存储器与总线基本实验

1、存储器与总线基本实验第1页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2022/9/16助教联系方式高星： e-mail：薛浩： e-mail：王翌：e-mail: 张苗辉：e-mail： z 第2页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三课程目的与任务 该实验课程为计算机组成原理理论授课的实践环节，是其组成部分之一。 主要目的是通过实验课程，让学生进一步掌握计算机各组成部分，如：CPU、存储器、I/O设备的工作原理，以及相互的协同配合，借以掌握整机概念。针对CPU的核心部分CU控制器进行微指令程序设计，通过简单与复杂模型机的设计掌握微程序设计的思想，充分理解指令在CPU的

2、执行情况。第3页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三课时分配学时分配形式内容 2课堂教学本周实验原理，步骤。2实验操作 运算器实验2实验操作SRAM与总线基本实验2实验操作控制器4实验操作简单模型机4实验操作复杂模型机表1-1 每周学时分配表第4页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三考核5次实验，每次5分，该试验课程占据整个教学的25%比重。学生现场进行线路连接，演示结果，并回答问题，然后打分，最后并入总成绩。演示结果正确计3分，回答问题，顺次递增1分，直至满分5分。第5页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三实验设备介绍TD-CMA系统硬件布局图

3、第6页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三TD_CMA系统布局图电源逻辑测量CPLD单元时序与操作台单元扩展单元Sys单元MC单元IR单元ALU®单元CPU内总线PC&AR单元控制总线数据总线地址总线MEM单元CON单元IN单元CPU 系统总线 主存及外设8259单元 8253单元扩展总线8237单元 OUT单元第7页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三实验调试软件介绍TD-CMA主界面由三部分组成： 指令区、输出区和图形区第8页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第9页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三指令区机器指令区：

4、分为两列，第一列为主存地址（00FFH，共2c6个单元），第二列为每个地址所对应的数值。串口通讯正常且串口无其它操作，可以直接修改指定单元的内容，用鼠标单击要修改单元的数据，此时单元格会变成一个编辑框，即可输入数据，编辑框只接收两位合法的16进制数，按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，即可完成修改工作。按下ESC键可取消修改，编辑框会自动消失,恢复显示原来的值，也可以通过上下方向键移动编辑框。第10页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三微指令区：分为两列，第一列为微控器地址（003FH，共64个单元），第二列为每个地址所对应的微指令，共6字节。修改微指令操作和修改机器指令一样，

5、只不过微指令是6位，而机器指令是2位。第11页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三输出区： 输出区由输出页、输入页和结果页组成。输出页：在数据通路图打开，且该通路中用到微程序控制器运行程序时，输出区用来实时显示当前正在执行的微指令和下条将要执行的微指令的24位微码及其微地址。当前正在执行微指令的显示可通过菜单命令“【设置】【当前微指令】”进行开关。第12页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三输入页：可以对微指令进行按位输入及模拟，鼠标左键单击ADDR值，此时单元格会变成一个编辑框，即可输入微地址，输入完毕后回车，编辑框消失，后面的24位代表当前地址的24位微码，

6、微码值用红色显示，鼠标左键单击微码值可使该值在0和1之间切换。在数据通路图打开时，按动模拟按钮，可以在数据通路中模拟该微指令的功能，按动修改按钮则可以将当前显示的微码值下载到下位机。结果页：用来显示一些提示信息或错误信息，保存和装载程序时会在这一区域显示一些提示信息。在系统检测时，也会在这一区域显示检测状态和检测结果。第13页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三图形区：可以在此区域编辑指令，显示各实验的数据通路图、示波器界面等 第14页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第15页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第16页，共57页，2022年，

7、5月20日，0点4分，星期三实验帮助文件第17页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三实验二 存储系统2.1 存储系统实验2.1.1 实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法2.1.2 实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套第18页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.3实验原理实验所用的静态存储器由一片 6116（2K8bit）构成（位于MEM 单元） ，如图 2-1-1所示。6116 有三个控制线：CS（片选线） 、OE（读线） 、WE（写线） ，其功能如表 2-1-1 所示，当片选有效（CS=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0

8、时进行写操作，本实验将 CS常接地。第19页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第20页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.3 实验原理 由于存储器（MEM）最终是要挂接到 CPU上，所以其还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU能控制 MEM 的读写，实验中的读写控制逻辑如图 2-1-2 所示，由于 T3的参与，可以保证 MEM的写脉宽与 T3 一致，T3由时序单元的 TS3 给出。IOM用来选择是对 I/O还是对 MEM 进行读写操作，RD=1 时为读，WR=1时为写。第21页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.3 实验原理第22

