华中科技大学组原第二次实验报告存储器2014.doc

课 程 实 验 报 告课程名称： 计算机组成原理 专业班级： 信息安全1203班 学 号： U201214xxx 姓 名： xxx 同组成员： xxx 指导教师： 秦磊华 报告日期： 2014年5月 计算机科学与技术学院原创性声明： 本人郑重声明:本实验的实验报告内容，是由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本报告不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果，不存在抄袭行为。特此声明 作者（签字）： 日期： 年 月 日目录1 实验名称32 实验目的33 实验设备34 实验任务35 实验设计方案、电路实现与电路分析45.1 基本芯片介绍45.2 设计方案45.3 电路实现与分析66 实验结果与分析106.1基本功能的检测106.2校验指示灯的检测117 试验中遇到的问题及解决方法118 收获与体会129 参考书目121 实验名称实验名称：半导体存储器实验2 实验目的1掌握半导体随机读写存储器RAM的工作原理特性及其使用方法。2掌握半导体存储器进行读写的过程及读写周期、时序等。3掌握半导体存储器扩充的方法。4掌握对存储数据进行奇偶效验的原理和方法。3 实验设备实验台：JZYL型计算机组成原理实验仪一台；主要芯片：（第5部分会对实验芯片的选取做具体分析）74LS6116：静态存储器芯片 1片74LS244： 八路原码输出三态门 2片74LS193： 同步4位计数器 1片74LS86： 二输入四异或门 4片74LS32： 二输入四或门 1片4 实验任务1 按照下图完成8位存储器基本实验内容。图1. 实验前预习给出的电路图2 为提高存储器读写数据的可靠性，自行设计电路对写入的数据进行编码处理，即形成奇偶效验码，并将产生的校验信息与数据一并保存；并设置一个校验指示灯（当从6116读出信息时，校验指示灯亮；其它情况下灭），对读出的数据通过奇偶效验方式进行验证，检查写入的数据在保存和读出过程中是否出现错误，保证存储器数据写入读出的可靠性。3 冲突说明：读模式下，如果开关为读操作，则无冲突；读模式下，如果开关为写操作，则发生冲突；写模式下，如果开关为读操作，则发生冲突；写模式下，如果开关为写操作，则无冲突；冲突时，报警灯亮，244处于高阻态，6116不工作，7个数据灯、一个校验码灯和一个校验指示灯全灭(和实验台关电源一样)。5 实验设计方案、电路实现与电路分析5.1 基本芯片介绍 74LS6116，74LS244，74LS193芯片的介绍详见参考文献：.组成实验（给学生）整理后常用的芯片资料。5.2 设计方案 （1）主要目的：熟悉静态存储器芯片74LS6116的使用，并完成相应的校验电路和冲突处理电路的设计。 （2）基本思路：根据实验的主要目的，需要设计的电路应该有以下几个部分构成： 存储器部件：主要由一片6116构成，能实现存储器芯片的相关功能。注意到6116还有11个地址输入端，我们就需要考虑怎样设置这11个地址输入。 校验电路：本实验选取偶校验方式（当然也可以选择奇校验）。注意到实际上该校验电路应该包括两个部分，第一部分对6116的输入数据生成校验码，第二部分对6116的输出数据生成校验码。冲突处理电路：根据实验任务对冲突处理的要求，需要解决冲突与非冲突下各指示灯和各芯片的状态转换的电路设计。 （3）详细设计方案与电路各部件架构： A 存储器部件：有8位数据输入端（将最高位设置为校验码），11位地址选择端。若对6116中任一地址均可以实现存入数据，那么这样就要对11个地址选择端均实现可控，但这样做使得在输入与输出时对地址选择端的控制繁琐，因此我们可以选择将地址端的高7位置为低电平，只选择低4位作为真正的地址选择端，这样可以实现对16个连续地址的存取，方便易行。而要对16个连续地址实现控制，需要4个控制信号，可以选择同步4位计数器74LS193实现该控制，因为该芯片的输出端有4个，恰好作为地址控制信号；而且按一次脉冲就能实现地址转换（因可供存放的地址为连续地址），非常方便。B 校验电路：因为我们选取的是偶校验方式，所以根据计算机组成原理P47的公式：，选择二输入四异或门74LS86来实现偶校验码的生成。而实验任务要求对6116的数据输入和输出均要生成相应校验码，还要实现读模式和写模式，因此我们选择一个三态8位缓冲器74LS244，通过它的1G端和2G端实现相应的写模式（此时1G端和2G端为低电平）和读模式（此时1G端和2G端为高电平）。