计算机组成原理实验课件--存储器

1、1 实验三：存储器实验实验三：存储器实验 2 实验目的实验目的 1. 理解计算机主存储器的功能、组成知识；理解计算机主存储器的功能、组成知识； 2. 熟悉熟悉ROM芯片和芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方芯片在功能和使用方法等方 面的相同和差异之处；面的相同和差异之处； 3. 理解并熟悉通过字、位扩展技术实现扩展存储器容理解并熟悉通过字、位扩展技术实现扩展存储器容 量的方法。量的方法。 4. 了解如何通过读写存储器的指令实现对了解如何通过读写存储器的指令实现对 58C65 EEPROM 芯片的读写操作。芯片的读写操作。 3 实验说明实验说明 教学计算机的主存储器用静态存储器芯片实现，由教学计

2、算机的主存储器用静态存储器芯片实现，由 8千字的千字的ROM区和区和2千字的千字的RAM区组成，分别由区组成，分别由 2片片58C65（EEPROM芯片）和芯片）和2片片6116（RAM芯芯 片）实现。片）实现。 ROM芯片用来存放监控程序，芯片用来存放监控程序， RAM 芯片用来存放用户程序和数据，以及用作监控程序芯片用来存放用户程序和数据，以及用作监控程序 临时数据和堆栈区。可以安装另外两个芯片用来实临时数据和堆栈区。可以安装另外两个芯片用来实 现对存储器容量进行扩展。现对存储器容量进行扩展。 主存字长主存字长 16位，按字寻址方式读写。位，按字寻址方式读写。 4 内存储器和接口电路内存储

3、器和接口电路 每2个8 位的芯 片合成 一组用 于组成 16位长 度的内 存字。 5 教学计算机主存储器的设计教学计算机主存储器的设计 教学计算机采用单总线结构，教学计算机采用单总线结构， 16位的地址总线（记为位的地址总线（记为AB15 AB0） ， 16位的数据总线（记为位的数据总线（记为DB15 DB0） 和简化的控制总线：和简化的控制总线： 时钟信号：与时钟信号：与 CPU时钟同步，简化设计时钟同步，简化设计 读写信号：由读写信号：由 /MIO，REQ和和 /WE译码生成译码生成 内存和内存和 IO 读写信号。读写信号。 6 （1）地址总线地址总线（AB15AB0） 地址总线提供读写内

4、存用地址总线提供读写内存用16位地址，读写输入位地址，读写输入/输输 出接口用出接口用8位地址。位地址。 教学机的指令格式和教学机本身的特性，决定了教学机的指令格式和教学机本身的特性，决定了 将送往地址寄存器的地址信息只能由将送往地址寄存器的地址信息只能由ALU输出。输出。 7 TH-union 教学计算机系统组成框图 8 （2）数据总线）数据总线（DB15 DB0） 数据总线是计算机各部件之间完成数据传送的线路。数据总线是计算机各部件之间完成数据传送的线路。 出于教学机器件安全需要，教学机通过两片出于教学机器件安全需要，教学机通过两片74LS245 器件把数据总线隔断为内部总线器件把数据总线

5、隔断为内部总线IB与外部总线两部分。与外部总线两部分。 9 9 地址总线的低地址总线的低13位送到位送到 ROM 芯片的地址线芯片的地址线 引脚（引脚（RAM 芯片只使用地址总线的低芯片只使用地址总线的低11位），用位），用 于选择芯片内的一个存储字。于选择芯片内的一个存储字。 用于实现存储字的高位字节的用于实现存储字的高位字节的2个芯片的数据个芯片的数据 线引脚、实现低位字节线引脚、实现低位字节2个芯片的数据线引脚分别个芯片的数据线引脚分别 连接在用于实现存储字的高位字节的连接在用于实现存储字的高位字节的2个芯片的数个芯片的数 据线引脚、实现低位字节据线引脚、实现低位字节2个芯片的数据线引脚

