頭歌計(jì)算機(jī)組成原理存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（字庫存儲(chǔ)芯片，MIPS寄存器文件設(shè)計(jì)）

實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)只有兩道題目，但其實(shí)具有一定難度，這兩題分別為漢字字庫存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和MIPS寄存器文件設(shè)計(jì)，這次實(shí)驗(yàn)利用logisim進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為兩個(gè)主要部分，在這兩個(gè)部分中依次對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了介紹。

字庫存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

1.1設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)有如下 ROM 組件，4片4K32位 ROM ，7片 16K32位 ROM，實(shí)驗(yàn)中有一個(gè) 16*16 點(diǎn)陣字庫文件（存儲(chǔ)字庫的存儲(chǔ)系統(tǒng)），由 7 片 16K× 32 位 ROM 和一個(gè)空白器件構(gòu)成?？瞻滋幈硎救鄙僖粋€(gè)器件，請(qǐng)按照字?jǐn)U展（容量擴(kuò)展，地址線擴(kuò)展）的方式利用圖中第一行所給出的 4 片 4K×32 位 ROM 的 存儲(chǔ)器完成最終字庫存儲(chǔ)器，并把字庫數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分割后，存入這 4 片 4K ×32 位的 ROM 中。

字庫電路輸入輸出引腳如圖所示，輸入引腳是 7 位的區(qū)號(hào)和位號(hào)；輸出 引腳是 32 位的 D7～D0，每一個(gè)輸出都是 32 位的漢字點(diǎn)陣信息，用于連接到漢 字點(diǎn)陣輸入端（拆分為高低 16 位）

1.2設(shè)計(jì)原理

1.2.1 字括展

由題目得，要求我們用4片4K×32 位ROM按照字?jǐn)U展的括展方式實(shí)現(xiàn)16K×32位ROM，因此這邊給大家介紹一下字括展的原理

字括展也稱為容量括展或地址總線括展，當(dāng)存儲(chǔ)芯片的存儲(chǔ)容量不能滿足存儲(chǔ)器對(duì)存儲(chǔ)容量的要求時(shí)，需要進(jìn)行字括展的方式來括展，其中需要將所有存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線，讀寫控制線各自并聯(lián)，同時(shí)分別與CPU的數(shù)據(jù)線和讀寫控制線連接，各存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)可以由CPU多余的地址線通過譯碼器譯碼產(chǎn)生，通過計(jì)算得出，為實(shí)現(xiàn)上圖電路，共需要16K/4K=4個(gè)ROM芯片實(shí)現(xiàn)

1.2.2 地址線連接

cpu分為地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，地址線是用來傳輸?shù)刂沸畔⒂玫?，因?yàn)樾枰?6K×32位的ROM系統(tǒng)，所以目標(biāo)芯片中含有16K個(gè)地址，對(duì)應(yīng)著14條地址線（2的14次方=16K）,其中備用芯片12條地址線，高兩位（分線器分開）用作片選，可以接到2-4譯碼器的輸入端，在這邊的話，需要分線器進(jìn)行工作，將14個(gè)地址分開，分為低12位和高兩位，對(duì)其進(jìn)行編輯，將0-11設(shè)為0，其他位為1，高兩位地址用于芯片的選擇。

低 12 位地址直接連 4K×32b 的 ROM 芯片的地址線。4 個(gè)芯片的 32 位輸出直接連到 D1，因?yàn)橥瑫r(shí)只有一個(gè)芯片工作，因此不會(huì)沖突

1.2.3 數(shù)據(jù)線連接

題目告訴我們，數(shù)據(jù)為32位，但輸出LED矩陣位為16×16，所以說，該數(shù)據(jù)線應(yīng)該有16位

每個(gè)16K×32b 的 ROM 的內(nèi)部各自存儲(chǔ) 16K 個(gè)地址，每個(gè)地址里存放 4 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。地址范圍都一樣：0x0000～0x3FFF