而恰好244的数据端也是8位，与6116的数据端兼容，故可以将244的输出端作为6116的数据输入端。C 冲突处理电路：要求：根据实验任务的要求，冲突时，报警灯亮，244（称为1号244）处于高阻态，6116不工作，7个数据灯、一个校验码灯和一个校验指示灯全灭(和实验台关电源一样)。因为6116的数据输入和输出都在一处端口，所以当6116为读操作时，要将244的数据输出端置为高阻态。具体设计：根据实验任务的要求和6116，244的控制端实现的相关功能，本部分电路设计如下：我们先设置两个开关和,分别代表模式和操作，而且置为高电平时为读模式，置为低电平时为写模式；置为高电平时为读操作，置为低电平时为写操作。而后将6116的端与1异或后再接到端，这样使得信号可以同时控制,使得用一个信号就可以控制6116的读写状态；再将B部分的两个偶校验信号异或后得到的信号P，利用244的状态，再使用一片244（称为2号244），将信号P接入2号244的一个输入端，对应的输出端连接校验指示灯；然后将的输出连接到6116的端和1号244的G端（G端即是将1G和2G串联后得到的控制端），将的输出连接到6116的端，报警灯和2号244的1G端。各部件的相应状态如下表所示。模式操作冲突？/报警灯61161号244校验指示灯数据指示灯0（写）0（写）否00绿写写正常正常0（写）1（读）是11红不高阻灭灭模式操作冲突？/报警灯61161号244校验指示灯续表数据指示灯1（读）0（写）是11红不高阻灭灭1（读）1（读）否01绿读高阻正常正常表1. 冲突处理电路中各部件相应状态注：，（代表2号244的端）；红色（输入信号为高电平），绿色（输入信号为低电平）。报警灯亮红色代表有冲突，亮绿色代表无冲突；校验指示灯亮红色代表数据的存取出错，亮绿色代表数据的存取正确，还有灯灭的状态。数据指示灯有8个，包括最高位的代表校验码的指示灯。6116的“不”代表不工作。 根据上表，可以检验冲突处理电路的设计正确。（4） 电路基本结构图示图2. 电路基本结构5.3 电路实现与分析 （1）存储器部件 由一片6116和一片193组成。将6116的地址选择端A10A4接地；6116的数据输入/输出端I8I1来自244的输出端；再将I8I1连接到8个数据指示灯。6116的控制端，将会在（3）冲突处理电路中具体介绍连线方式。193的输入端DA来自开关；193的QDQA依次连接到6116的地址选择端A3A0；控制端用开关置为“1”；CLR端接开关；CPU，CPD接脉冲信号（与CPU相连的脉冲端表示累加计数，与CPD相连的脉冲端表示累减计数）。图3. 存储器部件的电路连接图 （2）校验电路校验电路由1片244（称为1号244），4片74LS86（二输入四异或门）组成。分三个部分，第一部分是由一片244组成，其余两部分均由2片74LS86组成，分别是对6116的7位数据输入信号和7位数据输出信号进行校验码的生成（输入、输出信号的偶校验位分别称为P1，P2）。具体连接如下：第一部分是由一片244组成。6个数据输入端I0I6均来自开关；7个数据输出端Y0Y7连接到6116的数据输入端；控制端1G和2G串联在一起形成控制信号G。其余两部均是利用偶校验码生成公式将7位数据端通过74LS86异或，具体连接不再赘述。 除开第一部分，其余两部分的逻辑电路图和电路连接图相似，故在此仅给出输入信号的逻辑电路图和电路连接图。图4. 校验电路的逻辑电路图 图5. 校验电路的电路连接图（3） 冲突处理电路本部分电路由1片74LS86（二输入四异或门，与（2）校验电路共用这一芯片），1片74LS32（二输入四或门），1片244（称为2号244）组成；电路的具体连接如下：6116的端与通过74LS86与1异或后再接到端，再将（2）校验电路部分的两个偶校验信号P1和P2通过74LS86异或后得到信号P，将信号P接入2号244的一个输入端I0，对应的输出端Y0连接校验指示灯；然后将和通过74LS08相或以后，输出连接到6116的端和1号244的G端，将和通过74LS86异或以后，输出连接到6116的端，报警灯L2和2号244的1G端。由于本部分的具体电路连接涉及的部件多，所以本部分只给出逻辑电路图，具体的连接将会在总电路图中体现。 图6. 冲突处理电路的逻辑电路图（4）总电路图图7. 