存儲器與總線基本實驗2023/6/18第一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日助教聯系方式高星：e-mail：gaoxing@薛浩：e-mail：talentxuehao@163.comtel翌：e-mail:andrewtop@tel苗輝：e-mail：zhangmiaohui1987@163.com

Tel二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日課程目的與任務該實驗課程為《計算機組成原理》理論授課的實踐環節，是其組成部分之一。主要目的是通過實驗課程，讓學生進一步掌握計算機各組成部分，如：CPU、存儲器、I/O設備的工作原理，以及相互的協同配合，借以掌握整機概念。針對CPU的核心部分CU控制器進行微指令程序設計，通過簡單與復雜模型機的設計掌握微程序設計的思想，充分理解指令在CPU的執行情況。第三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日課時分配學時分配形式內容

2課堂教學本周實驗原理，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4實驗操作復雜模型機表1-1每周學時分配表第四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日考核5次實驗，每次5分，該試驗課程占據整個教學的25%比重。學生現場進行線路連接，演示結果，并回答問題，然后打分，最后并入總成績。演示結果正確計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，編輯于2023年，星期日實驗設備介紹TD-CMA系統硬件布局圖第六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日TD_CMA系統布局圖電源邏輯測量CPLD單元時序與操作臺單元擴展單元Sys單元MC單元IR單元ALU®單元CPU內總線PC&AR單元控制總線數據總線地址總線MEM單元CON單元IN單元CPU系統總線主存及外設8259單元8253單元擴展總線8237單元OUT單元第七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日實驗調試軟件介紹TD-CMA主界面由三部分組成：指令區、輸出區和圖形區第八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日指令區機器指令區：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的數值。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容，用鼠標單擊要修改單元的數據，此時單元格會變成一個編輯框，即可輸入數據，編輯框只接收兩位合法的16進制數，按回車鍵確認，或用鼠標點擊別的區域，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，編輯于2023年，星期日微指令區：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的微指令，共6字節。修改微指令操作和修改機器指令一樣，只不過微指令是6位，而機器指令是2位。第十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日輸出區：

輸出區由輸出頁、輸入頁和結果頁組成。

輸出頁：在數據通路圖打開，且該通路中用到微程序控制器運行程序時，輸出區用來實時顯示當前正在執行的微指令和下條將要執行的微指令的24位微碼及其微地址。當前正在執行微指令的顯示可通過菜單命令“【設置】—【當前微指令】”進行開關。第十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日輸入頁：可以對微指令進行按位輸入及模擬，鼠標左鍵單擊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位代表當前地址的24位微碼，微碼值用紅色顯示，鼠標左鍵單擊微碼值可使該值在0和1之間切換。在數據通路圖打開時，按動‘模擬’按鈕，可以在數據通路中模擬該微指令的功能，按動‘修改’按鈕則可以將當前顯示的微碼值下載到下位機。結果頁：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域顯示一些提示信息。在系統檢測時，也會在這一區域顯示檢測狀態和檢測結果。