4 個(gè) 4K×32b 的 ROM，地址范圍分別是也都一樣：0x000～0xFFF，每個(gè)共有 4K個(gè)地址，現(xiàn)在需要把 16K×32b 的 ROM 中的數(shù)據(jù)按照順序 每 4K 個(gè)為一組分為四組，分別放到 4 個(gè) 4K×32b 的 ROM 中去。HZK16_1 .txt 中的 1～4096 個(gè)數(shù)據(jù)放到 0 號(hào) 4K 的 ROM 中，4097～ 8192 個(gè)數(shù)據(jù)放到 1 號(hào) 4K 的 ROM 中，8193～12288 個(gè)數(shù)據(jù)放到 2 號(hào) 4K 的 ROM 中，12289～16384 個(gè)數(shù)據(jù)放到 3 號(hào) 4K 的 ROM 中

1.2.4 片選信號(hào)連接

在運(yùn)行時(shí)，還需要對(duì)于片選信號(hào)線進(jìn)行連接，將鼠標(biāo)放置在上面，會(huì)得到相應(yīng)的記錄，如得到信號(hào)是1，不工作。對(duì)于連接片選信號(hào)線，可以選擇譯碼器或是多路選擇器，我選擇的是譯碼器，連接原理為：將整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)地址線的高位用于譯碼器的輸入端，而譯碼器的輸出端用于連接四個(gè)芯片各自合適的片選信號(hào)線。

在頁面中增加一個(gè)譯碼器，數(shù)據(jù)位寬改為2，對(duì)于連發(fā)，需要進(jìn)行討論，對(duì)應(yīng)的16K數(shù)據(jù)放置芯片位置，需要對(duì)應(yīng)其譯碼器的連接

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

1.理解題目，按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)四個(gè)4×32位的芯片進(jìn)行字括展，使其成為16K×32位的芯片

2.了解數(shù)據(jù)線，地址線，片選信號(hào)的連接方式，然后進(jìn)行連接

3.地址線通過分線器來進(jìn)行分離，其中還需要對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，分為高2位和低14位，高位為1，低位為0

4.之后對(duì)于片選信號(hào)進(jìn)行連接，加入譯碼器，其中譯碼器位寬為2，可選為00，01，10，11四個(gè)信號(hào)

5.進(jìn)行編譯測評(píng)，改正錯(cuò)誤

1.4故障與調(diào)試

1.4.1 LED燈展示不正確

故障現(xiàn)象：LED無法正確明亮與熄滅

原因分析：結(jié)果檢查，線條的連接沒有問題，應(yīng)該是只讀存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存在問題，

解決方案：四個(gè)4K×32位的ROM當(dāng)中，數(shù)據(jù)并不是平分的，并且對(duì)于不同的連接方式，前4k的數(shù)據(jù)需要放在不同的芯片當(dāng)中

1.5測試與分析

自行測試與頭歌網(wǎng)測試皆正確

1.6最終電路圖

MIPS寄存器文件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

利用 Logisim平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)簡化的MIPS寄存器文件，內(nèi)部包含 4個(gè) 32 位寄存器。通過 R1#、R2#給定兩個(gè)寄存器的地址編號(hào)，就可以從右側(cè)的 R1、R2 引腳 讀讀出對(duì)應(yīng)寄存器的值。輸入引腳還包括寫入寄存器的編號(hào) W#，數(shù)據(jù)寫入引腳 Din，當(dāng)寫使能信號(hào) WE 有效，時(shí)鐘的配合下將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通過 Din 端寫入寄存器文件內(nèi)部對(duì) 應(yīng)的寄存器中具體引腳為下圖所示

2.2設(shè)計(jì)原理

2.2.1 封裝

首先需要看寄存器文件的封裝，由輸入引腳（R1,R2,W#，Din,WE，CLK時(shí)鐘信號(hào)）

2.2.2 讀控制電路設(shè)計(jì)

