【计算机组成与体系结构Ⅰ】实验4 存储器原理实验-编程知识

一、实验目的

1：了解双端口静态存储器IDT7132的工作特性及使用方法。

2：了解半导体存储器如何读写。

二、实验总结

0：实验内容

双端口存储器RAM：

左端口的数据部分与数据总线DBUS7-DBUS0相联；右端口的数据引脚与指令传输线IN7-IN0连接，显示地址和IR中的数据用IR/DBUS切换。左端口地址由AR1提供，右端口地址由AR2（两片74HC298）提供，向AR1、AR2输入地址时注意，应切换AR1/AR2开关。地址和输入数据均由SW7-SW0输入，左、右地址分别存在AR1、AR2中，并在输入时要注意AR1/AR2的切换。

左端口	右端口
CEL#（低有效）	芯片CER#（内部经过一个反向器，低有效），但是控制信号CER=1(高有效)
LRW（1=读，0=写）	RRW（1=读，0=写，RRW已接固定高电平）
OEL#（低电平，仿真已经设置）	OER#（OER#固定接低电平）

实验步骤：

Step1：控制信号接线, 如下表所示。

开关	K0	K1	K2	K3	K4	K5	K6
控制信号	CEL#	LRW	CER	LDAR1	LDAR2	SW_BUS#	LDIR

Step2：DP=1，DB=0，DZ=0。

Step3：合上电源，按CLR#。

Step4：从左端口写入数据，IR/DBUS=DBUS，AR1/AR2=AR1，向10H单元写入11H数据。

Step5：从右端口读出数据，AR1/AR2=AR2，IR/DBUS=IR，读出存储器10H单元的数据，数据送入IR中并在指示灯上显示。

上述操作的各步骤中控制信号的内容如下表所示：

K0	K1	K2	K3	K4	K5	K6	执行的操作内容
CEL#	LRW	CER	LDAR1	LDAR2	SW_BUS#	LDIR	执行的操作内容
1	1	0	1	0	0	0	地址10H写入AR1 此时SW7至SW0为：00010000
0	0	0	0	0	0	0	11H写入M[10H] 此时SW7至SW0为：00010001
1	1	0	1	0	0	0	地址10H写入AR1 此时SW7至SW0为：00010000
0	1	0	0	0	1	0	左端口读出M[10H]
1	1	0	0	1	0	0	地址10H写入AR2
1	1	1	0	0	0	1	右端口读出M[10H]

其中将11H写入10H地址后，可以双击双端口RAM，观察到数据成功写入给定的地址中，如下图所示（地址10H，值11H）：

从左端口读出M[10H]如下图所示：

从右端口读出M[10H]如下图所示：

Step6：将控制器产生的控制信号与存储器部分的接线端孔相连接，即控制器的输出LDAR1、AR1_INC、SW_BUS#、CEL#、LRW依次与数据通路的对应信号连接，时序发生器的输入TJI接控制存储器的输出TJ。通过SWC、SWB、SWA的设置选择KWE写存储器，后续采用KRD读存储器。

（1）令DP = 0，DB = 0，DZ = 0，使实验系统处于连续运行状态。令SWC = 0、SWB = 1、SWA = 0，使实验系统处于写双端口存储器工作方式KWE。

按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。置SW7—SW0为80H，按QD按钮，将80H写入AR1。置SW7—SW0为01H，按QD按钮，将01H写入存储器80H单元。AR1自动加1，变为81H。置SW7—SW0为02H，按QD按钮，将02H写入存储器81H单元。AR1自动加1，变为82H。

（2）令DP = 0，DB = 0，DZ =0，使实验系统处于连续运行状态。令SWC = 0、SWB = 0、SWA = 1，使实验系统处于读双端口存储器工作方式KRD。

按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。置SW7—SW0为80H，按QD按钮，将80H写入AR1。按QD按钮，读出该存储单元的数据。按QD，AR1自动加1，变为81H。按QD可读出该单元的存储数据。

