Multisim在計算機組成原理實驗中的應用

于湛麟

（渤海大學 信息科學與技術(shù)學院，遼寧 錦州 121000）

計算機組成原理實驗是計算機組成原理課程的實驗環(huán)節(jié)[1]，是涉及計算機內(nèi)部工作機理的硬件類實驗，

主要內(nèi)容包括運算器、存儲器、控制器、時序電路、總線傳輸控制和模型機系統(tǒng)設(shè)計等。通過實驗可使學生掌握計算機硬件設(shè)計、制造、調(diào)試和運行維護等多方面的技能，訓練學生的動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力以及認真、嚴謹?shù)目蒲凶黠L。

傳統(tǒng)的計算機組成原理實驗一般是采用專用的實驗箱，存在的主要問題是，硬件結(jié)構(gòu)固定，在計算機組成、功能實現(xiàn)等方面直觀性較差，學生實驗時的主要工作僅僅是在相應硬件模塊間插接連線，大多是驗證性實驗，學生不能自己設(shè)計模塊，所有的實驗很難突破實驗箱的限制，因此不能很好的加強學生對課程理論知識的理解，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)計的軟件之一[2－8]，最大的特點是高度的系統(tǒng)集成化、圖形化，簡單易用、形象直觀。電路的原理圖輸入構(gòu)建、仿真、分析和結(jié)果顯示均在同一個環(huán)境中完成，不需在不同的應用程序間來回切換；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，整個軟件系統(tǒng)的操作過程較為簡便，學習和使用很方便。

在Multisim仿真軟件中虛擬仿真計算機組成原理實驗，是一種先進的實驗模式，學生可把重點放在計算機各組成部分的設(shè)計和仿真驗證上，即豐富了實驗內(nèi)容、方法和手段，又有效地提高了實驗的直觀性及效果，使實踐環(huán)節(jié)更好地達到教學目的。

以下用Multisim10版本對計算機組成原理的存儲器進行仿真研究。

1 Multisim仿真實現(xiàn)方案

1.1 靜態(tài)存儲器SRAM6116的邏輯功能

存儲器仿真，選用靜態(tài)存儲器SRAM6116為核心器件，6116的功能表如表1所示。其中～CS為片選信號，～OE為輸出允許信號，～WE為寫允許信號，I/O0～I/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，存儲容量為2k×8位，通過虛擬仿真，驗證數(shù)據(jù)的讀寫工作過程及工作特性。

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

1.2 存儲器的Multisim仿真原理

在Multisim10中構(gòu)建的存儲器仿真實驗系統(tǒng)如圖1所示。

通過局部總線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)軇訛?、向上撥動為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 LDAR、T3經(jīng)與門74LS08產(chǎn)生地址寄存器74LS273的CLK時鐘輸入信號。

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

通過局部總線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)軇訛?0、向上撥動為1。局部總線BUS2、外部數(shù)據(jù)總線D－BUS之間通過三態(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時三態(tài)傳輸門處于工作狀態(tài)、開關(guān)接地時三態(tài)傳輸門處于禁止狀態(tài)。外部數(shù)據(jù)總線D－BUS上的數(shù)據(jù)值由8個指示燈X28～X21顯示，燈亮為1、等滅為0。進行寫操作時三態(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；進行讀操作時三態(tài)傳輸門處于禁止狀態(tài)，指示燈X28～X21顯示的是靜態(tài)存儲器6116輸出的數(shù)據(jù)值。

靜態(tài)存儲器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/O7接在外部數(shù)據(jù)總線D－BUS上，6116芯片的實際使用容量為28=256字節(jié)。6116芯片的工作狀態(tài)由開關(guān)J6產(chǎn)生的CE信號控制，CE=0時存儲器工作、CE=1時存儲器不工作；6116芯片的讀、寫方式由開關(guān)J7產(chǎn)生的WE信號控制，WE=0時存儲器進行寫操作、WE=1時存儲器進行讀操作。

1.3 存儲器仿真電路的讀寫過程

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

圖2 寫入的仿真過程Fig.2 Write the simulation process

讀出的仿真過程如圖3所示。按圖3所示的讀出仿真過程可讀出表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，從而驗證了存儲器[9]的讀寫工作過程。

2 結(jié)束語

從以上的分析可以看出，在計算機組成原理實驗中可以較為方便地引入Multisim10仿真系統(tǒng)，從而豐富了實驗內(nèi)容、方法和手段，與以往傳統(tǒng)的實驗方法相比，學生在實驗過程中可把重點放在模型計算機的設(shè)計和仿真、驗證上，彌補了真實實驗在計算機組成、功能實現(xiàn)等方面直觀性較差的不足，使實踐環(huán)節(jié)更好地達到教學目的。仿真系統(tǒng)的引入，也是學生接觸到了現(xiàn)代電子設(shè)計的新方法、新手段，激發(fā)了學生的積極性和創(chuàng)造性，使整個課程實驗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 讀出的仿真過程Fig.3 Read out the simulation process

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