对计算机组成原理课程教学的几点看法

对计算机组成原理 课程教学的几点看法清华大学计算机系 王 诚,“计算机组成原理”课程教学的难点,课程教学的主要难点表现在：、课程直接应用目标不很清晰，学生重视程度不够；课程内容比较繁杂，讲课过程中一般性的原理叙述偏多，大量的工程性、技术性的内容难以处理，课程总体内容梳理不清，比较难以记忆；、计算机内部信息（指令、数据、控制信号）在各部件之间的保存、运算、传送的运行状态难以直接观察，也难以表述的很清楚深入，学生反映理解起来比较难以清晰到位；、适当的教学实验是重要教学环节，一些学生对此重视不够，加上部分教师缺乏硬件设计的工程背景，使教学活动变成了比较抽象、空泛、缺乏活力的说教式的文字表述，进一步加重了课程内容理不清、难记忆、难理解的矛盾。,1,对“计原”课程教学的几点看法,1、在几门硬件类课程中，“计原”占据核心地位。 2、课程应以简单(单CPU)计算机的基本组成 (以体现基本原理为底线，满足教学大纲要求)和 基本原理与概念(正确即可,不求最好)为主。把握这里所说的“基本”的尺度是重要的，看几个有关例子。 3、处理好通用原理，原理示例，典型产品这个层次的轻重程度及彼此的关系有助于改进教学质量。 4、教学过程中可否选用人类的自然语言、硬件描述语言，计算机硬件框图等表述不同教学内容。 5、 把现代化的教学手段引入不同的教学环节，例如制作带有简单动画的 PPT 教学课件来进行授课。 6、加强教学实践环节，达到什么程度，可在 验证为主， 完成适当功能扩展， 设计实现、调试运行新的计算机整机系统这个层次上进行选择。,4 - 8,10-20,21-31,32-50,9,2,对“计原”课程教学的几点看法,1、在几门硬件类课程中，“计原”占据核心地位。数字门电路与逻辑设计是必修的先导课程；计算机系统结构通常是必要的后续课程，与计原课程有相当多的内容是有重合的。“计原”课程更应该强调其基础性，以简单计算机的基本组成、基本原理与概念为主，突出教学实践环节，把设计实现、调试运行简单计算机整机系统作为奋斗目标，听起来会觉得很难，分析并经过实践后发现是可以做到的，也许会取得更好的教学效果。“系统结构”课程更多地注重知识的系统与完备性，强调提高计算机系统的性能和性能价格比的思路和技术方案，把多种可行的并行处理技术作为重点，全面提升学生分析问题、解决问题的能力。“计原”强调基础，“系统结构”重在提高。,3,对“计原”课程教学的几点看法,2、“计原”课程应以简单(单CPU)计算机的基本组成 (以较好体现基本原理为底线，满足教学大纲要求 )的基本原理与概念 (正确即可，不求更好)为主，把设计实现、调试运行一个简单计算机整机系统作为一种探索和重要教学手段贯穿到各教学环节和教学资源建设中，其中最为关键的因素是授课和实验指导教师的教改欲望和适应能力，当然还涉及已有教学资源条件。授课环节和教材内容必须讲清基本原理知识，又强调要结合特定计算机实例给出各部件的功能、组成及其设计实现技术，包括指令系统 (含简单汇编程序设计)、运算器、控制器、主存储器、总线和接口、中断响应与处理，当我们把这些部分合成在一起时，就得到我们要实现的简单的计算机整机系统。若为系统配备简单的软件就更为完整和好用了。 以 CPU 和 Cache 为例看看其基本组成的基本原理。,4,（1）CPU 的基本组成和功能,“计原”课程应以简单计算机的基本组成 、基本原理与概念为主。怎么来把握这里的所说的“基本”的尺度是必须回答的问题之一。例如可首先用下图所给内容来学习 CPU，之后再补充完善。