计算机组成原理实验三-----系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验

    总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是计算机各部件之间进行信息传输的公共通路。

总线不只是一组简单的信号传输线，它还是一组协议。他有两大特征 

•  分时:  同一总线在同一时刻，只能有一个部件占领总线发送信息，其他部件要发送信息得在该
  部件发送完释放总线后才能申请使用。
• 共享: 在总线上可以挂接多个部件，它们都可以使用这一信息通路来和其他部件传送信息。

总线结构是决定计算机性能、功能、可扩展性和标准化程度的重要因素。

一、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。
3. 理解总线的功能和和典型工作流程。
4. 掌握在总线上协调ALU和外设交换数据的方法。

二、实验预习

1、阅读实验指导书，然后回答问题。

本实验所使用的系统总线可分为（地址总线）、（控制总线）和（数据总线），分别提供存  储器和输入/输出设备所需的信号及数据通路。其中，总线上各个设备的片选信号由(地址)总线的高位通过74LS139芯片译码后获得。系统总线和CPU内部总线之间通过（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。为了区分对主存和外设  的读写操作，还需要一个（读写控制）逻辑，使得 CPU 能按需区分对 MEM 和I/O 设备的读写。

单总线不是一个线，是一套设备。 

2.根据 74LS139 双译码器集成电路的管脚图回答问题。

1. )  输出Y10N~Y13N对应的信号输入端是：（A1 B1）
2. )  输出Y10N~Y13N对应的使能端是：（G1N）
3. )  输出Y20N~Y23N对应的信号输入端是：（A2 B2）
4. )  输出Y20N~Y23N对应的使能端是：（G2N）
5. )  已知该芯片悬空的输入端等同于高电平，则Y20N应输出（0/1）：（1）
6. )  G1N引脚接地的目的是：（低电平有效,为使Y10N~Y13N工作）

3、根据读写控制逻辑的原理图，回答下列问题。

（1）当CPU读取主存时，RD、IOM信号分别为（0/1）：（1 0）

此时送往主存的控制信号XMRD和XMWR分别为（0/1）：（0 1）

（2）当CPU写入I/O设备时，WR、IOM信号分别为（0/1）：（1 1）

此时送往I/O设备的控制信号XIOW和XIOR分别为（0/1）：（0 1）

（3）信号T3的来源和作用是：（来源：T3由时序单元的Ts3给出 作用：保证脉宽与T3一致）

4、根据总线传输实验框图，回答下列问题。          

   写出从总线的视角看，与其相连的各设备的信息传输方向。

(1）数据输入开关的信息传输方向（输入/输出/双向）：（输入）

(2）地址寄存器的信息传输方向（输入/输出/双向）：（输出)

(3）存储器的信息传输方向（输入/输出/双向）：（双向）

（4）数码管的信息传输方向（输入/输出/双向）：（输出）

（5）寄存器R0的信息传输方向（输入/输出/双向）：（双向）

5.将IN单元的输入数据写入存储器的过程中用到了哪个寄存器？为什么要用寄存器作为数据暂存？ 

用到A寄存器,因为IN单元和数据寄存器，数据寄存器和数据总线有数据通路，可以进行数据交换，而计算机现有的硬件逻辑不支持CPU直接读取IO设备中的内容。

 6、结合3.2的实验操作步骤，分析单总线计算机系统的优缺点

单总线结构：CPU、主存、I/O设备都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息

• 优点：结构简单、成本低、易于接入新的设备
• 缺点：带宽低、负载重、多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并行操作；另外像CPU、主存它们的速度是很快的，但是像硬盘这些设备速度要很慢，所以这种方式也不科学

实验操作

1.读写逻辑设计实验

操作

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。

① 对 MEM 进行读操作 （WR=0，RD=1，IOM=0),此时 L14 灭,表示存储器读功能信号有效。

② 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，L15 灭,表示存储器写功能信号有效。

③ 对 I/O 进行读操作 （WR=0，RD=1，IOM=1），此时 L12 灭，表示 I/O 读功能信号有效。

④ 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，L13 灭，表示 I/O 写功能信号有效。

2. 基本输入输出功能的总线接口实验。

(2)连线

 （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CLR，
• 然后按下面的顺序操作，在数据通路图中观测结果。

