微机原理实验篇(proteus)

微机原理实验篇从效率、速度、成本等不同角度考虑，芯片的物理结构虽然可以不同，但在设计芯片时，普遍遵循的原则是：使用尽可能少的门电路实现尽可能多的功能。本章利用proteus软件提供的硬件仿真功能，通过使用简单的门电路构建复杂功能芯片的方式（不考虑芯片中晶体管等具体设计），旨在帮助学生理解芯片的物理实现方式，从而深入理解微机的工作原理。本章各实验项目之间的依赖关系如下：一位逻辑门一位逻辑门构建简单运算器实现多通道逻辑门简单运算器实现多通道逻辑门构建多位逻辑门构建算术逻辑单元构建算术逻辑单元构建仿真实验软件简介本章实验采用英国Labcenter公司开发的Proteus电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件。该软件包括两个软件：ISIS和ARES，ISIS主要用于原理图设计及电路原理图的交互仿真，ARES主要用于印制电路板的设计，本章实验只使用Proteus软件（版本7.10）的ISIS。ISIS提供的ProteusVSM（VirtualSystemModeling）实现了混合式的SPICE电路仿真，可以将虚拟仪器、高级图表应用、CPU仿真和第三方软件开发与调试环境有机结合起来，在搭建硬件模型之前就可以在计算机上完成原理图设计、电路分析及程序代码实时仿真、测试及验证。仿真操作界面安装Proteus软件后，会在桌面建立两个图标，分别是ISIS和ARES。双击桌面上的ISIS图标或者单击“开始”→“程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”，都可以启动ProteusISIS。启动后的工作界面如REF_Ref421633842\h图11所示，主要包括：菜单栏、标准工具栏、模式选择工具栏、旋转镜像工具栏、预览窗口、元器件选择按钮、元器件选择窗口、仿真控制按钮、图形编辑窗口等。其中：原理图编辑窗口：用于编辑电路原理图（放置元器件和进行元器件之间的连线）；预览窗口：用于显示显示原理图缩略图或预览选中的元器件；编辑模式工具栏：用于选择原理图编辑窗口的编辑模式；旋转镜像工具栏：用于对原理图编辑窗口中选中的对象进行旋转和镜像等操作；元器件选择按钮：用于在元器件库中选择所需元器件，并将选择的元器件放入元器件选择窗口中；元器件选择窗口：用于显示并选择从元器件库中挑选出来的元器件；仿真控制按钮：用于控制实时交互式仿真的启动、前进、暂停和停止。菜单栏菜单栏标准工具栏编辑模式工具栏旋转镜像工具栏元器件选择窗口预览窗口仿真控制按钮原理图编辑窗口当前坐标元器件选择按钮图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11ProteusISIS的工作界面REF_Ref421634131\h表11列出了编辑模式工具栏中的按钮（注意：要想知道工具栏中某个按钮的功能，只要将鼠标指针指向该按钮并停留约1秒钟，就会在鼠标指针旁边弹出一个标签，显示鼠标该按钮的功能），这些按钮可以划分到三个子工具栏中：主模式工具栏：用于原理图的全局编辑。部件模式工具栏：用于原理图中某个对象的编辑。二维图形模式工具栏：用于编辑原理图中的图形。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11编辑模式工具栏中各按钮的功能子工具栏按钮功能及说明主模式选择模式：即时编辑任意选中的元器件。元件模式：选择元器件结点模式：在原理图中放置连接点。连线标号模式：在原理图中放置或编辑连线标签。文本脚本模式：在原理图中输入新的文本或编辑已有文本。总线绘制模式：在原理图中绘制总线。子电路模式：在原理图中放置子电路或放置子电路元器件。部件模式终端模式：在元器件选择窗口中列出7类终端（包括：默认、输入、输出、双向、电源、接地、总线）以供绘制原理图时选择。元件引脚模式：在元器件选择窗口中列出6种常用元器件引脚（包括：默认、反向、正时钟、负时钟、总线）以供绘制原理图时选择。图表模式：在元器件选择窗口中列出13种仿真分析图表（包括：模拟、数字、混合、频率、传递、失真、傅里叶等），以供选择。录音机模式：对原理图进行分步仿真时，用于记录前一步仿真的输出，并作为下一步仿真的输入。激励源模式：在元器件选择窗口中列出14种模拟或数字激励源（激励源类型包括：直流、正弦、时钟脉冲、指数等）以供选择。电压探针模式：在原理图中添加电压探针，用来记录该探针处的电压值。可记录模拟或数字电压的逻辑值和时长。电流探针模式：在原理图中添加电流探针，用来记录该探针处的电流值。只能记录模拟电路的电流值。虚拟仪器模式：在元器件选择窗口中列出12种常用的虚拟仪器（包括：示波器、逻辑分析仪、定时计数器、电压表、电流表等）二维图形模式2D连线模式：在元器件选择窗口中列出各种连线以供画线时选择。2D图形框模式：用于在原理图上画方框。2D圆形模式：用于在原理图上画园。2D弧线模式：用于在原理图上画园弧。2D闭合路径模式：用于在原理图上画任意闭合图形。2D文本模式：用于在原理图上标注各种文字。2D符号模式：用于选择各种元器件的外形符号。2D标记模式：在元器件选择窗口中列出各种标记，用于创建或编辑元器件、符号和终端引脚时建立文本或图形标记。除了用编辑模式工具栏来选择编辑模式外，还可以在选择模式下（原理图编辑窗口中的鼠标指针为箭头形状时）单击右键，选择“放置”，在出现的子菜单中选择编辑模式。如REF_Ref421634164\h图12所示。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12使用右键菜单来选择编辑模式除以上各种工具外，为方便原理图的编辑操作，ProteusISIS提供了两种系统可视化工具：对象选择框是围绕对象的虚线框，当鼠标掠过元器件、符号、图形等对象时，将出现环绕对象的红色虚线框，如REF_Ref421634190\h图13所示。当出现对象选择框时，单击鼠标左键即可对此元件进行操作。