計算機組成原理實驗課件--存儲器

1、1 實驗三：存儲器實驗實驗三：存儲器實驗 2 實驗目的實驗目的 1. 理解計算機主存儲器的功能、組成知識；理解計算機主存儲器的功能、組成知識； 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 面的相同和差異之處；面的相同和差異之處； 3. 理解并熟悉通過字、位擴展技術實現(xiàn)擴展存儲器容理解并熟悉通過字、位擴展技術實現(xiàn)擴展存儲器容 量的方法。量的方法。 4. 了解如何通過讀寫存儲器的指令實現(xiàn)對了解如何通過讀寫存儲器的指令實現(xiàn)對 58C65 EEPROM 芯片的讀寫操作。芯片的讀寫操作。 3 實驗說明實驗說明 教學計算機的主存儲器用靜態(tài)存儲器芯片實現(xiàn)，由教學計

2、算機的主存儲器用靜態(tài)存儲器芯片實現(xiàn)，由 8千字的千字的ROM區(qū)和區(qū)和2千字的千字的RAM區(qū)組成，分別由區(qū)組成，分別由 2片片58C65（EEPROM芯片）和芯片）和2片片6116（RAM芯芯 片）實現(xiàn)。片）實現(xiàn)。 ROM芯片用來存放監(jiān)控程序，芯片用來存放監(jiān)控程序， RAM 芯片用來存放用戶程序和數(shù)據(jù)，以及用作監(jiān)控程序芯片用來存放用戶程序和數(shù)據(jù)，以及用作監(jiān)控程序 臨時數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)?？梢园惭b另外兩個芯片用來實臨時數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)?？梢园惭b另外兩個芯片用來實 現(xiàn)對存儲器容量進行擴展?，F(xiàn)對存儲器容量進行擴展。 主存字長主存字長 16位，按字尋址方式讀寫。位，按字尋址方式讀寫。 4 內(nèi)存儲器和接口電路內(nèi)存儲

3、器和接口電路 每2個8 位的芯 片合成 一組用 于組成 16位長 度的內(nèi) 存字。 5 教學計算機主存儲器的設計教學計算機主存儲器的設計 教學計算機采用單總線結構，教學計算機采用單總線結構， 16位的地址總線（記為位的地址總線（記為AB15 AB0） ， 16位的數(shù)據(jù)總線（記為位的數(shù)據(jù)總線（記為DB15 DB0） 和簡化的控制總線：和簡化的控制總線： 時鐘信號：與時鐘信號：與 CPU時鐘同步，簡化設計時鐘同步，簡化設計 讀寫信號：由讀寫信號：由 /MIO，REQ和和 /WE譯碼生成譯碼生成 內(nèi)存和內(nèi)存和 IO 讀寫信號。讀寫信號。 6 （1）地址總線地址總線（AB15AB0） 地址總線提供讀寫內(nèi)

4、存用地址總線提供讀寫內(nèi)存用16位地址，讀寫輸入位地址，讀寫輸入/輸輸 出接口用出接口用8位地址。位地址。 教學機的指令格式和教學機本身的特性，決定了教學機的指令格式和教學機本身的特性，決定了 將送往地址寄存器的地址信息只能由將送往地址寄存器的地址信息只能由ALU輸出。輸出。 7 TH-union 教學計算機系統(tǒng)組成框圖 8 （2）數(shù)據(jù)總線）數(shù)據(jù)總線（DB15 DB0） 數(shù)據(jù)總線是計算機各部件之間完成數(shù)據(jù)傳送的線路。數(shù)據(jù)總線是計算機各部件之間完成數(shù)據(jù)傳送的線路。 出于教學機器件安全需要，教學機通過兩片出于教學機器件安全需要，教學機通過兩片74LS245 器件把數(shù)據(jù)總線隔斷為內(nèi)部總線器件把數(shù)據(jù)總線

5、隔斷為內(nèi)部總線IB與外部總線兩部分。與外部總線兩部分。 9 9 地址總線的低地址總線的低13位送到位送到 ROM 芯片的地址線芯片的地址線 引腳（引腳（RAM 芯片只使用地址總線的低芯片只使用地址總線的低11位），用位），用 于選擇芯片內(nèi)的一個存儲字。于選擇芯片內(nèi)的一個存儲字。 用于實現(xiàn)存儲字的高位字節(jié)的用于實現(xiàn)存儲字的高位字節(jié)的2個芯片的數(shù)據(jù)個芯片的數(shù)據(jù) 線引腳、實現(xiàn)低位字節(jié)線引腳、實現(xiàn)低位字節(jié)2個芯片的數(shù)據(jù)線引腳分別個芯片的數(shù)據(jù)線引腳分別 連接在用于實現(xiàn)存儲字的高位字節(jié)的連接在用于實現(xiàn)存儲字的高位字節(jié)的2個芯片的數(shù)個芯片的數(shù) 據(jù)線引腳、實現(xiàn)低位字節(jié)據(jù)線引腳、實現(xiàn)低位字節(jié)2個芯片的數(shù)據(jù)線引腳