总电路图说明：本电路图是半导体存储器实验电路图，由三部分组成，分别是存储器部件，校验电路和冲突处理电路，可实现对静态存储器芯片74LS6116数据的读写，校验和相应的冲突提示与处理功能。6 实验结果与分析6.1基本功能的检测 （1）置为写模式和写操作（即将K1、K2均置为0），将193的输入DA置为0000，CLR置为0，将1号244的数据输入端I0I6依次置为00010000，同时按下与193的CPU端相连的累加脉冲。观察校验码灯（即数据位指示灯的最高位）的变化；然后再置为读模式和读操作（即将K1、K2均置为1），将CLR置为1后再置为0，顺次按下累加脉冲观察数据指示灯的变化。表2. 检测记录表地址端DA数据输入端I6I0校验码灯I8数据指示灯（K1K2=11时）0000000 0001红1000 00010001000 0010红1000 00100010000 0011绿0000 00110011000 0100红1000 01000100000 0101绿0000 0101.1110000 1111绿0000 11111111001 0000红1001 0000该记录表明：校验码灯功能正常，6116的读写正常，达到预期效果。 （2）承接上面相应的操作。置为读模式和写操作，再置为读模式和读操作，观察报警灯，校验指示灯和数据指示灯的变化。置为写模式和读操作，将地址为0010的数据改为010 1001；置为写模式和写操作，此时数据应该写入；再置为读模式和读操作，地址通过累加脉冲改变为0100，再通过累减脉冲改变为原来的0010，观察各阶段各指示灯的变化。将上述步骤再重复一次，此次在写模式读操作时将地址为0001的数据改为001 1100，其余均同，观察各阶段各指示灯变化。表3. 检测记录表模式/操作K1K2地址端DA数据输入端I6I0报警灯L2校验指示灯L1数据指示灯I8I110（读写）-红灭灭11（读读）-绿正常正常01（写读）0010010 1001红灭灭00（写写）0010010 1001绿绿1010 1001模式/操作K1K2地址端DA数据输入端I6I0报警灯L2校验指示灯L1续表数据指示灯I8I111（读读）0100-绿绿0000 010111（读读）0010-绿绿1010 100110（读写）-红灭灭11（读读）-绿正常正常01（写读）0001001 1100红灭灭00（写写）0001001 1100绿绿1001 110011（读读）0100-绿绿0000 010111（读读）0001-绿绿1001 1100该记录表明：报警灯功能正常，6116的读写正常，数据指示灯功能正常，达到预期效果。6.2校验指示灯的检测 在读模式和读操作下，用导线一端接Vcc，另一端短暂碰一下接入8个数据指示灯中显示低电平的导线触点中的一个，可以观察到校验指示灯会变红；接着用导线一端接GND，另一端短暂碰一下接入8个数据指示灯中显示高电平的导线触点中的一个，可以观察到校验指示灯也会变红。该结果表明，校验指示灯功能正常，达到预期效果。7 试验中遇到的问题及解决方法本次实验是组原的第二次实验，较前一次实验有了一定提高。但是难免还会遇到一些问题。遇到的问题以及解决方法如下：1. 193的作用：一开始老师给的电路中出现了193与6116的连接，但是搞不清楚193到底有什么作用，后来清楚了193是控制6116的地址线的，但又不明白193的4个输出是怎样控制6116的11跟地址线的，后来终于搞懂了原来是可以把6116的高7位地址线接地的，这样做可以实现对16个连续地址的存取，方便易行。2. 地址指示灯的设计：了解了193的作用以后，知道了按相应的脉冲和数据输入信号就可以轻松实现数据的写入，但是累加或累减脉冲按多了以后，就不知道数据究竟写到6116的哪儿去了，这浪费了我们一定时间。后来想到可以将193的4个输出端接灯来指示地址值，这样数据存在哪儿就可以清楚地知道，一定程度上加快了实验的效率。3. 6116的读写控制：一开始看6116的功能表，发现它的读操作只由一个输入序列实现（=10），而写操作则是两个输入序列都可以（=00,01），按这样的读写操作控制来设计冲突处理电路，发现要考虑写操作的两种输入序列，非常麻烦。经过一番纠结之后，终于想到了将的输入端与1异或，得到的结果再输入，这样一来，6116的读写操作都各自仅由一个输入序列实现，大大简化了冲突处理电路的设计。 4. 冲突处理电路原理的设计：根据试验任务的要求，冲突处理电路要实现对很多部件指示和控制的功能，一时间不知原理是什么，从哪儿下手。后来经过多次尝试以后终于找到了原理