计算机组成原理实验教程

第3章开 发 环 境本章对本书中实验所涉及的开发软件Logisim、Mars和Vivado进行简要的介绍。 3.1Logisim Logisim是一款简单易用的数字逻辑电路的设计、仿真软件。本节以数字系统中常用的24译码器电路设计为例，详细介绍Logisim软件的设计过程。 3.1.1设计分析 24译码器有2个输入端、4个输出端和1个使能端。当使能端为有效电平时，对应的输出端只有一个有效，其余均为无效电平。具体来说，2个输入变量(A、B)共有4种组合状态，因此译码器有4个输出信号(Y3～Y0)。假定使能端E、输出Y3～Y0均为低电平有效，则24译码器各输出端的逻辑表达式为0=··;1=··B;2=·A·;3=·A·B3.1.2设计过程 打开Logisim软件，如图3.1所示，Logisim用户界面主要由菜单栏、工具栏、元件库、属性区、编辑区和缩放区构成。 图3.1Logisim用户界面 菜单栏： 主要包括文件(File)、编辑(Edit)、工程(Project)、仿真(Simulate)、窗口(Window)和帮助(Help)6个下拉菜单。其使用方法和常用的Windows软件类似。 工具栏： 主要包含了常用命令的快捷按钮。灵活运用工具栏可以极大地方便用户在Logisim中的操作。 元件库： 提供了数字系统逻辑设计中常用的部件，包括基本的门单路(Gates)、连线(Wiring)、编/译码器(Plexers)、算术单元(Arithmetic)、存储器(Memory)、输入/输出(Input/Output)以及基本工具(Base)。Logisim软件自带的库中包含了绘制原理图用到的一些常用的基本元件。利用这些元件，可以完成大部分逻辑设计。对于一些复杂数字系统的设计，可以先利用这些常用元件设计逻辑子电路，然后再进行系统级设计。 属性区： 显示或修改被选中元件的属性。 编辑区： 逻辑设计绘图区。 缩放区： 放大/缩小编辑区。〖1〗计算机组成原理实验教程第3章开发环境[3]〖3〗1. 创建工程 选择菜单栏中的Project→Add Circuit命令，并在弹出的窗口中输入电路名称decode24，然后单击“确定”按钮，如图3.2所示。 图3.2创建工程 2. 添加元件 从上面的分析过程得知，24译码器需要用到与非门和非门两类逻辑元件。展开Logisim用户界面左侧的Gates菜单，单击NAND Gate，拖动鼠标将选中的与非门移入右侧编辑区，并放置在适当的位置，如图3.3所示。 图3.3添加元件 如图3.4所示，单击编辑区中的与非门，在界面左下方的属性区Selection中会自动出现选中模块的默认参数。根据不同设计要求，可以修改元件的属性。对于24译码器的设计，需要三输入的与非门，所以将Number Of Inputs设为3，元件标号Lable定义为u1，其余设置保持不变。 图3.4元件参数设置 其他与非门、非门的放置与参数设置和以上情况类似。如图3.5所示，依次将24译码器要用到的3个与非门和3个非门摆放在编辑区的合理位置。 图3.5元件布局 3. 添加输入/输出端口 单击工具栏中的放置输入端口，单击放置输出端口。也可以展开用户界面左侧的Wiring菜单选择图标，该图标默认为输入端口。如图3.6所示，可以通过相应的属性修改为输出端口。 图3.6添加输出端口 单击工具栏中的，放置E、A、B 3个输入端口，并在相应的属性栏中修改其名称。单击工具栏中的，放置Y3～Y0 4个输出端口，同样并在相应的属性栏中修改其名称。 通过修改某一元件属性Selection中的Facing选择项，可改变该元件的端口朝向。输入、输出端口布局如图3.7所示。 图3.7输入、输出端口布局 4. 连线 添加完所有的元件后，就可以连线了。将鼠标移至某一元件端口(注意： 出现绿色小圆圈)，即可从此点引出连线，按住鼠标左键，连线会延长，松开后连线被保留下来。选中某一段连线，按键盘中的Delete键或BackSpace键就可以将其删除。如图3.8所示，*终完成24译码器的设计。单击工具栏中的，可以进行文本编辑，对设计的逻辑电路进行文本说明。 图3.824译码器逻辑图 提示：  建议在电路设计过程中先放置元件，后连线。  在编辑()状态，当鼠标为一个小绿圆圈时，单击它开始画线。  连线的起点、终点很重要，必须是对应元件上的“小圆点”处。  电路设计过程中，有时发现有些连线是蓝色或灰色的，这不是大问题，但是在完成设计以后，如果还有蓝色或灰色的连线，就说明肯定有错误发生。  正确完成连线后，所有的连线颜色都应该自动变成亮绿或者暗绿色。如果为其他颜色，请参考Logisim环境下线条颜色的说明检查并修改连线。Logisim环境下，线条颜色说明如下。 灰色： 可以说是无用线，与任何器件都没有连接。 蓝色： 1bit数据线，悬空，没有驱动。 暗绿色： 逻辑0。 亮绿色： 逻辑1。 黑色： 多位逻辑线。 红色： 错误的逻辑值。出现这种情况一般是： 逻辑门没有输入或输入不正确，导致输出有问题；或者两个器件的输出同时连接到该线。 橙色： 线宽不匹配，这是*常出现的一种错误。 图3.9中，由于u2器件的a输入端为悬空状态，所以输出显示为红色。 图3.9输入悬空 图3.10中，由于u2器件的a输入端为不确定状态X，所以输出也显示为红色。 图3.10输入逻辑不正确 图3.11中，由于u2器件的a输入端同时接收u4、u5的输出驱动，所以导致u2器件的输出为红色。 图3.11两个器件同时驱动 将图3.11中u2器件的a输入引脚与输入信号x连接后，不正确的颜色(红色)连线自动变为正确的颜色(暗绿色、亮绿色)，如图3.12所示。 图3.12修改正确的电路 3.1.3仿真测试 如图3.13所示，选择工具栏中的手型标志(鼠标移至此处时会出现Change values within circuit(Ctrl1)字样)，将编辑状态改为测试状态。选中某一输入模块，单击鼠标改变输入模块(Pin)的值，就可以实时观察测试的结果。(注意： 一般输入有0、1、X 3种状态，其中X为高阻态，也可以设置Selection的Threestate选项，取消三态。) 图3.13选择测试状态 例如，将E设为1、A设为0、B设为0时，测试结果如图3.14所示。 图3.14测试过程(E=1为无效状态) 图3.14表示24译码器使能端无效(E=1)时，4个输出端(Y3～Y0)均为无效状态(全为1)。当使能端有效(E=0)、AB=00时，对24译码器测试的结果如图3.15所示。 图3.15测试结果(E=0, AB=00) 按照上述方法对24译码器的功能进行全面测试，测试结果与24译码器的功能如果不符，请检查设计的正确性。