6、分个芯片的数据线引脚分 别连接在一起，接到数据总线的高、低位字节，别连接在一起，接到数据总线的高、低位字节， 是实现存储器数据读写的信息通路。接到数据总是实现存储器数据读写的信息通路。接到数据总 线的高、低位字节，是实现存储器数据读写的信线的高、低位字节，是实现存储器数据读写的信 息通路。息通路。 10 8 8 13 低低8位数据位数据高高8位数据位数据 58C65 8K8 58C65 8K8 6116 2K 8 3-8译码器译码器 高高3位位 低低13位地址位地址 6116 /CS0 /CS1 /WE 0 1FFFH 2000H 27FFH CS7 CS0 地址寄存器（地址寄存器（AR） 8

7、 11 8 13 13 RAM ROM AB15AB13AB12AB0 11 为访问 8192 个存储单元，需要使用13位地址，应 把地址总线的低13位地址送到每个58C65存储器 芯片的地址引脚； 为访问 2048 个存储单元，需要使用11位地址，应 把地址总线的低11位地址送到每个6116存储器芯 片的地址引脚； 对地址总线的高3位译码，产生的译码信号送相应 的存储器芯片的片选信号引脚 /CS，用于选择让 哪一个地址范围的存储器芯片工作。 还要向存储器芯片提供读写控制信号 /WE，以区 分是读、还是写操作，/WE信号为高电平是读， 为低是写。 12 （3）控制总线控制总线 12 1B 1A

8、 1G DC3 139 2B 2A 2G 1Y0 1Y1 1Y2 1Y3 2Y0 2Y1 REQ WE GND MIO MWR MRD WR RD MMREQ IOREQ 74LS139：双2-4译码器 TH-union 内存内存控制信号控制信号用一片双用一片双2-42-4译码器器译码器器 件件 74LS139 74LS139 给出。给出。 13 /MIO REQ/WE 0 0 0内存写内存写/MWR 0 0 1内存读内存读/MRD 0 1 0I/O写写/WR 0 1 1I/O读读/RD 1 X X 不用不用 14 TH-union 内存片选信号内存片选信号 DC5 138 A15 A14 A

9、13 GND MMREQ VCC C B A G2A G2B G1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 00001FFF 20003FFF 40005FFF 60007FFF 80009FFF A000BFFF C000DFFF E000FFFF DC5 74LS138: 3-8译码器 另外一片另外一片 74LS138 译码器芯片接收地址总线低位译码器芯片接收地址总线低位 字节的最高字节的最高 4 位地址信息（最高一位恒定为位地址信息（最高一位恒定为 1 ），）， 当需要接口电路工作时，由这片译码器产生接口当需要接口电路工作时，由这片译码器产生接口 芯片的芯片的8个片选信号，已选择

10、哪一个接口电路可个片选信号，已选择哪一个接口电路可 以读写。其中以读写。其中 808F H 已分配给串行口。其中第已分配给串行口。其中第 1路串行口的路串行口的I/O端口地址确定为端口地址确定为 80H 和和 81H。 15 TH-union 接口片选信号接口片选信号 16 （4）教学机内存空间分配：）教学机内存空间分配： 01FFFH 8K16位的位的ROM （用两片（用两片58C65，8K8构成）构成） 200027FFH 2K16位的位的RAM （用两片（用两片74LS6116，2K8构构 成）成） DC5 138 A15 A14 A13 GND MMREQ VCC C B A G2A

11、G2B G1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 00001FFF 20003FFF 40005FFF 60007FFF 80009FFF A000BFFF C000DFFF E000FFFF 可扩展内存储器可扩展内存储器 地址范围地址范围 8K 用于存放监控程序用于存放监控程序 用于存放用户程序和数据用于存放用户程序和数据 17 对主存 RAM区，在给出/CS片选信号的同时，还需 要给出读写操作命令信号/WE。/WE为低是写，为高 是读。6116芯片还有一个/OE控制信号，已接地。 对主存 ROM区的访问，与读写RAM区有2点不同。 （1）还必须使用EEPROM芯片的输出允许信号

12、/OE，执行读 操作时，应使/OE信号为低电平，执行写操作时，应使/OE信 号为高电平，以便控制EEPROM芯片进入编程（写入）操作 状态。 （2）对EEPROM芯片进行一次编程（写入）操作占用的时间 要足够长，约几百个微秒，开始首先完成对相应单元原有的 内容的擦除操作，接下来再用相对较长的时间把新的内容写 进去。这可以通过执行一段循环子程序的办法来达到延时等 待目的。 （5）教学机）教学机RAM和和EEPROM存储器芯片在读存储器芯片在读 写控制、写入时间方面的同异之处写控制、写入时间方面的同异之处 18 扩展存储器芯片的安装位置 19 扩展用的引线接插孔扩展用的引线接插孔 20 实验内容实