第十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日圖形區：

可以在此區域編輯指令，顯示各實驗的數據通路圖、示波器界面等第十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日實驗幫助文件第十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日實驗二存儲系統2.1存儲系統實驗2.1.1實驗目的掌握靜態隨機存儲器RAM工作特性及數據的讀寫方法2.1.2實驗設備PC機一臺，TD-CMA實驗系統一套第十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日2.1.3實驗原理實驗所用的靜態存儲器由一片6116（2K×8bit）構成（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，當片選有效（CS=0）時，OE=0時進行讀操作，WE=0時進行寫操作，本實驗將CS常接地。第十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日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，編輯于2023年，星期日2.1.3實驗原理第二十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日2.1.3實驗原理實驗原理圖如圖2-1-3所示，存儲器數據線接至數據總線，數據總線上接有8個LED燈顯示D7…D0的內容。地址線接至地址總線，地址總線上接有8個LED燈顯示A7…A0的內容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于PC&AR單元）給出。數據開關（位于IN單元）經一個三態門（74LS245）連至數據總線，分時給出地址和數據。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。第二十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日2.1.3實驗原理實驗箱中所有單元的時序都連接至時序與操作臺單元，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單元的二進制開關模擬給出，其中IOM應為低（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，編輯于2023年，星期日(1)關閉實驗系統電源，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明。(2)將時序與操作臺單元的開關KK1、KK3置為運行檔、開關KK2置為‘單步’檔。(3)將CON單元的IOR開關置為1（使IN單元無輸出），打開電源開關，如果聽到有‘嘀’報警聲，說明有總線競爭現象，應立即關閉電源，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，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日2.1.5平臺連線第二十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第二十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日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據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，由于數據和地址由同一個數據開關給出，因此數據和地址要分時寫入。先寫地址具體操作步驟為：先關掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0），數據開關輸出地址（IOR=0）然后打開地址寄存器門控信號（LDAR=1），按動ST產生T3脈沖，即將地址打入到AR中。再寫數據具體操作步驟為：先關掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0）和地址寄存器門控信號（LDAR=0），數據開關輸出要寫入的數據，打開輸入三態門（IOR=0），然后使存儲器處于寫狀態（WR=1，RD=0，IOM=0），按動ST產生T3脈沖，即將數據打入到存儲器中。第三十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期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，編輯于2023年，星期日(5)依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內容，觀察上述各單元中的內容是否與前面寫入的一致。同寫操作類似，也要先給出地址，然后進行讀，地址的給出和前面一樣，而在進行讀操作時，應先關閉IN單元的輸出（IOR=1），然后使存儲器處于讀狀態（WR=0，RD=1，IOM=0），此時數據總線上的數即為從存儲器當前地址中讀出的數據內容。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，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日2.1.6實驗結果如果實驗箱和PC聯機操作，則可通過軟件中的數據通路圖來觀測實驗結果，方法是：打開軟件，選擇聯機軟件的“【實驗】—【存儲器實驗】”，打開存儲器實驗的數據通路圖，如圖2-1-7所示。進行上面的手動操作，每按動一次ST按鈕，數據通路圖會有數據的流動，反映當前存儲器所做的操作（即使是對存儲器進行讀，也應按動一次ST按鈕，數據通路圖才會有數據流動），或在軟件中選擇“【調試】—【單周期】”，其作用相當于將時序單元的狀態開關置為‘單步’檔后按動了一次ST按鈕，數據通路圖也會反映當前存儲器所做的操作，借助于數據通路圖，仔細分析SRAM的讀寫過程。第三十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日實驗四系統總線與總線接口4.1系統總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗4.1.1實驗目的1．理解總線的概念及其特性。2．掌握控制總線的功能和應用4.1.2實驗設備PC機一臺，TD-CMA實驗系統一套第三十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日4.1.3實驗原理由于存儲器和輸入、輸出設備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數據信號、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，外部總線分為數據總線、地址總線、和控制總線，分別為外設提供上述信號。外部總線和CPU內總線之間通過三態門連接，同時實現了內外總線的分離和對于數據流向的控制。地址總線可以為外部設備提供地址信號和片選信號。由地址總線的高位進行譯碼，系統的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進行譯碼，I/O地址空間被分為四個區，如表4-1-1所示：第三十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日為了實現對于MEM和外設的讀寫操作，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設備還是對MEM進行讀寫操作，IOM=1時對I/O設備進行讀寫操作，IOM=0時對MEM進行讀寫操作。RD=1時為讀，WR=1時為寫。第三十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第四十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日在理解讀寫控制邏輯的基礎上我們設計一個總線傳輸的實驗。實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖4-1-3所示，它將幾種不同的設備掛至總線上，有存儲器、輸入設備、輸出設備、寄存器。這些設備都需要有三態輸出控制，按照傳輸要求恰當有序的控制它們，就可實現總線信息傳輸。第四十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日實驗原理框圖數據輸入開關地址寄存器AR存儲器RAM數碼管顯示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，編輯于2023年，星期日4.1.4實驗步驟1．讀寫控制邏輯設計實驗。（1）按照圖4-1-4實驗接線圖進行連線。第四十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第四十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日(2)具體操作步驟如下：首先將時序與操作臺單元的開關KK1、KK3置為‘運行’檔，開關KK2置為‘單拍’檔，按動CON單元的總清按鈕CLR，并執行下述操作。①對MEM進行讀操作（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進行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=0），連續按動開關ST，觀察擴展單元數據指示燈，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進行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=1），連續按動開關ST，觀察擴展單元數據指示燈，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，編輯于2023年，星期日2．基本輸入輸出功能的總線接口實驗。（1）根據掛在總線上的幾個基本部件，設計一個簡單的流程：①輸入設備將一個數打入R0寄存器。②輸入設備將另一個數打入地址寄存器。③將R0寄存器中的數寫入到當前地址的存儲器中。④將當前地址的存儲器中的數用LED數碼管顯示。

第四十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日（2）按照圖4-1-5實驗接線圖進行連線。第四十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日第四十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日（3）具體操作步驟如下：進入軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】—【簡單模型機】”，打開簡單模型機實驗數據通路圖。將時序與操作臺單元的開關KK1、KK3置為‘運行’檔，開關KK2置為‘單拍’檔，CON單元所有開關置0（由于總線有總線競爭報警功能，在操作中應當先關閉應關閉的輸出開關，再打開應打開的輸出開關，否則可能由于總線競爭導致實驗出錯），按動CON單元的總清按鈕CLR，然后通過運行程序，在數據通路圖中觀測程序的執行過程。第四十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期日①輸入設備將11H打入R0寄存器。將IN單元置00010001，K7置為1，關閉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單元進行讀操作；LDAR置為0，不將數據總線的數打入地址寄存器。連續四次點擊圖形界面上的“單節拍運行”按扭（運行一個機器周期），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，編輯于2023年，星期日②將R0中的數據11H打入存儲器01H單元。將IN單元置00000001（或其他數值）。K7置為1，關閉R0寄存器的輸出；K6置為0，關閉R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進行讀操作；LDAR置為1，將數據總線的數打入地址寄存器。連續四次點擊圖形界面上的“單節拍運行”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，對存儲器進行寫操作；再把K7置為0，打開R0寄存器的輸出；K6置為0，關閉R0寄存器的輸入；LDAR置為0，不將數據總線的數打入地址寄存器。連續四次點擊圖形界面上的“單節拍運行”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，編輯于2023年，星期日③將當前地址的存儲器中的數寫入到R0寄存器中。將IN單元置00000001（或其他數值），K7置為1，關閉R0寄存器的輸出；K6置為0，關閉R0寄存器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進行讀操作；LDAR置為1，不將數據總線的數打入地址寄存器。連續四次點擊圖形界面上的“單節拍運行”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，對存儲器進行讀操作；LDAR置為0，不將數據總線的數打入地址寄