1：实验中问题及解决方法

无。

2：在什么情况下出现冲突？出现冲突后，左/右端口在何种条件下可被访问？

在 LRW置为1，CEL＃置为0，CER置为1的情况下，会出现冲突，即左右端口同时读主存的同一个存储单元。

出现冲突后，左右端口在以下条件下可被访问：①如果CER不变，则需要将CEL＃置为1，使得左端口为无效；或者将LRW置为0，使得左端口执行写操作而非读操作，此时可以安全访问。②如果CEL＃和LRW不变，则需要将CER置为0，使得右端口为无效，此时可以安全访问。

在实际的硬件电路中，双端口存储器器件采用以下方式来判断两个端口的信号（即增加BUSY标志判断优先级，或按照两端口读写的先后顺序）：

3：实验总结

IDT7132的右端口无法写入数据，只能进行读出数据。当RRW=1时执行读操作，当RRW=0时执行写操作。本实验中RRW 已接固定高电平，故只能读出数据。
本实验数据线共8条，地址线共11条（8条为SW7至SW0，3条为SWC、SWB、SWA），地址的总容量为2^11*8位，其中SWC~SWA的功能为片选。
LRW为控制双端口RAM左侧进行读写操作的信号，AR1_INC为控制地址寄存器1地址自增的信号。AR1_INC在Step1~Step5中置为0，在Step6中会置为1，使得地址自动实现增加1。
将寄存器R0中的数据存入给定地址中：首先通过SW_BUS置地址，存入AR1中，双端口RAM从AR1中读取地址；然后将R0寄存器的数据通过DR2直通到ALU中，从A端输出到DBUS内，（或者将R0寄存器的数据写入RS0中，从B端输出到DBUS内），双端口RAM从DBUS中写入数据进入给定地址。

存储器由若干个存储单元构成，实现对地址和数据的存储功能；存储单元由若干个存储位元构成，一个存储单元可以对应一个地址或数据；存储位元是0/1存储的最小单位，硬件上存储每一位的高低电平。

控制台方式开关 SWC、SWB、SWA的工作方式如下表所示：

SWC	SWB	SWA	工作方式
0	0	0	PR，启动程序
0	0	1	KRD，读取端口存储器
0	1	0	KWE，写双端口存储器
0	1	1	KLD，加载寄存器堆
1	0	0	KRR，读寄存器堆

当SW_BUS# = 0，LRW = 1，CEL# = 0的时候，有多个器件同时向总线输出，会发生数据冲突，即SW控制台向数据总线输入数据，同时双端口RAM向数据总线输入数据。在虚拟实验中，报错如下图所示：

三、仿真分析

打开仿真软件，仿真面板左下角【数据通路总体图】，参照本实验指导“数据通路总体图”和存储器原理图，从存储器左端口在10H单元存入数据AAH后，并从做左端口读出10H单元中的数据，存入寄存器R1中，并从B端口读出R1的内容输出到总线。写出实现这个功能所需步骤中操作控制信号，按照操作控制信号有效的先后顺序写出。

1：向地址寄存器AR1写入地址10H，此时SW_BUS# =0，LDAR1=1，其余信号设为无效，QD脉冲后完成操作。

2：向双端口RAM左侧写入数据AAH，并存入10H中，此时SW_BUS# =0，CEL# =0，LRW=0，其余信号设为无效，QD脉冲后完成操作。

3：双击双端口RAM，可以查看到地址10H中已经存入AAH，说明存入有效。

4：从双端口RAM左侧读出10H存储的数据，此时CEL# =0，LRW=1，其余信号设为无效，不需要QD脉冲即可在DBUS上读出数据。可以查看到DBUS上端红色的数据显示10101010，说明成功读取。同时由于AR1中的地址没改变，所以不需要重新给AR1写入所读取的存储单元的地址。

5：将读取的数据写入暂存器ER，此时CEL# =0，LRW=1，LDER=1，其余信号设为无效，QD脉冲后完成操作。可以查看到暂存器上端紫色的数据显示为10101010，说明成功写入。

6：将暂存器ER的数据写入RF的R1寄存器中，此时WRD=1，WR1=0，WR0=1，其余信号设为无效，QD脉冲后完成操作。可以查看到寄存器RF左端第二个橙色的数据显示为10101010，说明成功写入R1寄存器。