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s13环绕对象的对象选择框智能鼠标指针是另一种可视化工具。编辑原理图时，鼠标对当前操作具有智能识别功能，鼠标会根据功能改变显示的外观样式。常见的鼠标指针外观样式如REF_Ref421634239\h表12所示。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s12鼠标指针外观样式外观名称功能说明默认指针用于选择操作模式。放置指针单击鼠标左键，然后将元器件轮廓拖动到合适的位置，再次单击鼠标左键，即可将在元器件选择窗口中选中的对象放置在当前位置上。“热”画线指针当指针移动到元器件引脚端点上时，单击鼠标左键，开始在元器件引脚之间画线。画至终点时，双击鼠标左键可结束画线。“热”画总线指针仅当绘制总线时出现。当指针移动到已画好的总线上时，单击鼠标左键，开始延伸已画的总线。画至终点时，双击鼠标左键可结束画延伸总线。线段拖动指针此光标样式出现在线段上。出现此光标时，按住鼠标左键并拖动鼠标，即可将线段移动到期望的位置。当对象上出现此光标时，单击鼠标左键，对象即被选中。对象拖动指针当对象上出现此光标时，按住鼠标左键并拖动鼠标，即可将对象移动到期望的位置。添加属性指针单击鼠标左键即可为对象添加属性（选择菜单“工具栏”->“属性设置工具”后，光标移动到对象上时将出现此光标样式）。电路原理图绘制（1）鼠标使用规则在ISIS的原理图编辑窗口中，鼠标使用的一般规则如REF_Ref421634367\h表13所示：表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s13鼠标使用般规则鼠标操作方式左键右键单击空白处放置元器件弹出元器件放置菜单单击未选中的对象选择对象弹出对象操作菜单单击已选中的对象编辑对象属性或连线风格同上双击对象同上删除对象拖曳已选中的对象移动对象位置框选一个或多个对象此外，转动滚轮可以放大或缩小编辑窗口；单击中键可以拖动编辑窗口。（2）选取元器件ProteusISIS提供了一个包含有8000多个元器件的元件库，包括：标准符号、晶体管、TTL和CMOS逻辑电路、微处理器和存储器件、各种开关和显示器件等。注意：并非元件库中的所有元器件都支持VSM仿真，在进行交互式仿真时，应选择支持VSM仿真的元器件。一般来说，通用逻辑电路元件的选取规则是：如果只是进行交互式仿真，而不进行电路板布线，应尽量在仿真器件（ModelingPrimitives）中选择元件，如果仿真器件中没有所需的元件，可选择TTL74系列或CMOS4000系列逻辑电路。ProteusISIS从元件库中查找并选取元件的步骤如下：首先点击编辑模式工具栏上的的元件模式按钮（或点击主模式子工具栏上的其他按钮也可）。单击元器件选择图形按钮（）或者右键单击原理图编辑窗口的空白部位，在弹出的快捷菜单中选择“放置”->“元件”->“FromLibraries”，打开元件选取窗口（PickDevices），如REF_Ref421634410\h图14所示。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s14元件选取窗口如果已知元件类别，则直接点击窗口左边的元件类别、子类别、制造商。也可在左上角的关键字区域中输入元件类别，例如要查找74LS系列集成电路，则输入“74LS”。如果已知元件名，则在左上角的关键字区域中直接输入元件名，查找结果会出现在中间的结果窗口中。在查找结果列表中双击所需的元件，该元件就会被选取并放入ISIS工作界面的元器件选择窗口中备用。一般来说，在画原理图前，应按照以上方法将所需的元器件全部选取出来。注意：ProteusISIS中的与、或、非等逻辑门器件的图形符号采用了ANSI/IEEE91-1984标准，而中国国家标准则采用了与IEC60617-12标准相同的图形符号，二者的对应关系如REF_Ref421634472\h表14所示。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s14ISIS中逻辑电路符号与国家标准逻辑电路符号对照表逻辑门名称与门与非门或门或非门非门ISIS中图形符号国家标准图形符号（3）绘制电路原理图启动ProteusISIS后，系统就会自动建立一个空白的原理图设计文件（原理图设计文件的扩展名为.DSN）。首先点击编辑模式工具栏上的“元件模式”图形按钮()，使元器件选择窗口中显示出前一步选取出来的元件。在元器件选择窗口中左键单击某个器件，然后在编辑窗口中单击左键，这时编辑窗口中就会出现该器件的虚影，将其拖曳到原理图编辑窗口合适的位置，再单击左键放置。要改变元器件的放置方向或者要对元器件进行镜像翻转时，可以采用以下两种方法：一种方法是在编辑窗口中放置元器件前先进行旋转或镜像，即在元器件选择窗口中左键单击所需的元件后，接着点击旋转镜像工具栏中相应的旋转或镜像按钮（可在预览窗口中观察效果），然后再在编辑窗口中单击左键放置元件；第二种方法是在编辑窗口中放置元器件后再进行旋转或镜像，即放置元器件时先不考虑元件方向，放置后，右键点击放置的元件，在弹出的快捷菜单中选择旋转或镜像选项（也可直接用数字小键盘上的+、-键进行旋转）。移动元件时，需要先点击“选择模式”图形按钮（），再左键单击元件，选中的元件会变为红色；也可按住鼠标左键拖曳，使元件包围在拖曳出的方框中进行框选（此方法可选择多个元件）。元件选中后，鼠标光标变为具有十字方向箭头的手形光标，按住鼠标左键即可移动元件。移到合适位置处后，在编辑窗口的空白处单击左键，撤销元件的选中状态。在编辑窗口中还可以编辑元件的属性。右键单击选中的元件，在弹出的快捷菜单中选择“编辑属性”，弹出“编辑元件属性”对话框，“元件标注”属性是元件在原理图中惟一的参考名称，不允许重名。注意：不同元件其对话框中的属性名称和数目有所不同。连线时，需要移动鼠标到要连线的元件引脚上，光标会变成绿色铅笔样式，单击鼠标左键，移动鼠标定位到目标元件引脚的端点或目标连线上（移动过程中光标会变成白色铅笔样式），再单击鼠标左键，即可完成两连接点之间的连线。