存儲器與總線基本實驗

存儲器與總線基本實驗第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日2023/3/14助教聯(lián)系方式高星：e-mail：薛浩：e-mail：王翌：e-mail:張苗輝：e-mail：z

第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日課程目的與任務(wù)該實驗課程為《計算機(jī)組成原理》理論授課的實踐環(huán)節(jié)，是其組成部分之一。主要目的是通過實驗課程，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握計算機(jī)各組成部分，如：CPU、存儲器、I/O設(shè)備的工作原理，以及相互的協(xié)同配合，借以掌握整機(jī)概念。針對CPU的核心部分CU控制器進(jìn)行微指令程序設(shè)計，通過簡單與復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計掌握微程序設(shè)計的思想，充分理解指令在CPU的執(zhí)行情況。第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日課時分配學(xué)時分配形式內(nèi)容

2課堂教學(xué)本周實驗原理，步驟。2實驗操作運算器實驗2實驗操作SRAM與總線基本實驗2實驗操作控制器4實驗操作簡單模型機(jī)4實驗操作復(fù)雜模型機(jī)表1-1每周學(xué)時分配表第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日考核5次實驗，每次5分，該試驗課程占據(jù)整個教學(xué)的25%比重。學(xué)生現(xiàn)場進(jìn)行線路連接，演示結(jié)果，并回答問題，然后打分，最后并入總成績。演示結(jié)果正確計3分，回答問題，順次遞增1分，直至滿分5分。第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗設(shè)備介紹TD-CMA系統(tǒng)硬件布局圖第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日TD_CMA系統(tǒng)布局圖電源邏輯測量CPLD單元時序與操作臺單元擴(kuò)展單元Sys單元MC單元IR單元ALU®單元CPU內(nèi)總線PC&AR單元控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線MEM單元CON單元IN單元CPU系統(tǒng)總線主存及外設(shè)8259單元8253單元擴(kuò)展總線8237單元OUT單元第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗調(diào)試軟件介紹TD-CMA主界面由三部分組成：指令區(qū)、輸出區(qū)和圖形區(qū)第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日指令區(qū)機(jī)器指令區(qū)：分為兩列，第一列為主存地址（00—FFH，共2c6個單元），第二列為每個地址所對應(yīng)的數(shù)值。串口通訊正常且串口無其它操作，可以直接修改指定單元的內(nèi)容，用鼠標(biāo)單擊要修改單元的數(shù)據(jù)，此時單元格會變成一個編輯框，即可輸入數(shù)據(jù)，編輯框只接收兩位合法的16進(jìn)制數(shù)，按回車鍵確認(rèn)，或用鼠標(biāo)點擊別的區(qū)域，即可完成修改工作。按下ESC鍵可取消修改，編輯框會自動消失,恢復(fù)顯示原來的值，也可以通過上下方向鍵移動編輯框。

第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日微指令區(qū)：分為兩列，第一列為微控器地址（00—3FH，共64個單元），第二列為每個地址所對應(yīng)的微指令，共6字節(jié)。修改微指令操作和修改機(jī)器指令一樣，只不過微指令是6位，而機(jī)器指令是2位。第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日輸出區(qū)：

輸出區(qū)由輸出頁、輸入頁和結(jié)果頁組成。

輸出頁：在數(shù)據(jù)通路圖打開，且該通路中用到微程序控制器運行程序時，輸出區(qū)用來實時顯示當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令和下條將要執(zhí)行的微指令的24位微碼及其微地址。當(dāng)前正在執(zhí)行微指令的顯示可通過菜單命令“【設(shè)置】—【當(dāng)前微指令】”進(jìn)行開關(guān)。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日輸入頁：可以對微指令進(jìn)行按位輸入及模擬，鼠標(biāo)左鍵單擊ADDR值，此時單元格會變成一個編輯框，即可輸入微地址，輸入完畢后回車，編輯框消失，后面的24位代表當(dāng)前地址的24位微碼，微碼值用紅色顯示，鼠標(biāo)左鍵單擊微碼值可使該值在0和1之間切換。在數(shù)據(jù)通路圖打開時，按動‘模擬’按鈕，可以在數(shù)據(jù)通路中模擬該微指令的功能，按動‘修改’按鈕則可以將當(dāng)前顯示的微碼值下載到下位機(jī)。結(jié)果頁：用來顯示一些提示信息或錯誤信息，保存和裝載程序時會在這一區(qū)域顯示一些提示信息。在系統(tǒng)檢測時，也會在這一區(qū)域顯示檢測狀態(tài)和檢測結(jié)果。