13、验内容 1. 要完成存储器容量扩展存储器容量扩展的教学实验，需为扩展存储 器选择一个地址，并注意读写和/OE等控制信号的正 确状态； 2. 用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较 RAM（6116）、EEPROM（58系列芯片）在读写上 的异同； 3. 用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116） 进行读写，用D命令查看结果是否正确； 4. 用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器 EEPROM（58系列芯片）进行读写，用D命令查看 结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序， 重新运行； 21 实验步骤实验步骤 1. 检查FPGA下方的插针要按下列要求短接： 标有标有“/M

14、WR”“RD”的插针左边两个短接，的插针左边两个短接， 标有标有“/MRD”“GND”的插针右边两个短接，的插针右边两个短接， 标有标有ROMLCS和和RAMLCS的插针短接。的插针短接。 2. RAM（6116）支持即时读写，可直接用A、E命令 向存储器输入程序或改变内存单元的值。RAM中的 内容在断电后会消失，重新启动实验机后会发现内 存单元的值发生了改变。 22 23 3. 先将教学计算机的电源关闭，再将扩展的ROM芯 片（27或28系列或28的替代产品58C65芯片）插入 标有“EXTROMH”和“EXTROML”的自锁紧插座， 要注意芯片插入的方向，带有半圆形缺口的一方朝带有半圆形缺

15、口的一方朝 左插入。如果芯片插入方向不对，会导致芯片烧毁。左插入。如果芯片插入方向不对，会导致芯片烧毁。 然后锁紧插座。然后锁紧插座。 4. 将扩展芯片右边的插针按下列方式短接：将 EXTROML芯片右上方的标有“WE”和“A11”的插 针下面两个短接，将它右边标有 “TEC”“/CS”“FPGA”的三个插针左边两个短接，标 有XTROMLCS的插针短接，标有 “TEC”“OE”“GND”“ FPGA”的四个插针左边的两个 横着短接（写）； 24 扩展存储扩展存储 器器 ROM ROM RAM 设置设置 跳线跳线 设置设置 跳线跳线 设置地设置地 址跳线址跳线 设置数设置数 据跳线据跳线 内存

16、储器部件内存储器部件 25 5. 在第四步中将标有“TEC”“/CS”“FPGA”的三个插针 左边两个短接表示扩展的ROM的内存地址是从 4000H开始，可用空间是4000H5FFFH，用户可在 这个范围内输入程序或改变内存单元的值。也可以 将这个插针断开，将标有/CS的圆孔针与标有MEM /CS的一排圆孔针中的任意一个用导线相连；注意 连接的地址范围是多少，用户可用的地址空间就是 多少。 6. 将标有“DataBus 158”和“DataBus 70”的数据 总线的指示灯下方的插针短接； 7. 将标有“AdressBus 15-8”和“AdressBus 7-0”的地址 总线的指示灯下方的插

17、针短接； 26 注意：注意：58C65芯片和各跳线帽都按要求放置好后，可以芯片和各跳线帽都按要求放置好后，可以 给教学计算机通电。给教学计算机通电。 8. 58C65的读操作和一般的RAM一样，而其写操 作，需要一定的时间，大约为1毫秒。因此，需要编 写一延迟子程序，在对EEPROM进行写操作时，调 用该子程序，以完成正确的读写。 注意：注意： 实验完成后，将实验完成后，将FPGA下方的标有下方的标有 “/MWR”“RD”的插针改成右边两个短接。的插针改成右边两个短接。 27 实验报告要求：实验报告要求： 实验目的，实验内容步骤，实验结果、实验结果的 分析，对遇到的各种现象的分析，如何排除故障，自 己在这次实验的心得体会与收获。并回答如下思考题 思考题： 1）为何能用E命令直接写EEPROM存储器 58C65的存 储单元，而A命令则有时不正确； 2）先用E