在这个过程中，连线将随着鼠标的移动以直角方式延伸，直至到达目标位置。有时还需要在连线上加标注，只要在连线上单击右键，打开快捷菜单，选择“放置连线标签”，在打开的编辑连线标签对话窗口中的“标号”栏中输入标签名即可，也可用下拉菜单选择已有的标签名称。注意：凡是名称相同的对象在电路图中认为是相连的。在菜单中，选择“文件”→“保存设计”（或直接单击工具栏上的保存设计按钮），保存原理图，以供以后修改和仿真。仿真运行点击界面左下角的仿真控制按钮（如REF_Ref421636493\h表15所示），改变输入端的逻辑状态，观察输出端的改变情况。仿真过程中，电路原理图中红色代表高电平，蓝色代表低电平，灰色代表不确定电平。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s15仿真控制按钮按钮含义功能说明开始开始仿真运行帧进进入下一个“动画”帧暂停暂停仿真，进入调试模式停止停止仿真运行

基础实验一位逻辑门构建实验目的掌握使用一位与非门构建一位非门、与门、或门、复用器和选择器的方法；理解微机的基本组成和工作原理。实验设备安装有proteus7.10的PC微机一台实验原理计算机的低层物理结构是由一组基本的逻辑门构成的，本节实验内容包括：非门、与门、或门、多路复用器和多路选择器的设计，所有实验都建立在与非门基础之上。与非门Nand的输入引脚是a和b，输出引脚是out。无论布尔函数多么复杂，都可以使用与、或、非三种基本运算实现，而实现这三种逻辑运算的逻辑门又可以使用与非门实现，例如非运算out=QUOTE，或运算out=QUOTE，与运算out=QUOTE。1位非门、与门和或门的结构如REF_Ref499226496\h图15所示，可以分别用1、3和3个与非门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s151位非、或、与门的逻辑结构和物理结构另一种常用的组合逻辑门是复用器，它主要用于分时传递数据，由选择信号确定由哪一个支路输出。1位复用器的结构如REF_Ref416977708\h图16所示，当选择信号sel=0时，out=a，否则out=b，可以用1个非门、2个与门和1个或门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s161位复用器逻辑结构和物理结构选择器是另一种常用的组合逻辑门，它与复用器的功能正好相反，由选择信号确定输入由哪一个支路输出。1位选择器的结构如REF_Ref416977749\h图17所示，当选择信号sel=0时，a=in，否则b=in，可以用1个非门和2个与门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s171位选择器的逻辑结构和物理结构实验内容一位非门1）按照REF_Ref499226792\h图18完成1位非门的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref421637103\h表16。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s181位非门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s161位非门实验元件清单元件名称所属类功能说明NOR_2ModellingPrimitives2输入与非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位非门的功能。1位与门1）按照REF_Ref499226780\h图19完成1位非门的电路图，图中使用的元件清单见REF_Ref499232369\h表17。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s191位与门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s171位与门实验元件清单元件名称所属类功能说明NOR_2ModellingPrimitives2输入与非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位与门的功能。1位或门1）按照REF_Ref499226867\h图110完成1位非门的电路图，图中使用的元件清单见REF_Ref499232429\h表18。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1101位或门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s181位或门实验元件清单元件名称所属类功能说明NOR_2ModellingPrimitives2输入与非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位或门的功能。1位复用器1）按照REF_Ref499226907\h图111完成1位复用器的电路图并仿真运行，图中使用的元件清单见REF_Ref499232444\h表19。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1111位复用器实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s191位复用器实验元件清单元件名称所属类功能说明OR_2ModellingPrimitives2输入或门AND_2ModellingPrimitives2输入与门NOTSimulatorPrimitives单输入非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位复用器的功能。