① 输入设备将 11H 写入 A 寄存器。

• 将 ALU_B 置为 1，关闭 A 寄存器的输出；
• WR、RD、IOM 分别置为 0、1、1，对 IN 单元进行读操作；
• IN 单元置 00010001，LDA 置为 1，打开 A 寄存器的输入；
• LDAR 置为 0， 不将数据总线的数写入地址寄存器。
• 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 A 的写入操作。

② 将 A 中的数据 11H 写入存储器 01H 单元。

• 将 ALU_B 置为 1，关闭 A 寄存器的输出；
• WR、RD、IOM 分别置为 0、1、1，对 IN 单元进行读操作。
• LDA 置为 0，关闭 A 寄存器的输入；IN 单元置 00000001（或其他数值）。
• LDAR 置为 1，将数据总线的数写入地址寄存器。
• 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。

实验原始记录

  按实验连接图完成试验箱连线，打开 TDX-CMX 软件，选择联机软件界面中的“【实验】—【简单模型机】”，打开简单模型机实验数据通路图。

点击时序图按钮，打开选择观察信号窗口，或者选择联机软件的“【调试】-【时序观测图】”，选择想要观察的信号并点击确定。

（一）本机运行

1、验证读写控制逻辑的功能。

表 3-1 验证读写控制逻辑实验结果

操作步骤	控制信号状态（用 0/1 表示）
对 MEM 进行读操作	WR	RD	IOM	L12	L13	L14	L15
	0	1	0	1	1	0	1
对 MEM 进行写操作	WR	RD	IOM	L12	L13	L14	L15
	1	0	0	1	1	1	0
对 I/O 进行读操作	WR	RD	IOM	L12	L13	L14	L15
	0	1	1	0	1	1	1
对 I/O 进行写操作	WR	RD	IOM	L12	L13	L14	L15
	1	0	1	1	1	1	1

2、基本输入输出功能的总线接口实验（数据和地址自定义）。

表 3-2 简单总线操作流程实验结果

操作步骤		控制信号状态（用 0/1 表示）
输入数据写入 R0	数据信息	IN-B	RD	R0-B	LDR0
	00010001	0	1	1	0
输入地址写入 AR	地址信息	IN-B	RD	CS	LDAR
	00000001	0	1	0	1
R0 数据写入存储器当前地址		R0-B	LDR0	CS	W&R
		1	0	0	1
在 LED 数码管上显示存储器当前地址的数据		CS	W&R	LED-B	WR
		0	0	0	1

 实验思考题 

1.简述存储器与I/O端口统一编址和独立编址的区别，并判断图3-1-5中的模型机属于何种编址方式？并说明理由。

统一编址：又称存储器映射方式，是把I/O端口当作存储器的单元进行地址分配，这种方式CPU不需要设置专门的I/O指令，用统一的访存指令就可以访问I/O端口

独立编址：又称I/O映射方式，I/O端口的地址空间与主存地址空间是两个独立的地址空间，因而无法从地址码的形式上区分，需要设置专门的I/O指令来访问I/O端口

 属于独立编址，因为有专门的IO指令

2.在3.2实验中，如果ALU的运算结果为外部设备所需的数据，且不需要保存到存储器中，能否不经过存储器而将其直接送往外设（OUT单元的数码管）？如能，请简述操作过程；否则说明为什么。

可以直接将其送往外设，因为ALU和外设之间有一条数据通路 操作过程置alu_b为0，iow为1，wr为1，四个节拍即写入IO。在ALU中计算得到结果后，先将LDA置为0，关闭A寄存器的输入；LDAR置为0， 不将数据总线的数写入地址寄存器；WR、RD、IOM分别置为1、0、1，对OUT单 元进行写操作；再将ALU_B置为0，打开A寄存器的输出。连续四次点击图形界面上的 “单节拍运行”按扭，在T3时刻完成对OUT单元的写入操作，此时OUT单元的结果就是ALU的计算结果。