本書主要講述運算器、存儲系統(tǒng)、控制器、系統(tǒng)總線與總線接口、模型計算機、輸入輸出系統(tǒng)、精簡指令系統(tǒng)計算機、重疊處理機、流水線處理機等實驗(實踐)內(nèi)容。全書分為九章:第一章到第三章為部件實驗,研究組成計算機的每個部件的工作原理及設(shè)計方法;第四章為計算機系統(tǒng)總線設(shè)計實驗,提供了具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗和具有中斷、DMA功能的總線接口設(shè)計實驗。第五章為模型計算機設(shè)計實驗,通過對幾種不同復(fù)雜程度的模型計算機的設(shè)計,來研究計算機各部件是如何來配合工作的,并掌握設(shè)計一個計算機系統(tǒng)的方法。第六章為輸入輸出系統(tǒng)擴展實驗,通過對模型機的擴展設(shè)計,使之擁有中斷、DMA等功能,并通過對定時計數(shù)器8253的擴展及編程,使學生熟悉并掌握典型接口芯片的擴展應(yīng)用。第七章為精簡指令系統(tǒng)模型機設(shè)計實驗,通過CISC和RISC的比較說明當今主流的計算機指令系統(tǒng)及其設(shè)計方法。第八章為重疊模型機設(shè)計實驗,通過在CISC模型機的基礎(chǔ)上增加指令預(yù)取功能構(gòu)建模型機來說明重疊的思想。第九章為流水模型機設(shè)計實驗,通過具體的流水模型機設(shè)計體現(xiàn)當今主流機器的設(shè)計方法。
書中所含實驗項目豐富,內(nèi)容完善,各學?梢愿鶕(jù)自己的教學計劃和教學特點選取教學內(nèi)容。例如:對于書中應(yīng)用大規(guī)?删幊踢壿嬈骷﨏PLD的章節(jié),需要讀者具有CPLD器件及其設(shè)計方法等方面的基礎(chǔ)知識,可以作為EDA在模型機設(shè)計應(yīng)用中的參考教程;對于沒有學習過“計算機接口技術(shù)”課程內(nèi)容的學生,可以通過第4章和第6章對系統(tǒng)總線的介紹和外圍接口芯片的擴展應(yīng)用部分來學習。
本書是與“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實驗教學相配套的實驗教程,采用的實驗系統(tǒng)是西安唐都科教儀器公司研發(fā)、生產(chǎn)的TDCMA實驗教學系統(tǒng)。
全書分為9章,其中第1章到第6章為“計算機組成原理”實驗:
第1章到第3章為部件實驗,研究組成計算機的每個部件的工作原理及設(shè)計方法;
第4章為計算機系統(tǒng)總線設(shè)計實驗,提供了具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗和具有中斷、DMA功能的總線接口設(shè)計實驗;第5章為模型計算機設(shè)計實驗,通過對幾種復(fù)雜程度不同的模型計算機的設(shè)計,來研究計算機各部件是如何配合工作的,并掌握設(shè)計一個計算機系統(tǒng)的方法;第6章為輸入輸出系統(tǒng)擴展實驗,通過對模型機的擴展設(shè)計,使之擁有中斷、DMA等功能,并通過對定時計數(shù)器8253的擴展及編程,使學生熟悉并掌握典型接口芯片的擴展應(yīng)用。
第7章到第9章為“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實驗,可作為“計算機組成原理”探索型實驗或課程設(shè)計內(nèi)容:
第7章為精簡指令系統(tǒng)計算機設(shè)計實驗,通過CISC和RISC的比較,說明當今主流的計算機指令系統(tǒng)及其設(shè)計方法;
第8章為重疊處理機設(shè)計實驗,通過在CISC模型機的基礎(chǔ)上增加指令預(yù)取功能來構(gòu)建模型機,說明重疊的思想;
第9章為流水線處理機設(shè)計實驗,通過具體的流水線處理機設(shè)計來體現(xiàn)當今主流機器的設(shè)計方法。
附錄部分為該系統(tǒng)的用戶手冊,主要介紹軟硬件的安裝配置以及微程序流程圖編程方法。
書中所含實驗項目豐富,內(nèi)容完善,各學校可以根據(jù)自己的教學計劃和教學特點選取教學內(nèi)容。例如:對于書中應(yīng)用大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD的章節(jié),需要讀者具有CPLD器件及其設(shè)計方法等方面的基礎(chǔ)知識,可以作為EDA在模型機設(shè)計應(yīng)用中的參考教程;對于沒有學習過“計算機接口技術(shù)”課程內(nèi)容的學生,可以通過第4章和第6章對系統(tǒng)總線的介紹和外圍接口芯片的擴展應(yīng)用部分來學習。
本書由武漢華夏理工學院田夏利、熊瑩擔任主編,由哈爾濱遠東理工學院李濤、武漢華夏理工學院汪汝和劉琳琳、大連工業(yè)大學藝術(shù)與信息工程學院王文娟、大連科技學院姜尚擔任副主編。ziu后由田夏利審核并統(tǒng)稿。
由于編者水平有限,加上計算機技術(shù)飛速發(fā)展,新的理念和技術(shù)層出不窮,在本書中會存在一些問題和錯誤,懇請廣大讀者批評指正(Email:hustpeiit@163.com)。
編者
2017年4月
第1章運算器1
1.1基本運算器實驗1
1.2超前進位加法器設(shè)計實驗6
1.3陣列乘法器設(shè)計實驗12
第2章存儲系統(tǒng)14
2.1靜態(tài)隨機存儲器實驗14
2.2Cache控制器設(shè)計實驗18
第3章控制器24
3.1時序發(fā)生器設(shè)計實驗24
3.2微程序控制器實驗26
第4章系統(tǒng)總線與總線接口37
4.1系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗37
4.2具有中斷控制功能的總線接口實驗41
4.3具有DMA控制功能的總線接口實驗43
第5章模型計算機46
5.1CPU與簡單模型機設(shè)計實驗46
5.2硬布線控制器模型機設(shè)計實驗53
5.3復(fù)雜模型機設(shè)計實驗56
第6章輸入輸出系統(tǒng)71
6.1帶中斷處理能力的模型機設(shè)計實驗71
6.2帶DMA控制功能的模型機設(shè)計實驗85
6.3典型I/O接口8253擴展設(shè)計實驗92
第7章精簡指令系統(tǒng)計算機97
7.1計算機的指令系統(tǒng)97
7.2基于RISC技術(shù)的模型計算機設(shè)計實驗99
第8章重疊處理機105
8.1重疊的基本原理和思想105
8.2基于重疊技術(shù)的模型計算機設(shè)計實驗106
第9章流水線處理機117
9.1流水線的原理及基本思想117
9.2基于流水技術(shù)的模型計算機設(shè)計實驗119
附錄125
附錄ATDCMA系統(tǒng)概述125
A.1系統(tǒng)功能及特點125
A.2系統(tǒng)構(gòu)成128
附錄BTDCMA系統(tǒng)的配置與安裝128
B.1系統(tǒng)的配置128
B.2系統(tǒng)的安裝129
附錄CTDCMA系統(tǒng)硬件環(huán)境130
C.1系統(tǒng)硬件布局圖130
C.2系統(tǒng)電源131
C.3系統(tǒng)實驗單元電路132
C.4注意事項146
附錄DTDCMA系統(tǒng)集成操作軟件146
D.1與PC聯(lián)機說明146
D.2軟件操作說明147
附錄ETDCMA系統(tǒng)常見故障的分析及處理154
附錄F微程序流程圖編程方法154