1位多路选择器1）按照REF_Ref499226976\h图112完成1位选择器的电路图并仿真运行，图中使用的元件清单见REF_Ref499232483\h表110。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1121位选择器实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1101位选择器实验元件清单元件名称所属类功能说明AND_2ModellingPrimitives2输入与门NOTSimulatorPrimitives单输入非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位选择器的功能。实验习题如果只使用或非门搭建与、或和非门，该如何设计各芯片的物理结构？实验报告要求1）将实验仿真运行完成后的截图粘贴到实验报告中；2）列出测试各个器件功能的真值表。

多位逻辑门构建实验目的掌握构建多位非门、与门、或门和复用器的方法；理解微机的基本组成和工作原理。实验设备安装有proteus7.10的PC微机一台实验原理（1）多位逻辑门的结构本节实验内容都是针对16位输入和输出，包括非门、与门、或门和多路复用器的设计，在设计芯片时，可以使用前面已经设计好的芯片。对于多位逻辑门，由于输出与输入所表示的二进制数的位数相同，因此可以使用与位数一样多的1位逻辑门，并使每一个逻辑门对应二进制数的每一位，例如16位非门Not16的结构如REF_Ref499227012\h图113所示，输入与输出的数据宽度均为16，因此可以用16个1位非门Not，并使每个非门对应二进制数的每一位。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11316位非门的逻辑结构和物理结构16位与门的结构如REF_Ref499227025\h图114所示，输入分为a和b两组，每组表示一个16位的二进制数，可以用16个1位与门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11416位与门的逻辑结构和物理结构16位或门的结构如REF_Ref499227039\h图115所示，它与16位与门的输入输出相同，可以用16个1位或门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11516位或门的逻辑结构和物理结构16位复用器的结构如REF_Ref499227047\h图116所示，它与16位与门的输入输出类似，可以用16个1位复用器实现，并且将选择信号串联。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11616位复用器的逻辑结构和物理结构实验内容（1）16位非门1）按照REF_Ref499227106\h图117完成16位非门的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499232553\h表111。提示：选中要复制器件后，单击按钮，可以复制多个标号不同的相同器件。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11716位非门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11116位非门实验元件清单元件名称所属类功能说明NOTModellingPrimitives单输入非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现16位非门的功能。（2）16位与门1）按照REF_Ref499232663\h图118完成16位与门的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499232684\h表112。提示：选中要复制器件后，单击按钮，可以复制多个标号不同的相同器件。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11816位与门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11216位与门实验元件清单元件名称所属类功能说明AND_2ModellingPrimitives单输入非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现16位与门的功能。（3）16位或门按照REF_Ref499232768\h图119完成16位或门的电路图设计并仿真运行，图中使用的元件清单见REF_Ref499232791\h表113。提示：选中要复制器件后，单击按钮，可以复制多个标号不同的相同器件。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11916位或门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11316位或门实验元件清单元件名称所属类功能说明OR_2ModellingPrimitives单输入非门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现16位与门的功能。（4）16位复用器按照REF_Ref499232917\h图120完成16位复用器的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499232847\h表114。提示：选中要复制器件后，单击按钮，可以复制多个标号不同的相同器件。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12016位复用器实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11416位复用器实验元件清单元件名称所属类功能说明NOTModellingPrimitives单输入非门AND_2ModellingPrimitives2输入与门OR_2ModellingPrimitives2输入或门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）2）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现16位复用器的功能。实验习题还可以怎样设计各种芯片的物理结构？“blockcopy”（块复制）和edit菜单中“copytoclipboard”的区别是什么？实验报告要求1）将实验仿真运行完成后的截图粘贴到实验报告中；2）使用不同数据测试各个器件并解释测试结果。