第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日圖形區(qū)：

可以在此區(qū)域編輯指令，顯示各實驗的數(shù)據(jù)通路圖、示波器界面等第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗幫助文件第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗二存儲系統(tǒng)2.1存儲系統(tǒng)實驗2.1.1實驗?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法2.1.2實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.3實驗原理實驗所用的靜態(tài)存儲器由一片6116（2K×8bit）構(gòu)成（位于MEM單元），如圖2-1-1所示。6116有三個控制線：CS（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），其功能如表2-1-1所示，當(dāng)片選有效（CS=0）時，OE=0時進(jìn)行讀操作，WE=0時進(jìn)行寫操作，本實驗將CS常接地。第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.3實驗原理

由于存儲器（MEM）最終是要掛接到CPU上，所以其還需要一個讀寫控制邏輯，使得CPU能控制MEM的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖2-1-2所示，由于T3的參與，可以保證MEM的寫脈寬與T3一致，T3由時序單元的TS3給出。IOM用來選擇是對I/O還是對MEM進(jìn)行讀寫操作，RD=1時為讀，WR=1時為寫。第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.3實驗原理第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.3實驗原理實驗原理圖如圖2-1-3所示，存儲器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有8個LED燈顯示D7…D0的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有8個LED燈顯示A7…A0的內(nèi)容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于PC&AR單元）給出。數(shù)據(jù)開關(guān)（位于IN單元）經(jīng)一個三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。地址寄存器為8位，接入6116的地址A7…A0，6116的高三位地址A10…A8接地，所以其實際容量為256字節(jié)。第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.3實驗原理實驗箱中所有單元的時序都連接至?xí)r序與操作臺單元，CLR都連接至CON單元的CLR按鈕。實驗時T3由時序單元給出，其余信號由CON單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬給出，其中IOM應(yīng)為低（即MEM操作），RD、WR高有效，MR和MW低有效，LDAR高有效。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日(1)關(guān)閉實驗系統(tǒng)電源，按圖2-1-4連接實驗電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明。(2)將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為運行檔、開關(guān)KK2置為‘單步’檔。(3)將CON單元的IOR開關(guān)置為1（使IN單元無輸出），打開電源開關(guān)，如果聽到有‘嘀’報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。2.1.4實驗步驟第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.5平臺連線第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.4實驗步驟(4)給存儲器的00H、01H、02H、03H、04H地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11H、12H、13H、14H、15H。由前面的存儲器實驗原理圖（圖2-1-3）可以看出，由于數(shù)據(jù)和地址由同一個數(shù)據(jù)開關(guān)給出，因此數(shù)據(jù)和地址要分時寫入。先寫地址具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出地址（IOR=0）然后打開地址寄存器門控信號（LDAR=1），按動ST產(chǎn)生T3脈沖，即將地址打入到AR中。再寫數(shù)據(jù)具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0）和地址寄存器門控信號（LDAR=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出要寫入的數(shù)據(jù)，打開輸入三態(tài)門（IOR=0），然后使存儲器處于寫狀態(tài)（WR=1，RD=0，IOM=0），按動ST產(chǎn)生T3脈沖，即將數(shù)據(jù)打入到存儲器中。第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日寫存儲器的流程如圖2-1-5所示（以向00地址單元寫入11H為例）：第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日(5)依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。同寫操作類似，也要先給出地址，然后進(jìn)行讀，地址的給出和前面一樣，而在進(jìn)行讀操作時，應(yīng)先關(guān)閉IN單元的輸出（IOR=1），然后使存儲器處于讀狀態(tài)（WR=0，RD=1，IOM=0），此時數(shù)據(jù)總線上的數(shù)即為從存儲器當(dāng)前地址中讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀存儲器的流程如圖2-1-6所示（以從00地址單元讀出11H為例）第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.1.6實驗結(jié)果如果實驗箱和PC聯(lián)機(jī)操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實驗】—【存儲器實驗】”，打開存儲器實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖2-1-7所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前存儲器所做的操作（即使是對存儲器進(jìn)行讀，也應(yīng)按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖才會有數(shù)據(jù)流動），或在軟件中選擇“【調(diào)試】—【單周期】”，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為‘單步’檔后按動了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前存儲器所做的操作，借助于數(shù)據(jù)通路圖，仔細(xì)分析SRAM的讀寫過程。第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗四系統(tǒng)總線與總線接口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4.1.1實驗?zāi)康?．理解總線的概念及其特性。2．掌握控制總線的功能和應(yīng)用4.1.2實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.1.3實驗原理由于存儲器和輸入、輸出設(shè)備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數(shù)據(jù)信號、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，外部總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線，分別為外設(shè)提供上述信號。外部總線和CPU內(nèi)總線之間通過三態(tài)門連接，同時實現(xiàn)了內(nèi)外總線的分離和對于數(shù)據(jù)流向的控制。地址總線可以為外部設(shè)備提供地址信號和片選信號。由地址總線的高位進(jìn)行譯碼，系統(tǒng)的I/O地址譯碼原理見圖4-1-1（在地址總線單元）。由于使用A6、A7進(jìn)行譯碼，I/O地址空間被分為四個區(qū)，如表4-1-1所示：第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日為了實現(xiàn)對于MEM和外設(shè)的讀寫操作，還需要一個讀寫控制邏輯，使得CPU能控制MEM和I/O設(shè)備的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖4-1-2所示，由于T3的參與，可以保證寫脈寬與T3一致，T3由時序單元的TS3給出。IOM用來選擇是對I/O設(shè)備還是對MEM進(jìn)行讀寫操作，IOM=1時對I/O設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，IOM=0時對MEM進(jìn)行讀寫操作。RD=1時為讀，WR=1時為寫。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日在理解讀寫控制邏輯的基礎(chǔ)上我們設(shè)計一個總線傳輸?shù)膶嶒?。實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖4-1-3所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實現(xiàn)總線信息傳輸。第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日實驗原理框圖數(shù)據(jù)輸入開關(guān)地址寄存器AR存儲器RAM數(shù)碼管顯示LEDR0寄存器圖4-1-3總線傳輸實驗框圖IN-BLDARCSW/RLED-BW/RR0-BLDR0RD第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.1.4實驗步驟1．讀寫控制邏輯設(shè)計實驗。（1）按照圖4-1-4實驗接線圖進(jìn)行連線。第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2)具體操作步驟如下：首先將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為‘運行’檔，開關(guān)KK2置為‘單拍’檔，按動CON單元的總清按鈕CLR，并執(zhí)行下述操作。①對MEM進(jìn)行讀操作（WR=0，RD=1，IOM=0），此時E0滅,表示存儲器讀功能信號有效。②對MEM進(jìn)行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=0），連續(xù)按動開關(guān)ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù)指示燈，指示燈顯示為T3時刻時，E1滅,表示存儲器寫功能信號有效。③對I/O進(jìn)行讀操作（WR=0，RD=1，IOM=1），此時E2滅,表示I/O讀功能信號有效。④對I/O進(jìn)行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=1），連續(xù)按動開關(guān)ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù)指示燈，指示燈顯示為T3時刻時，E3滅,表示I/O寫功能信號有效。第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日2．基本輸入輸出功能的總線接口實驗。（1）根據(jù)掛在總線上的幾個基本部件，設(shè)計一個簡單的流程：①輸入設(shè)備將一個數(shù)打入R0寄存器。②輸入設(shè)備將另一個數(shù)打入地址寄存器。③將R0寄存器中的數(shù)寫入到當(dāng)前地址的存儲器中。④將當(dāng)前地址的存儲器中的數(shù)用LED數(shù)碼管顯示。