9、页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.3 实验原理实验原理图如图 2-1-3 所示，存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有 8 个 LED 灯显示 D7D0的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有 8 个 LED灯显示 A7A0 的内容，地址由地址锁存器（74LS273，位于 PC&AR 单元）给出。数据开关（位于 IN 单元）经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。地址寄存器为 8 位，接入 6116 的地址A7A0，6116 的高三位地址 A10A8 接地，所以其实际容量为 256 字节。第23页，共57页，2022年，5月20日，0点4

10、分，星期三第24页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.3 实验原理实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元，CLR 都连接至 CON单元的 CLR 按钮。实验时 T3 由时序单元给出，其余信号由 CON单元的二进制开关模拟给出，其中 IOM 应为低（即 MEM 操作） ，RD、WR 高有效，MR 和MW 低有效，LDAR 高有效。第25页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三(1) 关闭实验系统电源，按图 2-1-4 连接实验电路，并 检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。(2) 将时序与操作台单元的开关 KK1、KK3 置为运行档、 开关

11、KK2 置为单步档。 (3) 将 CON单元的 IOR 开关置为 1（使 IN单元无输 出） ，打开电源开关，如果听到有嘀报警声，说 明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接 线，直到错误排除。2.1.4 实验步骤 第26页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第27页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.5平台连线第28页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第29页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.4 实验步骤(4) 给存储器的 00H、01H、02H、03H、04H地址单元中分别写入数据 11H、12H、13

12、H、14H、15H。由前面的存储器实验原理图（图 2-1-3）可以看出，由于数据和地址由同一个数据开关给出，因此数据和地址要分时写入。先写地址具体操作步骤为：先关掉存储器的读写（WR=0，RD=0） ，数据开关输出地址（IOR=0） 然后打开地址寄存器门控信号（LDAR=1） ，按动 ST 产生 T3 脉冲，即将地址打入到 AR 中。再写数据具体操作步骤为：先关掉存储器的读写（WR=0，RD=0）和地址寄存器门控信号（LDAR=0） ，数据开关输出要写入的数据，打开输入三态门（IOR=0） ，然后使存储器处于写状态（WR=1，RD=0，IOM=0） ，按动 ST 产生 T3脉冲，即将数据打入到

13、存储器中。第30页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三写存储器的流程如图 2-1-5 所示（以向 00 地址单元写入 11H为例） ：第31页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三(5) 依次读出第 00、01、02、03、04 号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。同写操作类似，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在进行读操作时，应先关闭 IN单元的输出（IOR=1） ，然后使存储器处于读状态（WR=0，RD=1，IOM=0） ，此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读存储器的流程如图2-1-6 所示（以从

14、 00 地址单元读出 11H为例）第32页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第33页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2.1.6 实验结果如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果 ，方法是：打开软件，选择联机软件的“ 【实验】【存储器实验】 ” ，打开存储器实验的数据通路图，如图 2-1-7 所示。 进行上面的手动操作，每按动一次 ST 按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前存储器所做的操作（即使是对存储器进行读，也应按动一次 ST 按钮，数据通路图才会有数据流动） ，或在软件中选择“ 【调试】【单周期】 ” ，其作用相当于将

15、时序单元的状态开关置为单步档后按动了一次 ST 按钮，数据通路图也会反映当前存储器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析 SRAM的读写过程。第34页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第35页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三实验四 系统总线与总线接口4.1 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验4.1.1 实验目的1理解总线的概念及其特性。 2掌握控制总线的功能和应用4.1.2 实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套第36页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三4.1.3 实验原理由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上

16、，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和 CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的 I/O地址译码原理见图 4-1-1（在地址总线单元） 。由于使用 A6、A7 进行译码， I/O地址空间被分为四个区，如表 4-1-1 所示： 第37页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第38页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三为了实现对于 MEM 和外设

17、的读写操作， 还需要一个读写控制逻辑， 使得 CPU能控制 MEM和 I/O 设备的读写，实验中的读写控制逻辑如图 4-1-2 所示，由于 T3 的参与，可以保证写脉宽与 T3 一致，T3 由时序单元的 TS3 给出。IOM 用来选择是对 I/O设备还是对 MEM 进行读写操作，IOM=1 时对 I/O 设备进行读写操作，IOM=0 时对 MEM 进行读写操作。RD=1 时为读，WR=1 时为写。第39页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第40页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三 在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图

