计算机组成原理：系统总线与总线接口实验

实验名称: 3. 系统总线与总线接口实验

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。

实验设备

PC机一台，TDX-CMX实验系统一套。

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（控制总线）、（地址总线）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。

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）：（0）

　　（6）G1N引脚接地的目的是：（低电平输入，使能Y10N~Y13N信号）

 

 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：（T3由时序单元的TS3给出，保证写脉宽与 TS3一致）

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？

答：地址寄存器AR和ALU中的A寄存器。因为这是单总线计算机系统，使用寄存器暂存可以保护数据的完整性，提高系统性能，方便数据处理，如果不适用这两个寄存器，会造成总线冲突。

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。

答：单总线计算机系统的优点是成本低、简单和效率高，缺点是可扩展性差、性能受限和安全性差。

7、3.2实验中OUT单元LED_B的作用是什么？为什么将其恒接地？

答：LED_B和IOW通过或非门作为74LS273的触发控制端，LED_B接地，使得CP端只有IOW来控制。这样只有在向OUT写时，会改写OUT数据，其他时候O UT数据不变。

实验步骤

(1)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。

(2)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。

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， 按动 CON 单元的总清按钮 CLR，然后

按下面的顺序依次完成操作，并在数据通路图中观测结果。

① 输入设备将 11H 写入 A 寄存器。

② 将 A 中的数据 11H 写入存储器 01H 单元。

③ 将当前地址的存储器中的数写入到 A 暂存器中。

④ 将 A 暂存器中的数送往 LED 数码管进行显示。

(3) 将得到的时序图上传到3.1时序图中。

(4) 实验3.2：

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。依次完成下列操作：

① 输入设备将 22H 写入 A 寄存器。

② 将 A 中的数据写入存储器 01H 单元。

③ 改变地址和数据，重复过程①、②，将数据 44H 写入存储器 02H 单元。

④ 将 01H 存储器中的数送入 A 寄存器中。

⑤ 将 02H 存储器中的数送入 B 寄存器中。

⑥ 将 ALU 的运算结果写入存储器 00H 单元。

⑦ 将 00H 存储器中的数送入 A 寄存器中。

⑧ 将 A 寄存器中的数送往 LED 数码管进行显示。操作结束后，数码管显示结果为（66）。

(5) 将得到的时序图上传到3.2时序图中。

实验结果及分析

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。

　　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。

 

　　1.统一编址将I/O地址作为存储器地址的一部分，占有了存储空间；独立编址需要设立 I/O专用指令，不影响主存容量。3-1-5中的模型是独立编址，因为有专门的I/O与内存的切换开关。

　　2.可以。LDA、LDB 置为 0，关闭 A、B 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置为1,0,1。对 OUT 单元进行写操作。连续四次点击图形界面上的“单节拍运行”按扭.

实验总结

理解了总线的概念及其特性。 掌握了控制总线的功能和应用。

理解了总线的功能和和典型工作流程。