,以定点运算器为主进行讲解,以多指令周期方案为主讲解控制器,5,MIPS计算机硬件主机系统组成的例子,由 存储器、 控制器部件 和 运算器部件 组成(PC、IR、Timing、CU) (寄存器堆、ALU),6,Tag,（2）CACHE的基本运行原理,DATA MEMORY,数据总线,译码选一单元,比较选中一行,地址总线,V ADDR DATA,CPU,为了简单，先假定主存和高速缓存都按字读写。主存容量为 M个字，Cache容量为 C个字 (M>>C)。以读操作为例看二者运行过程。CPU提供主存的字地址,经译码选中一个主存字单元并读出这个字的内容。同时也要通过这个字地址到Cache中去查找这个字,但却不能通过译码的方案来完成 (是因为地址位数多，Cache的存储单元个数少)，而是用这个地址去与Cache中相关 Tag 字段的内容进行比较，其内容一致且有效位 V为1 的那行中的DATA是要读的字。可见 Tag 字段保存的是被读字的主存地址。,CACHE,Cache两个字段的内容是读主存时复制进去的。 在读出主存的一个字送CPU的同时，还要把这个字连同它的地址一起写入Cache，并置有效位V 为 1。实现中，要设法减少 Tag 的个数和位数(长度)，提高 Cache 的命中率。,7,8,对“计原”课程教学的几点看法,3、 把主要的教学内容划分为基本通用原理、简明原理示例、典型产品现状这样个层次来区别对待。基本通用原理是基础，其特点是稳定性（不随时间变迁而改变）和通用性（不随具体机型而变化），是学生要重点掌握的部分。强调知识的基础性原理，所用文字并不是太多，是容易学懂的。简明原理示例用于增加对所学知识的理解深度和应用能力，强调运用学习到的基本原理知识，学懂或者设计实现一台硬软件基本完整、实现简单（易懂、价廉）、但不一定是最理想（不追求更完备的性能、更好的实用价值）的计算机系统的方法与过程，认识把原理转化成真实的计算机系统需要解决的各种技术与工程、性能价格比等平衡关系。典型产品现状用于展现某些特色突出的计算机系统中的典型实例，给出其设计实现的结果及其外特性,可以体现用到的基本原理，更强调让学生了解当前计算机的技术水平和发展现状。,9,对“计原”课程教学的几点看法,4、授课过程中如何表述计原教学内容很值得探讨。最常用、可谓放置四海而皆准的是使用人类的自然语言，万能但难以特别简明、严格表达计原课程中的某些教学内容；选用专用的硬件描述语言，例如VHDL、Verilog , 多数人不熟悉但却能够以特别简明、严格的方式表达计原课程中的某些教学内容，又可以将其用于设计计算机部件与整机系统；结合阅读计算机部件与整机框图的方式（个别细节可能涉及原理性线路图）学习计原课程是必要的。这三种方式表达的是同一个事实，同样的道理，但各有其特色和优缺点，互补性极强。若能合理选用这三种方式并取舍得当，定会取得很好的教学效果。下面看一看对运算器Am2901芯片的三种表述。,10,定点运算器的基本功能与组成 （基本通用原理）,完成算术与逻辑运算功能 算术逻辑单元（ALU） 暂存参加运算的数据和结果 通用寄存器组（REGs） 保存和送出运算结果的状态（Flags） 乘除法运算的硬件线路支持 乘商寄存器或乘除法结果寄存器运算器部件的英文名称有时使用 Data Path,通过几组多路选择器电路实现相互连接，以便数据传送。,11,定点运算器 Am2901芯片的例子,Am2901是上个世纪70年代初的产品，这是一个充分反映那个时期集成电路发展水平和计算机实现技术、位的位片结构的运算器芯片，虽然位数较少但组成完整，作为教学实例具有很好的典型性，使用片 Am2901芯片可以构成 16 位字长的运算器部件。围绕这个运算器设计实现的CPU并进而构建的教学计算机系统TEC-2、TEC-2000在我们系的课程建设中发挥过很重要的作用，对全国众多高校计算机组成原理课程的教学和实验变革也产生了较为深远的影响，我们的实验箱仍支持这套系统。