18、如图 4-1-3 所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。第41页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三 实验原理框图数据输入开关地址寄存器AR存储器RAM数码管显示LEDR0寄存器图4-1-3 总线传输实验框图IN-BLDARCSW/RLED-BW/RR0-BLDR0RD第42页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三4.1.4 实验步骤 1读写控制逻辑设计实验。 （1）按照图4-1-4 实验接线图进行连线。第43页，共57页，2022年，5月20日

19、，0点4分，星期三第44页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三(2) 具体操作步骤如下： 首先将时序与操作台单元的开关 KK1、KK3 置为运行档，开关 KK2 置为单拍档， 按动 CON单元的总清按钮 CLR，并执行下述操作。 对 MEM 进行读操作（WR=0，RD=1，IOM=0） ，此时 E0 灭,表示存储器读功能信号有效。 对 MEM进行写操作（WR=1，RD=0，IOM=0） ，连续按动开关 ST，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭,表示存储器写功能信号有效。 对 I/O进行读操作（WR=0，RD=1，IOM=1） ，此时 E2 灭,表示 I

20、/O读功能信号有效。 对 I/O进行写操作（WR=1，RD=0，IOM=1） ，连续按动开关 ST，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3时刻时，E3灭,表示 I/O写功能信号有效。第45页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三2基本输入输出功能的总线接口实验。 （1）根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程： 输入设备将一个数打入 R0 寄存器。 输入设备将另一个数打入地址寄存器。 将 R0 寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。 将当前地址的存储器中的数用 LED数码管显示。 第46页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三（2）按照图 4-1-5 实

21、验接线图进行连线。 第47页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三第48页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三（3）具体操作步骤如下： 进入软件界面，选择菜单命令“ 【实验】【简单模型机】 ” ，打开简单模型机实验数据通路图。 将时序与操作台单元的开关 KK1、KK3 置为运行档，开关 KK2 置为单拍档，CON单元所有开关置 0（由于总线有总线竞争报警功能，在操作中应当先关闭应关闭的输出开关，再打开应打开的输出开关，否则可能由于总线竞争导致实验出错）， 按动 CON 单元的总清按钮CLR，然后通过运行程序，在数据通路图中观测程序的执行过程。 第49页，共57页，

22、2022年，5月20日，0点4分，星期三 输入设备将 11H打入 R0寄存器。 将 IN单元置 00010001，K7 置为1，关闭 R0 寄存器的输出；K6 置为 1，打开 R0 寄存器的输入；WR、RD、IOM 分别置为 0、1、1，对 IN 单元进行读操作；LDAR 置为 0，不将数据总线的数打入地址寄存器。连续四次点击图形界面上的“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期） ，观察图形界面，在 T4 时刻完成对寄存器 R0的写入操作。 第50页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三 将 R0 中的数据 11H打入存储器 01H单元。 将 IN单元置 00000001（或其他数值

23、） 。K7 置为 1，关闭 R0 寄存器的输出；K6 置为0，关闭 R0 寄存器的输入；WR、RD、IOM 分别置为 0、1、1，对 IN单元进行读操作；LDAR置为 1，将数据总线的数打入地址寄存器。连续四次点击图形界面上的“单节拍运行”按扭，观察图形界面，在 T3 时刻完成对地址寄存器的写入操作。 先将 WR、RD、IOM 分别置为 1、0、0，对存储器进行写操作；再把 K7置为 0，打开R0 寄存器的输出；K6 置为 0，关闭 R0 寄存器的输入； LDAR 置为 0，不将数据总线的数打入地址寄存器。连续四次点击图形界面上的“单节拍运行”按扭，观察图形界面，在T3时刻完成对存储器的写入操

24、作。 第51页，共57页，2022年，5月20日，0点4分，星期三 将当前地址的存储器中的数写入到 R0 寄存器中。 将 IN 单元置 00000001（或其他数值） ，K7 置为 1，关闭 R0 寄存器的输出；K6 置为0， 关闭R0寄存器的输入； WR、 RD、 IOM 分别置为 0、 1、 1， 对 IN单元进行读操作； LDAR置为 1，不将数据总线的数打入地址寄存器。连续四次点击图形界面上的“单节拍运行”按扭，观察图形界面，在 T3 时刻完成对地址寄存器的写入操作。 将 K7 置为 1，关闭 R0 寄存器的输出；K6 置为 1，打开 R0 寄存器的输入；WR、RD、IOM 分别置为 0、1、0，对存储器进行读操作；LDAR 置为 0，不将数据