Multisim在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

于湛麟

（渤海大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[1]，是涉及計(jì)算機(jī)內(nèi)部工作機(jī)理的硬件類實(shí)驗(yàn)，

主要內(nèi)容包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、時(shí)序電路、總線傳輸控制和模型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等多方面的技能，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力以及認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)一般是采用專用的實(shí)驗(yàn)箱，存在的主要問(wèn)題是，硬件結(jié)構(gòu)固定，在計(jì)算機(jī)組成、功能實(shí)現(xiàn)等方面直觀性較差，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的主要工作僅僅是在相應(yīng)硬件模塊間插接連線，大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能自己設(shè)計(jì)模塊，所有的實(shí)驗(yàn)很難突破實(shí)驗(yàn)箱的限制，因此不能很好的加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解，更談不上培養(yǎng)創(chuàng)新能力了。

Multisim10是一種專門用于電路仿真和設(shè)計(jì)的軟件之一[2－8]，最大的特點(diǎn)是高度的系統(tǒng)集成化、圖形化，簡(jiǎn)單易用、形象直觀。電路的原理圖輸入構(gòu)建、仿真、分析和結(jié)果顯示均在同一個(gè)環(huán)境中完成，不需在不同的應(yīng)用程序間來(lái)回切換；各種元器件形象直觀，電路結(jié)構(gòu)和形式與教材完全相同，整個(gè)軟件系統(tǒng)的操作過(guò)程較為簡(jiǎn)便，學(xué)習(xí)和使用很方便。

在Multisim仿真軟件中虛擬仿真計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，是一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢W(xué)生可把重點(diǎn)放在計(jì)算機(jī)各組成部分的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證上，即豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和手段，又有效地提高了實(shí)驗(yàn)的直觀性及效果，使實(shí)踐環(huán)節(jié)更好地達(dá)到教學(xué)目的。

以下用Multisim10版本對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的存儲(chǔ)器進(jìn)行仿真研究。

1 Multisim仿真實(shí)現(xiàn)方案

1.1 靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM6116的邏輯功能

存儲(chǔ)器仿真，選用靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM6116為核心器件，6116的功能表如表1所示。其中～CS為片選信號(hào)，～OE為輸出允許信號(hào)，～WE為寫允許信號(hào)，I/O0～I(xiàn)/O7為 8位數(shù)據(jù)輸入/輸出端口。

SRAM6116有A10～A0為11位地址輸入量，存儲(chǔ)容量為2k×8位，通過(guò)虛擬仿真，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的讀寫工作過(guò)程及工作特性。

表1 6116功能表Tab.1 Function table for 6116

1.2 存儲(chǔ)器的Multisim仿真原理

在Multisim10中構(gòu)建的存儲(chǔ)器仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

通過(guò)局部總線BUS1連接的8位開關(guān)組J1、電阻R8～R1、地址寄存器74LS273用于產(chǎn)生和存放8位地址。8位開關(guān)組的狀態(tài)設(shè)置成由鍵盤上的 8、7、6、5、4、3、2、1 鍵控制，開關(guān)向下?lián)軇?dòng)為0、向上撥動(dòng)為1；地址寄存器74LS273的輸出端接外部地址總線A－BUS，地址值由8個(gè)指示燈X18～X11顯示，燈亮為 1、等滅為 0；狀態(tài)受開關(guān)J2、J3控制的信號(hào) LDAR、T3經(jīng)與門74LS08產(chǎn)生地址寄存器74LS273的CLK時(shí)鐘輸入信號(hào)。

圖1 Multisim10中存儲(chǔ)器的仿真電路Fig.1 Simulation circuit of the memory in Multisim 10

通過(guò)局部總線BUS2連接的8位開關(guān)組J4、電阻R16～R9用于產(chǎn)生8位輸入數(shù)據(jù)值，8位開關(guān)組的狀態(tài)設(shè)置成由鍵盤上的 Q、W、E、R、T、Y、U、I鍵控制，開關(guān)向下?lián)軇?dòng)為 0、向上撥動(dòng)為1。局部總線BUS2、外部數(shù)據(jù)總線D－BUS之間通過(guò)三態(tài)傳輸門74LS126連接，三態(tài)傳輸門的控制端受開關(guān)F控制，開關(guān)接5 V時(shí)三態(tài)傳輸門處于工作狀態(tài)、開關(guān)接地時(shí)三態(tài)傳輸門處于禁止?fàn)顟B(tài)。外部數(shù)據(jù)總線D－BUS上的數(shù)據(jù)值由8個(gè)指示燈X28～X21顯示，燈亮為1、等滅為0。進(jìn)行寫操作時(shí)三態(tài)傳輸門處于工作狀態(tài)，指示燈X28～X21顯示的是經(jīng)三態(tài)傳輸門傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)總線D－BUS上的輸入數(shù)據(jù)值；進(jìn)行讀操作時(shí)三態(tài)傳輸門處于禁止?fàn)顟B(tài)，指示燈X28～X21顯示的是靜態(tài)存儲(chǔ)器6116輸出的數(shù)據(jù)值。

靜態(tài)存儲(chǔ)器SAM使用一片6116。6116芯片的地址線的低8位 A0～A7接在外部地址總線A－BUS上、高3位A8～A10接地，數(shù)據(jù)線I/O0～I(xiàn)/O7接在外部數(shù)據(jù)總線D－BUS上，6116芯片的實(shí)際使用容量為28=256字節(jié)。6116芯片的工作狀態(tài)由開關(guān)J6產(chǎn)生的CE信號(hào)控制，CE=0時(shí)存儲(chǔ)器工作、CE=1時(shí)存儲(chǔ)器不工作；6116芯片的讀、寫方式由開關(guān)J7產(chǎn)生的WE信號(hào)控制，WE=0時(shí)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作、WE=1時(shí)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作。

1.3 存儲(chǔ)器仿真電路的讀寫過(guò)程

寫入的仿真過(guò)程如圖2所示，表2所示是按寫入步驟寫入數(shù)據(jù)的示例。

圖2 寫入的仿真過(guò)程Fig.2 Write the simulation process

讀出的仿真過(guò)程如圖3所示。按圖3所示的讀出仿真過(guò)程可讀出表2所示各數(shù)據(jù)單元的內(nèi)容，觀察到讀出與寫入的內(nèi)容相同，從而驗(yàn)證了存儲(chǔ)器[9]的讀寫工作過(guò)程。

2 結(jié)束語(yǔ)

從以上的分析可以看出，在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中可以較為方便地引入Multisim10仿真系統(tǒng)，從而豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和手段，與以往傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可把重點(diǎn)放在模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真、驗(yàn)證上，彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)組成、功能實(shí)現(xiàn)等方面直觀性較差的不足，使實(shí)踐環(huán)節(jié)更好地達(dá)到教學(xué)目的。仿真系統(tǒng)的引入，也是學(xué)生接觸到了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的新方法、新手段，激發(fā)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，使整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的效果得到很大提高。

表2 6116的寫入數(shù)據(jù)表Tab.2 6116 write data table

圖3 讀出的仿真過(guò)程Fig.3 Read out the simulation process

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