多通道逻辑门构建实验目的掌握构建多通道或门、复用器和选择器的方法；理解微机的基本组成和工作原理。实验设备安装有proteus7.10的PC微机一台实验原理多通道逻辑门的设计较为复杂，例如8路或门的结构如REF_Ref499232953\h图121所示，输出out=in0∨in1∨in2∨in3∨in4∨in5∨in6∨in7，可以用7个1位或门级联实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1218路或门的逻辑结构和物理结构4路16位复用器Mux4Way16的结构如REF_Ref499232975\h图122所示，需要2个选择位。当sel1=sel0=0时，输出out由输入a确定；当sel1=0∧sel0=1时，out=b；当sel1=1∧sel0=0时，out=c；当sel1=sel0=1时，out=d，可以用3个2路16位复用器Mux16实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1224路16位复用器的逻辑结构和物理结构4路1位选择器的结构如REF_Ref499232989\h图123所示，需要2个选择位，当sel1=sel0=0时，a=in；当sel1=0∧sel0=1时，b=in；当sel1=1∧sel0=0时，c=in；当sel1=sel0=1时，d=in，可以用1个1位非门、2个1位选择器、4个1位与门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1234路选择器的逻辑结构和物理结构实验内容（1）8通道1位或门1）按照REF_Ref499233175\h图124完成8通道1位或门的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499233193\h表115。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1248通道1位或门实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1158通道1位或门实验元件清单元件名称所属类功能说明OR_2ModellingPrimitives2输入或门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现8通道1位或门的功能。（2）4通道16位复用器1）按照REF_Ref499233573\h图126完成16位复用器父电路图设计。用鼠标左键单击“子电路模式按钮”（），如REF_Ref499233386\h图125（a）所示，然后在编辑窗口按住鼠标左键拖动，拖出子电路模块图框，如REF_Ref499233386\h图125（b）所示。（b）图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s125子电路从REF_Ref499233386\h图125（a）所示的元器件选择窗口中选择INPUT（输入）和OUTPUT（输出），将铅笔光标移动到子电路图框的右侧边线合适的位置上，当铅笔光标的尖端上显示一个叉号（x）时，单击左键，放置在子电路图框的合适位置。鼠标右键单击端子，在弹出的快捷菜单中选择“编辑属性”，打开属性编辑对话框，在“标号”栏中输入端子名称（端子名称必须与接下来要绘制的子电路逻辑终端名称一致）。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12616位复用器父电路图2）按照REF_Ref499233714\h图127完成16位复用器子电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499233647\h表116。鼠标右键单击子电路模块，在弹出的快捷菜单中选择“转到子页面”，在空白的子页面中，绘制子电路原理图。子电路图中与外部连接的信号端子应采用终端模式，并与父页面中的端子的名称保持一致。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12716位复用器子电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11616位复用器实验元件清单元件名称所属类功能说明NOTModellingPrimitives单输入非门AND_2ModellingPrimitives2输入与门OR_2ModellingPrimitives2输入或门3）按照REF_Ref499233861\h图128完成4通道16位复用器电路图设计在子页面空白处，单击右键，在弹出的快捷菜单中选择“退出到父页面”，返回到父页面，继续完成输入输出连接以及标号设置。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1284通道16位复用器实验电路图4）全局标注完成父页面的设计后，为了避免父页面与子页面中相同器件的属性发生冲突，还需要对所有器件进行全局标注。