实验二 系统总线和具有基本输入输出功
能的总线接口实验
一. 实验目的
1.理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。
2.掌握中断控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计中断控制信号线的方法。
二. 实验内容
由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和
CPU内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。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。
由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示： I/O地址译码原理图 A07 A06 00 01 10 11 I/O地址空间分配
CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制 读写控制逻辑
M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。
在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要
片 选 IO_nCE0 IO_nCE1 IO_nCE2 IO_nCE3 地址范围 00-3F 40-7F 80-BF C0-FF 求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。
三. 实验过程和图片
1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程： ①输入设备将一个数打入R0寄存器。 ②输入设备将另一个数打入地址寄存器。
③将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。
④将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。 2、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42) ALU单元：rR0、wR0 ALU单元：IN0..IN7(JP22) MAR单元：nMAROE、—— —— —— —— —— 存贮器MEM单元：A0..A7(JP72) 存贮器MEM单元：D0..D7(JP73) 存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71) IN单元：IN0..IN7(JP101) IN单元：nRD IN单元：nCS OUT单元：nWR(JP68) OUT单元：nCS —— —— —— —— —— —— —— —— CBus单元：nIO_WR(JP48) 扩展区单元：GND 开关区单元：K11、K10(JP94) iDBusABusDBus单单单元元元：：：iD0..iD7(JP38) A00..A07(JP56) D0..D7(JP53) CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44) DBusCBus单单元元：：D0..D7(JP52) nIO_RD(JP49) 扩展区单元：GND wMAR(JP13) MAR单元：D0..D7(JP14) iDBus单元：JP37 开关区单元：K5..K12(JP92) 开关区单元：K9、K8 OUT单元：JP69 OUT单元：JP70
—— —— DBus单元：D0..D7(JP54) 扩展区单元：JP65 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。
3、具体操作步骤图示如下：
在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。
(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总线)
(2) 打开实验仪电源
(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器
将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。
wR0 = 1，结束写R0操作
(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元
将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。
rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。
rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。 (5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。
将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。
wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。 wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。
(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。
rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设
备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，
在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、
nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。
四. 实验体会
1、存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，因此需要外部总线提供数据信 号、地址信号以及控制信号。 2、外部总线和 CPU 内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。 而地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。 3.为了实现对于 MEM 和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 设备的读写 4、WR=0，RD=1，IOM=0时 E0 灭，表示存储器读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=0） 连续按动开关ST，当指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭，表示存储器写功能信号有效。 WR=0，RD=1，IOM=1时，E2 灭，表示 I/O 读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=1）时，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E3 灭，表示 I/O 写功能信号有效。 5、在接线时为了方便，可将管脚接到 CON 单元闲置的开关上，若开关打到 1，等效于接到VCC；若开关打到0，等效于接到GND。
实验三 具有中断控制功能的总线接口实验&具有DMA控制功能的总线接口实验
一. 实验目的
DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。
二. 实验内容
直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。
DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。 外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。
实验原理图
如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。
在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。