7：从B端口读出R1的内容输出到总线，此时WR1=0，WR0=1，RS1=0，RS0=1，RS_BUS# =0，其余信号设为无效，不需要QD脉冲即可在DBUS上读出数据。可以查看到DBUS上端红色的数据显示10101010，说明成功读取R1寄存器。
8：流程完成后的最终结果如下图所示：

四、问题回答

根据数据通路总图分析，指令和数据输入到存储器采用在哪种控制台方式？若程序执行应该在哪种控制台方式？

指令和数据输入到存储器时，可以采用PR控制台方式，即SWC=SWB=SWA=0。因为此时人工控制QD来启动相应程序。

如果程序执行第一个红框的内容时，可以采用KRD控制台方式，即SWC=SWB=0，SWA=1。因为第一个红框先通过SW7至SW0向AR1输入地址，然后从RAM左端口读出对应的数据到DBUS上，按QD后AR1中的地址自增1，而后重复从左端口读出数据的过程。即从起始输入的地址开始，连续对后面的存储单元读取数据，直到按下CLR#终止操作为止。

如果程序执行第二个红框的内容时，可以采用KWE控制台方式，即SWC=SWA=0，SWB=1。因为第二个红框先通过SW7至SW0向AR1输入地址，然后从RAM左端口写入对应的数据进地址，按QD后AR1中的地址自增1，而后重复从左端口写入数据的过程。即从起始输入的地址开始，连续对后面的存储单元写入数据，直到按下CLR#终止操作为止。

各控制台方式的具体内容如下表所示：

控制台方式	具体内容
PR	PR是启动程序方式。首先在 SW7 一 SW0 指定启动地址，按启动按钮 QD 后，启动程序运行。
KRD	KRD是读取端口存储器方式。 (l)首先在 SW7 一 SW0 置好存储器地址; 按 QD 按钮，则将此地址打入地址寄存器 ARl，并读出该地址存储器内容到数据总线 DBUS。 (2)每按一次 QD 按钮，地址寄存器 ARl 加 l，并读出新地址存储器内容到数据总线 DBUS。依次进行下去，直到按复位按钮 CLR#为止。
KWE	KWE是写双端口存储器方式。 (l)首先在 SW7 一 SW0 置好存储器地址; 按 QD 按钮，则首先将此地址打入地址寄存器 ARl，然后等待输入数据。 (2)在 SW7 一 SWO 置好数据，按 QD 按钮，首先写数据到 ARl 指定的存储器单元，然后地址寄存器 ARl 加 l，等待新的输入数据。依次进行下去，直到按复位按钮 CLR#为止。
KLD	KLD是加载寄存器堆方式，用于对寄存器堆加载。（1）首先在 SW7 一 SW0 置好存储器地址，按 QD 按钮，则将此地址打入地址寄存器 ARl 和地址寄存器 AR1。 (2)在 SW7 一 SW0 置好数据，数据的低 2 位 Dl、D0 为寄存器堆中的寄存器号，按一次 QD 按钮，则写数据到 ARl 指定的存储器单元;然后将写入的数据从右端口读出，并送入指令寄存器 IR。 (3)在 SW7 一 SW0 置好数据，该数据为写入寄存器的数据，寄存器号由 IR 低 2 位指定。按 QD 按钮，则首先将此数据写入寄存器 ER，然后将 ER 中的数据写入指定的寄存器。 (4) 返回(2)，依次进行下去，直到按复位按钮 CLR#为止。
KRR	KRR是读寄存器堆方式，用于读寄存器堆中的寄存器。 (1)首先在 SW7 一 SW0 置好存储器地址，按 QD 按钮，则将此地址打入地址寄存器 ARl 和地址寄存器 AR1。 (2) 在 SW7 一 SW0 置好数据，数据的 D3、D2 位为寄存器堆中的寄存器号，按一次 QD 按钮。则与数据到 ARl 指定的存储器单元;然后将写入的数据从右端口读出，并送入指令寄存器 IR。同时将 IR3、IR2 指定的寄存器送往数据总线 DBUS。拨动开关 IR/DBUS 可看到 IR 的值和 IR 指定的寄存器的值。 (3)返回(2)，依次进行下去，直到按复位按钮 CLR#为止。