华同方股份有限公司

教学仪器设备公司

2001年1月

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一节 TEC—4计算机组成原理实验系统

 

   TEC—4计算机组成原理实验系统由北京邮电大学计算机学院、清华同方教学仪器设备公司、深圳拓普威电子技术有限公司联合研制。它是一个8位计算机模型实验系统,可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验,对提高学生的动手能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、提高学生的计算机系统综合设计能力都会有很大帮助。

 

一、TEC—4计算机组成原理实验系统特点

  • 计算机模型简单、实用,运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。
  • 计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制,能够实现流水控制。
  • 控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型,每种类型又有流水和非流水两种方案。
  • 寄存器堆由1片ispLSI1016组成,运算器由1片ispLSI1024组成,设计新颖。
  • 实验台上包括了1片在系统编程芯片ispLSI1032,学生可用它实现硬布线控制器。
  • 该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中断、CPU组成与机器指令执行、流水微程序控制器、硬布线控制器、流水硬布线控制器等多种实验。
  • 电源部分采用模块电源,重量轻,具有抗电源对地短路能力。
  • 采用自锁紧累接接线方式,接线可靠。

 

  • TEC—4计算机组成原理实验系统的组成

TEC—4计算机组成原理实验系统由下述六部分组成:

  • 控制台
  • 数据通路
  • 控制器
  • 用户自选器件试验区
  • 时序电路
  • 电源部分

下面分别对各组成部分予以介绍。

 

  • 电源

电源部分由一个模块电源、一个电源插座、一个电源开关和一个红色指示灯组成。电源模块通过四个螺栓安装在实验台下面。它输出+5V电压,最大负载电流3安培,内置自恢复保险功能,具有抗+5V对地短路能力。电源插座用于接交流220伏市电,插座内装有保险丝。电源开关用于接通或者断开交流220伏市电。当电源模块输出+5V时,点亮+5V红色指示灯。

 

  • 时序发生器

时序发生器产生计算机模型所需的时序。时序电路由一个1MHz晶体振荡器、2片GAL22V10(U6和U7)组成,位于控制存储器的右边。根据本机设计,执行一条微指令需要4个时钟周期T1、T2、T3、T4,执行一条指令通常需要取指、送操作数、运算、写结果四个节拍,因此本机的基本时序如下:

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