6、分個芯片的數(shù)據(jù)線引腳分 別連接在一起，接到數(shù)據(jù)總線的高、低位字節(jié)，別連接在一起，接到數(shù)據(jù)總線的高、低位字節(jié)， 是實現(xiàn)存儲器數(shù)據(jù)讀寫的信息通路。接到數(shù)據(jù)總是實現(xiàn)存儲器數(shù)據(jù)讀寫的信息通路。接到數(shù)據(jù)總 線的高、低位字節(jié)，是實現(xiàn)存儲器數(shù)據(jù)讀寫的信線的高、低位字節(jié)，是實現(xiàn)存儲器數(shù)據(jù)讀寫的信 息通路。息通路。 10 8 8 13 低低8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)高高8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù) 58C65 8K8 58C65 8K8 6116 2K 8 3-8譯碼器譯碼器 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 為訪問 8192 個存儲單元，需要使用13位地址，應 把地址總線的低13位地址送到每個58C65存儲器 芯片的地址引腳； 為訪問 2048 個存儲單元，需要使用11位地址，應 把地址總線的低11位地址送到每個6116存儲器芯 片的地址引腳； 對地址總線的高3位譯碼，產(chǎn)生的譯碼信號送相應 的存儲器芯片的片選信號引腳 /CS，用于選擇讓 哪一個地址范圍的存儲器芯片工作。 還要向存儲器芯片提供讀寫控制信號 /WE，以區(qū) 分是讀、還是寫操作，/WE信號為高電平是讀， 為低是寫。 12 （3）控制總線控制總線 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：雙2-4譯碼器 TH-union 內(nèi)存內(nèi)存控制信號控制信號用一片雙用一片雙2-42-4譯碼器器譯碼器器 件件 74LS139 74LS139 給出。給出。 13 /MIO REQ/WE 0 0 0內(nèi)存寫內(nèi)存寫/MWR 0 0 1內(nèi)存讀內(nèi)存讀/MRD 0 1 0I/O寫寫/WR 0 1 1I/O讀讀/RD 1 X X 不用不用 14 TH-union 內(nèi)存片選信號內(nèi)存片選信號 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譯碼器 另外一片另外一片 74LS138 譯碼器芯片接收地址總線低位譯碼器芯片接收地址總線低位 字節(jié)的最高字節(jié)的最高 4 位地址信息（最高一位恒定為位地址信息（最高一位恒定為 1 ），）， 當需要接口電路工作時，由這片譯碼器產(chǎn)生接口當需要接口電路工作時，由這片譯碼器產(chǎn)生接口 芯片的芯片的8個片選信號，已選擇

10、哪一個接口電路可個片選信號，已選擇哪一個接口電路可 以讀寫。其中以讀寫。其中 808F H 已分配給串行口。其中第已分配給串行口。其中第 1路串行口的路串行口的I/O端口地址確定為端口地址確定為 80H 和和 81H。 15 TH-union 接口片選信號接口片選信號 16 （4）教學機內(nèi)存空間分配：）教學機內(nèi)存空間分配： 01FFFH 8K16位的位的ROM （用兩片（用兩片58C65，8K8構成）構成） 200027FFH 2K16位的位的RAM （用兩片（用兩片74LS6116，2K8構構 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 可擴展內(nèi)存儲器可擴展內(nèi)存儲器 地址范圍地址范圍 8K 用于存放監(jiān)控程序用于存放監(jiān)控程序 用于存放用戶程序和數(shù)據(jù)用于存放用戶程序和數(shù)據(jù) 17 對主存 RAM區(qū)，在給出/CS片選信號的同時，還需 要給出讀寫操作命令信號/WE。/WE為低是寫，為高 是讀。6116芯片還有一個/OE控制信號，已接地。 對主存 ROM區(qū)的訪問，與讀寫RAM區(qū)有2點不同。 （1）還必須使用EEPROM芯片的輸出允許信號

12、/OE，執(zhí)行讀 操作時，應使/OE信號為低電平，執(zhí)行寫操作時，應使/OE信 號為高電平，以便控制EEPROM芯片進入編程（寫入）操作 狀態(tài)。 （2）對EEPROM芯片進行一次編程（寫入）操作占用的時間 要足夠長，約幾百個微秒，開始首先完成對相應單元原有的 內(nèi)容的擦除操作，接下來再用相對較長的時間把新的內(nèi)容寫 進去。這可以通過執(zhí)行一段循環(huán)子程序的辦法來達到延時等 待目的。 （5）教學機）教學機RAM和和EEPROM存儲器芯片在讀存儲器芯片在讀 寫控制、寫入時間方面的同異之處寫控制、寫入時間方面的同異之處 18 擴展存儲器芯片的安裝位置 19 擴展用的引線接插孔擴展用的引線接插孔 20 實驗內(nèi)容實