,12,二选一,B 16个 A 通用寄存器,三选一,二选一,三选一,三选一,A L U S R,B锁存器,A锁存器,乘商寄存器Q,Cn,/OE,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,输出Y,F3 F=0000 OVR Cn+4,输入D,A口地址,B口地址,Am2901内部组成,组成 算逻运算部件 通用寄存器组 乘商寄存器 Q功能 8种运算功能 8种数据组合 8种结果处理,13,定点运算器 Am2901芯片的例子,芯片的第1个组成部件是位的算逻运算单元ALU，它的输出为F，两路输入分别用R和S标记，还有送入ALU最低位的进位信号Cn，能实现 R+S、S-R、R-S三种算术运算功能，和RS、RS、RS、RS、RS五种逻辑运算功能。在给出运算结果的同时，还送出向高位的进位输出信号Cn+4，溢出标志信号OVR，最高位的状态信号F3 (可能用作符号位)，以及运算结果为零的标志信号 F=0000。第个组成部件是由16个位的寄存器组成的寄存器组，可以双端口(A口和B口)控制读出，单端口(B口)控制写入。两路读出数据分别用A、B标记，经锁存器线路可以送到ALU的R、S输入端，A口读出数据还可以用作该芯片的可选输出，寄存器组写入数据由多路选择器给出，以便支持每次左、右移功能。第个组成成分是一个位的寄存器，主要用于实现硬件的乘法、除法指令，能对本身的内容完成左、右移位功能，能接收ALU的输出，输出送到ALU 的S 输入端。,14,运算器的工作时序,运算器需要用到时钟信号 CP， 请注意它的两个跳变沿和低电平的作用。,A、B口数据锁存,通用寄存器接收,Q 寄存器接收,个时钟周期,表明Q由 D-型触发器组成，并在时钟上升沿执行写入，是边沿触发方式。,表明通用寄存器由R-S型触发器组成，并在 时钟的低电平期间执行写入，是电平触发方式。,在时钟前半个周期输出的是当前的输入信号，并在时钟下降沿完成锁存，之后输出已锁存的内容，不再受输入信号变化影响。,寄存器正在输出的是前一个时钟结束时接收的输入数据,锁存器正在输出的是本时钟开始时的输入数据,15,Am2901的控制信号汇总表,编码 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 000 Q F F R + S A Q 001 F S R A B 010 B F A R S 0 Q 011 B F F R S 0 B 100 B F/2 Q Q/2 F RS 0 A 101 B F/2 F RS D A 110 B 2F Q 2Q F RS D Q 111 B 2F F RS D 0,B Q Y,R S,16,Y118,Y30,D118,D74,D30,Cin,RAM0,Q0,Y74,4 片Am2901构成16位运算器,Vcc R,RAM3,Q3,17,定点运算器 Am2901芯片的特点,1、Am2901芯片受当时可达到的集成度限制，只能做成位的位片结构，虽然位数较少但组成完整，作为教学实例具有良好的典型性，使用片 Am2901芯片可以构成 16 位字长的运算器部件。芯片内的位加法器之间实现并行进位，并且每个芯片都给出进位产生信号G 和进位传送信号P，用于实现4个芯片之间并行进位，需要经过 Am2902芯片完成。2、内部设置乘商寄存器，用于支持硬件原码一位乘除法指令的设计需求，这是当时普遍采用的乘除法实现方案。3、从寄存器组读出两路数据、执行运算、写回结果这项操作安排在同一个时钟周期完成，适用于当时器件速度较慢,流水线技术尚不普及的使用环境。4、ALU最低位的进位输入信号，最低、最高位的移位输入信号，标志位的保存等都要在运算器芯片之外另行处理，因为它们取决于指令功能，没办法在运算器芯片之内解决。,