在菜单栏上，选择“工具栏”——>“全局标注”，在弹出的对话框中（REF_Ref499233917\h图129），在“Scope”中，选择“WholeDesign”，在“Mode”中，选择“Incremental”，单击“确定”按钮。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s129全局标注对话框5）仿真运行改变REF_Ref499233861\h图128输入端的状态，观察输出端是否实现16位复用器的功能。（3）4通道1位选择器1）按照REF_Ref499234029\h图130完成1位选择器父电路图设计。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1301位选择器父电路图2）按照REF_Ref499234064\h图131完成1位选择器子电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499234093\h表117。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1311位选择器子电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1171位选择器实验元件清单元件名称所属类功能说明NOTModellingPrimitives单输入非门AND_2ModellingPrimitives2输入与门3）按照REF_Ref499234329\h图132完成4通道1位选择器电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref500053420\h表118。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1324通道1位选择器实验电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1184通道1位选择器实验元件清单（不包含1位选择器）元件名称所属类功能说明NOTModellingPrimitives单输入非门AND_2ModellingPrimitives2输入与门4）全局标注5）仿真运行改变REF_Ref499234329\h图132输入端的状态，观察输出端是否实现4通道1位选择器的功能。实验习题还可以怎样设计各种芯片的物理结构？实验报告要求1）将实验仿真运行完成后的截图粘贴到实验报告中；2）使用不同的数据测试各个器件并解释测试结果。

简单运算器实现实验目的掌握半加器、全加器、加法器、加1加法器的设计方法；理解微机的基本组成和工作原理。实验设备安装有proteus7.10的PC微机一台实验原理计算机硬件结构的核心是中央处理器（CPU），CPU的核心是算术逻辑单元ALU，它执行所有的算术和逻辑运算。本节的实验内容包括：1位半加器、3路1位全加器、16位加法器、16位加1加法器。1位半加器HalfAdder的结构如REF_Ref416987525\h图133所示，sum由a与b的和的最低有效位确定，carry由a与b的和的最高有效位确定。HalfAdder的真值表如REF_Ref499235095\h表119所示，由该表可以看出，sum=a⊕b，carry=a∧b，可以用1个异或门和1个与门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1331位半加器的逻辑结构和物理结构表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1191位半加器的真值表输入a输入b和sum(a,b)进位carry(a,b)00001010011011013路1位全加器FullAdder的结构如REF_Ref416987626\h图134所示，sum由a、b、c的和的最低有效位确定，carry由a、b、c的和的最高有效位确定，可以用两个半加器HalfAdder和1个或门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s134全加器的逻辑结构和物理结构如果忽略最高有效位的进位，可以用REF_Ref499235353\h图135表示16位加法器Adder的逻辑结构，SUM[i]=a[i]+b[i]，可以使用16个全加器FullAdder从最低位开始，依次向最高位方向相加，除最低位的输入为0外，其它FullAdder的一个输入为紧邻较低位的进位。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s135加法器的逻辑结构和物理结构实验内容（1）1位半加器1）按照REF_Ref499235430\h图136完成1位半加器的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499235453\h表120。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1361位半加器实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1201位半加器实验元件清单元件名称所属类功能说明XOR_2ModellingPrimitives2输入异或门AND_2ModellingPrimitives2输入与门LOGICSTATEDebuggingTools逻辑状态（输入）LOGICPROBE(BIG)DebuggingTools逻辑探针（输出）仿真运行改变输入端的状态，观察输出端是否实现1位半加器的功能。（2）3路1位全加器1）按照REF_Ref499235502\h图137完成1位半加器父电路图的设计。