MIPS RAM设计实验

实验目的

理解主存地址基本概念，理解存储位扩展基本思想，并能利用相关原理构建能同时支持字节、半字、字访问的存储子系统。

主要任务

$\text{Logisim}$ 中 $\text{RAM}$ 组件只能提供固定的地址位宽，数据输出也只能提供固定的数据位宽，访问时无法同时支持字节/半字/字三种访问模式，实验要求利用 $4$ 个 $8$ 位的 $\text{RAM}$ 组件进行扩展，设计完成既能按照 $8$ 位、也能按 $16$ 位、也能按照 $32$ 位进行读写访问的 $32$ 位存储器。
$Addr$ 为 $12$ 字节地址输入（字访问时忽略最低两位，半字访问时忽略最低位，倒数第二位片选，字节访问时，低两位进行片选）。 $Din$ 为 $32$ 位写入数据（不同访问模式有效数据均存放在最低位，高位忽略）。 $Mode$ 为访问模式控制位（ $00$ 表示字访问， $01$ 表示 $1$ 字节访问， $10$ 表示 $2$ 字节访问）。 $WE$ 是写使能， $1$ 表示写入， $0$ 表示读出。 $Dout$ 是读出数据（不同访问模式有效数据均存放在最低位，高位补零）。

实验原理

$Addr$ 为 $12$ 字节地址，低两位为片选地址，高 $10$ 位为 $\text{RAM}$ 的块内地址，每一个 $\text{RAM}$ 可输出一个字节。
先考虑输出。整个字输出时，将四个 $\text{RAM}$ 的数据全部输出。单字输出时根据字节地址末两位，选择一个 $\text{RAM}$ 输出。半字输出时，若地址末两位为 $00$ 或01，输出的是 $0$ 号和 $1$ 号 $\text{RAM}$ 组成的半字；否则，输出 $2$ 号和 $3$ 号 $\text{RAM}$ 组成的半字；因此片选为字节地址的倒数第二位。
再考虑输入，定义每一个 $\text{RAM}$ 的输入为 $In_0,In_1,In_2,In_3$ 。整字输入时， $In_0,In_1,In_2,In_3$ 分别得到 $Din$ 的第 $0\sim7,8\sim15,16\sim23,24\sim31$ 位。单字输入时，根据忽略高位的原则， $In_0,In_1,In_2,In_3$ 都得到 $Din$ 的第 $0\sim7$ 位，然后根据写入片选信号选择一个 $\text{RAM}$ 输入。半字输入时，根据边界对齐和忽略高位的原则， $In_0,In_2$ 得到 $Din$ 的第 $0\sim7$ 位， $In_1,In_3$ 得到 $Din$ 的第 $8\sim15$ 位，然后根据写入的片选信号选择高半字或低半字存储。
接下来分析写入数据时的片选信号，我们可以考虑 $In_0,In_1,In_2,In_3$ 的输入条件（根据 $Mode$ 分类讨论）。若要输入 $In_0$ ：① $Mode=1$ ；② $Mode=2$ ，字节地址末两位为 $00$ ；③ $Mode=3$ ，字节地址倒数第二位为 $0$ 。若要输入 $In_1$ ：① $Mode=1$ ；② $Mode=2$ ，字节地址末两位为 $01$ ；③ $Mode=3$ ，字节地址倒数第二位为 $0$ 。若要输入 $In_2$ ：① $Mode=1$ ；② $Mode=2$ ，字节地址末两位为 $10$ ；③ $Mode=3$ ，字节地址倒数第二位为 $1$ 。若要输入 $In_3$ ：① $Mode=1$ ；② $Mode=2$ ，字节地址末两位为 $11$ ；③ $Mode=3$ ，字节地址倒数第二位为 $1$ 。
可构造数字逻辑电路得到输入的片选信号，与写使能信号通过或门，即可确定是否输入数据。
综上所述，设计完成了既能按照 $8$ 位、也能按 $16$ 位、也能按照 $32$ 位进行读写访问的 $32$ 位存储器。