第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）按照圖4-1-5實驗接線圖進(jìn)行連線。第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3）具體操作步驟如下：進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】—【簡單模型機(jī)】”，打開簡單模型機(jī)實驗數(shù)據(jù)通路圖。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為‘運行’檔，開關(guān)KK2置為‘單拍’檔，CON單元所有開關(guān)置0（由于總線有總線競爭報警功能，在操作中應(yīng)當(dāng)先關(guān)閉應(yīng)關(guān)閉的輸出開關(guān)，再打開應(yīng)打開的輸出開關(guān)，否則可能由于總線競爭導(dǎo)致實驗出錯），按動CON單元的總清按鈕CLR，然后通過運行程序，在數(shù)據(jù)通路圖中觀測程序的執(zhí)行過程。第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日①輸入設(shè)備將11H打入R0寄存器。將IN單元置00010001，K7置為1，關(guān)閉R0寄存器的輸出；K6置為1，打開R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進(jìn)行讀操作；LDAR置為0，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址寄存器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行”按扭（運行一個機(jī)器周期），觀察圖形界面，在T4時刻完成對寄存器R0的寫入操作。第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日②將R0中的數(shù)據(jù)11H打入存儲器01H單元。將IN單元置00000001（或其他數(shù)值）。K7置為1，關(guān)閉R0寄存器的輸出；K6置為0，關(guān)閉R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進(jìn)行讀操作；LDAR置為1，將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址寄存器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行”按扭，觀察圖形界面，在T3時刻完成對地址寄存器的寫入操作。先將WR、RD、IOM分別置為1、0、0，對存儲器進(jìn)行寫操作；再把K7置為0，打開R0寄存器的輸出；K6置為0，關(guān)閉R0寄存器的輸入；LDAR置為0，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址寄存器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行”按扭，觀察圖形界面，在T3時刻完成對存儲器的寫入操作。第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日③將當(dāng)前地址的存儲器中的數(shù)寫入到R0寄存器中。將IN單元置00000001（或其他數(shù)值），K7置為1，關(guān)閉R0寄存器的輸出；K6置為0，關(guān)閉R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進(jìn)行讀操作；LDAR置為1，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址寄存器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行”按扭，觀察圖形界面，在T3時刻完成對地址寄存器的寫入操作。將K7置為1，關(guān)閉R0寄存器的輸出；K6置為1，打開R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、0，對存儲器進(jìn)行讀操作；LDAR置為0，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址寄存器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)