主任： 李晓明副主任： 蒋宗礼卢先和委员： （按姓氏笔画为序）

马华东马殿富王志英王晓东宁洪  

刘辰孙茂松李仁发李文新杨波

吴朝辉何炎祥宋方敏张莉金海

周兴社孟祥旭袁晓洁钱乐秋黄国兴

曾明廖明宏秘书： 张瑞庆

前言FOREWORD本书是《计算机组成与体系结构(第3版)——基本原理、设计技术与工程实现》的配套教材，重点讲解教学实验设备和教学实验项目，并把不宜在主教材过多涉及的部分内容(计算机硬件系统的设计技术与工程实现方法)安排到本书中进行讲解。

教学实验设备TECXPⅡ计算机系统，是TECXP+的升级版，指令系统典型实用，硬件组成简单清晰，软件配置基本够用，是计算机组成原理课程比较理想的实验设备。该设备实现的功能有所增加，但使用方式和操作界面与此前的产品保持良好的一致性，避免增加授课教师的工作负担，而设计技术和实现手段有了重大改进升级，大幅降低了学生学习和完成实验的难度，主要体现在以下10个方面。

(1) 把硬布线控制器和微程序控制器拆分开来，用两个ABEL程序分别描述并独立实现，使描述控制器组成与功能的ABEL程序大为精简，使学生更容易看清学懂，使两种类型的控制器实现不再相互搅和，选用哪一种控制器就把哪一种控制器的.jed文件下载到控制器芯片。

(2) 取消原来在主板上的某些电路，把它们移入控制器芯片中实现，仅把指令寄存器IR设置在主板上。减少了所用器件数量，更重要的是确保设备主板上提供的都是核心必要电路，能更清楚地展现计算机功能部件及其相互连接与信息传输关系，有利于教师授课和学生的实验操作。非常明确地把设备主板上的电路区分成核心功能器件和辅助型元器件两大类，强调辅助电路只是用于硬件调试，学生会用即可，不属于计算机组成原理课的教学内容。

(3) 把指令计数器PC从运算器部件中移出，设置到控制器芯片中，确保读取指令操作能够在一个步骤中完成，使全部指令都能在2～4个步骤中完成，既易于实现也更为合理。

(4) 在描述CPLD芯片内部的电路组成与实现功能方面，选用的是ABELHDL硬件描述语言，用到的只限于数字电路和逻辑设计的基本知识，外加一点ABEL程序结构和语句规则、实现功能的有关规定，容易学懂，方便使用；最重要的变动是在ABEL程序中，改用真值表描述每一条指令的每一执行步骤使用的控制信号，使控制器设计中最为烦琐的工作变成只需在真值表中直接编辑这些控制信号，而不再是劳心费力地设计每一位控制信号的逻辑方程，极大地提高了ABEL程序的可读性，特别是在真值表的注释部分提供了汇编语句名称、指令在这一步骤执行的功能、标志位维护要求等注释信息之后，可以看清运算器、存储器、串行接口和输入输出设备这几个执行部件，在每一条的每一个执行步骤执行的是什么功能，以及向它们提供什么控制信号才能使其完成各自的功能，把计算机组成原理的核心内容直观清晰地展现出来。

(5) 对控制器的节拍发生器(Timing)、程序计数器(PC)、内存的地址寄存器(AR)、运算器的标志位寄存器(Flag)等时序逻辑电路，在ABEL程序中是通过逻辑方程描述的，即直接使用逻辑方程语句描述这些电路应该在什么条件下接收什么信息，或者在哪些时刻需要送出其输出到哪个部件，简明严谨、直观清楚，特别是为有关语句提供了较为详细的注释信息，在真值表的注释部分又提供了维护和使用这些时序电路的要求之后，使读懂和理解这些逻辑方程语句变得更为轻松。

(6) 在CPLD芯片内可以实现一个16个字的小ROM电路，用于编辑、保存测试程序，确保在监控程序尚不能运行或者尚未接入内存储器的情形下，也能调试控制器或者CPU的部分指令，检查新扩展的指令是否正确运行，这是一项颇有新意、简单有效的调试手段。

(7) 在CPLD芯片内设置用于中断的电路，此时可以通过关闭掉微程序控制器Am2910芯片的电源使其不运行，腾出了它与CPLD芯片进行连接的24个管脚，用于显示中断请求、响应、处理过程中的有关信号，更有利于学生理解中断的运行原理和运行机制。

(8) 为实验计算机设置3种运行方式，即正常方式(程序在内存中)、测试方式(程序在CPLD芯片内的ROM中)、手拨指令方式(指令来自钮子开关)，程序既可以连续运行，也可以单步骤运行。可以通过设备主板上的3个功能开关来选择这3种运行方式。

对这3种运行方式中的正常方式未做赘述，测试方式更多地用于调试扩展指令，手拨指令方式在此前的设备中也是有的，但多数人对此认识不足，较少使用，在这一款设备中我们进一步强调了它的功能，进行了必要说明，主要针对的还是硬件设计中的调试问题。

(9) 在设备的主板上加入了3个40管脚的器件插座，可以方便地插接多种型号的双列直插封装、不同管脚数的中小规模集成电路芯片，并能够实现各器件的各个管脚之间的随意连接，成为电子线路和逻辑设计实验的通用平台，给出的实验项目简单，大体对应主教材第2章的教学内容，对此前没有学习过数字电路与逻辑设计课程的同学显得尤为重要。

(10) 在设备主板上设置了6组8位的通用钮子开关，4组8位的通用指示灯，并在计算机部件之间传送信息的主要通路上设置了专用的指示灯和接线插针(孔)，能够更方便地支持手工的单个重要芯片的功能实验，芯片之间配合关系的实验，单个部件的功能实验，几个部件之间的连接和组合运行的实验，以及部件拆分和构建整机系统的实验，提供了其他同类实验设备难以实现的实验手段。可以这样说，计算机内部指令的执行步骤、数据存储、信息传送、运算功能和执行结果以及每个步骤用到的控制信号的状态等都可以通过指示灯清楚地看到，在实验计算机系统内部发生的每一点变化、每一项操作及其效果都清楚地显示在实验计算机的主板上，无须通过其他手段将其采集起来并传送到PC的屏幕上进行显示。

与本套教材配套的还有电子版教学课件，重点教学与实验内容的动画演示。这些文件将放置在清华大学出版社的网站，供用户单位随时下载使用。

由于作者水平所限，书中可能有一些不足甚至不当之处，欢迎读者批评指正。

前言计算机组成与体系结构（第3版）实验教程

编者2017年6月