13、驗內(nèi)容 1. 要完成存儲器容量擴展存儲器容量擴展的教學實驗，需為擴展存儲 器選擇一個地址，并注意讀寫和/OE等控制信號的正 確狀態(tài)； 2. 用監(jiān)控程序的D、E命令對存儲器進行讀寫，比較 RAM（6116）、EEPROM（58系列芯片）在讀寫上 的異同； 3. 用監(jiān)控程序的A命令編寫一段程序，對RAM（6116） 進行讀寫，用D命令查看結果是否正確； 4. 用監(jiān)控程序的A命令編寫一段程序，對擴展存儲器 EEPROM（58系列芯片）進行讀寫，用D命令查看 結果是否正確；如不正確，分析原因，改寫程序， 重新運行； 21 實驗步驟實驗步驟 1. 檢查FPGA下方的插針要按下列要求短接： 標有標有“/M

14、WR”“RD”的插針左邊兩個短接，的插針左邊兩個短接， 標有標有“/MRD”“GND”的插針右邊兩個短接，的插針右邊兩個短接， 標有標有ROMLCS和和RAMLCS的插針短接。的插針短接。 2. RAM（6116）支持即時讀寫，可直接用A、E命令 向存儲器輸入程序或改變內(nèi)存單元的值。RAM中的 內(nèi)容在斷電后會消失，重新啟動實驗機后會發(fā)現(xiàn)內(nèi) 存單元的值發(fā)生了改變。 22 23 3. 先將教學計算機的電源關閉，再將擴展的ROM芯 片（27或28系列或28的替代產(chǎn)品58C65芯片）插入 標有“EXTROMH”和“EXTROML”的自鎖緊插座， 要注意芯片插入的方向，帶有半圓形缺口的一方朝帶有半圓形缺

15、口的一方朝 左插入。如果芯片插入方向不對，會導致芯片燒毀。左插入。如果芯片插入方向不對，會導致芯片燒毀。 然后鎖緊插座。然后鎖緊插座。 4. 將擴展芯片右邊的插針按下列方式短接：將 EXTROML芯片右上方的標有“WE”和“A11”的插 針下面兩個短接，將它右邊標有 “TEC”“/CS”“FPGA”的三個插針左邊兩個短接，標 有XTROMLCS的插針短接，標有 “TEC”“OE”“GND”“ FPGA”的四個插針左邊的兩個 橫著短接（寫）； 24 擴展存儲擴展存儲 器器 ROM ROM RAM 設置設置 跳線跳線 設置設置 跳線跳線 設置地設置地 址跳線址跳線 設置數(shù)設置數(shù) 據(jù)跳線據(jù)跳線 內(nèi)存

16、儲器部件內(nèi)存儲器部件 25 5. 在第四步中將標有“TEC”“/CS”“FPGA”的三個插針 左邊兩個短接表示擴展的ROM的內(nèi)存地址是從 4000H開始，可用空間是4000H5FFFH，用戶可在 這個范圍內(nèi)輸入程序或改變內(nèi)存單元的值。也可以 將這個插針斷開，將標有/CS的圓孔針與標有MEM /CS的一排圓孔針中的任意一個用導線相連；注意 連接的地址范圍是多少，用戶可用的地址空間就是 多少。 6. 將標有“DataBus 158”和“DataBus 70”的數(shù)據(jù) 總線的指示燈下方的插針短接； 7. 將標有“AdressBus 15-8”和“AdressBus 7-0”的地址 總線的指示燈下方的插

17、針短接； 26 注意：注意：58C65芯片和各跳線帽都按要求放置好后，可以芯片和各跳線帽都按要求放置好后，可以 給教學計算機通電。給教學計算機通電。 8. 58C65的讀操作和一般的RAM一樣，而其寫操 作，需要一定的時間，大約為1毫秒。因此，需要編 寫一延遲子程序，在對EEPROM進行寫操作時，調(diào) 用該子程序，以完成正確的讀寫。 注意：注意： 實驗完成后，將實驗完成后，將FPGA下方的標有下方的標有 “/MWR”“RD”的插針改成右邊兩個短接。的插針改成右邊兩個短接。 27 實驗報告要求：實驗報告要求： 實驗目的，實驗內(nèi)容步驟，實驗結果、實驗結果的 分析，對遇到的各種現(xiàn)象的分析，如何排除故障，自 己在這次實驗的心得體會與收獲。并回答如下思考題 思考題： 1）為何能用E命令直接寫EEPROM存儲器 58C65的存 儲單元，而A命令則有時不正確； 2）先用E