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1371位全加器父电路图2）按照REF_Ref499235544\h图138完成1位半加器子电路图的设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499235572\h表121。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1381位全加器子电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1211位全加器实验元件清单元件名称所属类功能说明XOR_2ModellingPrimitives2输入异或门AND_2ModellingPrimitives2输入与门3）按照REF_Ref499235632\h图139完成3路1位全加器的电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref500053962\h表122。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1393路1位全加器实验原理图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1223路1位全加器实验元件清单（不包含半加器模块）元件名称所属类功能说明OR_2ModellingPrimitives2输入或门4）全局标注5）仿真运行改变REF_Ref499235632\h图139输入端的状态，观察输出端是否实现3路1位全加器的功能。（3）16位加法器1）按照REF_Ref499235687\h图140完成1位全加器父电路图的设计。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1401位全加器父电路图2）按照REF_Ref499235732\h图141完成1位全加器子电路图的设计，图中使用的元件清单见REF_Ref500054149\h表123。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1411位全加器子电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1231位全加器实验元件清单（不包含1位半加器模块）元件名称所属类功能说明OR_2ModellingPrimitives2输入或门3）按照REF_Ref499235779\h图142完成1位半加器的子电路图设计，图中使用的元件清单见REF_Ref499235800\h表124。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s1421位半加器子电路图表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s1241位半加器子电路图实验元件清单元件名称所属类功能说明XOR_2ModellingPrimitives2输入异或门AND_2ModellingPrimitives2输入与门4）按照REF_Ref499235859\h图143完成16位全加器的电路图设计。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s14316位全加器实验原理图5）全局标注6）仿真运行改变REF_Ref499235859\h图143输入端的状态，观察输出端是否实现16位全加器的功能。实验习题还可以怎样设计各种芯片的物理结构？实验报告要求1）将实验仿真运行完成后的截图粘贴到实验报告中；2）使用不同的数据测试各个器件并解释测试结果。

扩展实验算术逻辑单元构建实验目的掌握ALU的设计方法；理解微机的基本组成和工作原理。实验设备安装有proteus7.10的PC微机一台实验原理作为CPU的重要组成部分ALU（ArithmeticandLogicalUnit）主要用于实现算术和逻辑运算。实验需要设计的16位ALU的真值表如REF_Ref499235901\h表125所示，通过设置标志位zx、nz、zy、ny、f和no可以完成表中每一种运算，例如当ALU要计算x-1时，由zx=nx==0，可知x保持不变；由zy=ny==1，可知y应先置为0，然后取反，即y=1111111111111111=（-1）补，又由f==1，no==0，可知out=x-1。此外，运算结果还会影响标志位zr和ng，即当运算结果out为0时，将zr置为1，否则置为0；即当运算结果大于0时，将ng置为0，否则置为1。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s125ALU的真值表zxnxzynyfnooutifzx==1x==0ifnx==1x==QUOTEifzy==1y==0ifny==1x==QUOTEiff==1out=x+yelseout=x∧yifno==1out=QUOTEf(x,y)10101001111111111010-1001100x110000y001101110001001111-x110011-y011111x+1110111y+1001110x-1110010y-1000010x+y010011x-y000111y-x000000x∧y010101x∨yALU的结构如REF_Ref417846774\h图144所示，由于zx和zy的功能类似，可以用1个16位复用器实现；又由于nx、ny和no的功能类似，可以用1个16位非门和1个16位复用器实现；f的功能可以用1个16位复用器、1个16位与门和1个Adder实现。ng和zr标志位建立在out的基础之上，out[15]可以直接作为ng；zr可以通过用2个8路或门，1个或门和1个非门实现。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s144ALU的逻辑结构和物理结构实验内容按照REF_Ref499235962\h图145完成16位