R1,R2分別為讀寄存器的編號(hào)，我們寄存器設(shè)計(jì)好之后，一次可以讀入兩個(gè)寄存器里面的值，那么指定哪兩個(gè)寄存器里面的值輸出呢，那就需要我們通過R1#,R2#這兩個(gè)信號(hào)，給出寄存器的編碼，然后RD1,RD2分別是寄存器一二的數(shù)據(jù)輸出引腳，它工作原理為，如果對(duì)寄存器文件進(jìn)行讀的話，可以讀出寄存器中的值，寄存器由R1#,R2#的編號(hào)來指定是那兩個(gè)寄存器，值由RD1,RD2進(jìn)行輸出。

由指令執(zhí)行過程中，需要讀兩個(gè)寄存器的值，把他們送到目的寄存器中，所讀寄存器的編號(hào)，由電路設(shè)計(jì)決定，為源寄存器中的編碼決定的，由RD1,RD2進(jìn)行輸出。

數(shù)據(jù)輸出可以根據(jù) R1#、R2#的編碼控制多路選擇器進(jìn)行選擇輸出。也可以采用譯碼器+三態(tài)門進(jìn)行輸出控制。由于這里需要同時(shí)讀出兩個(gè)寄存器，所以相關(guān)邏輯必須有兩份。

2.2.3 寫控制電路設(shè)計(jì)

W#這個(gè)輸入引腳，是寫寄存器的時(shí)候用，寫寄存器時(shí)，要求WE,W#信號(hào)有效，然后數(shù)據(jù)從Din輸入引腳寫入數(shù)據(jù)，Din為32位，所有寄存器皆為32位。WE為寫使能信號(hào)，數(shù)據(jù)必須由W#指定寫入哪個(gè)寄存器，同時(shí)，WE有效，在時(shí)鐘脈沖下，將Din端數(shù)據(jù)寫到寄存器文件（由W#指定）中。

在指令執(zhí)行時(shí)，通過分線器，將相應(yīng)位提取出來，相應(yīng)位代表著最終指令執(zhí)行之后，想寫入的目的寄存器的編號(hào)，數(shù)據(jù)送到Din端，然后RegWrite也就是寫使能信號(hào)有效后，由CLK信號(hào)，把指定寄存器的數(shù)據(jù)，寫入。

寫入時(shí)根據(jù) W#收到的寫入寄存器編號(hào)，利用譯碼器或多路選擇器選擇具體 寄存器（寫信號(hào) WE 和譯碼信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，令寄存器的使能端 en=1）

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）理解題目，按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行電路連接

（2）W#為兩位，可能值為00，01，10，11。當(dāng)值不同時(shí)，選擇不同寄存器，所以加入譯碼器，通過W#輸出信號(hào)，由輸出信號(hào)進(jìn)行選擇

（3）寫信號(hào)還需要?jiǎng)e的信號(hào)有效，才具備寫入條件，如何控制寫入寄存器，將WE和譯碼信號(hào)的值送入使能端，=1時(shí)，可以寫入

（4）查看寄存器片選信號(hào)，如為1有效，為0無效

（5）同步置1和清零可不連，可以將電源連到地線，一直無效

（6）寫入數(shù)據(jù)要把數(shù)據(jù)輸出引腳連在對(duì)應(yīng)寄存器輸入引腳

（7）選擇與門，并更改與門位寬，W#需要譯碼器，改為兩位，W#連到譯碼器輸入端，然后譯碼器四個(gè)輸出引腳，WE是1時(shí)，W#如果也是1，與門相連

（8）按要求連接，進(jìn)行測試

2.4故障與調(diào)試

2.4.1 位寬不匹配

故障現(xiàn)象：LED無法正確明亮與熄滅

原因分析：題目只給出四個(gè)寄存器，所以只需要兩個(gè)位寬就足夠

解決方案：將位寬改為2

2.5測試與分析

自行測試與頭歌網(wǎng)測試皆正確

2.6最終電路圖

審核編輯：湯梓紅