吳榮海+姚麗+李霞

摘 要： 將Logisim引入計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，并給出“利用Logisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原碼一位乘法器”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)仿真過程，仿真結(jié)果證明，將Logisim引入綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中具有可行性。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程 開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 Logisim

“計(jì)算機(jī)組成原理”與“數(shù)字邏輯電路”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的硬件基礎(chǔ)課程，這兩門課程均需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解及動(dòng)手能力的培養(yǎng)。盡管上述兩門課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先后銜接關(guān)系非常明確，但是長(zhǎng)期以來兩門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺少有效銜接，導(dǎo)致學(xué)生在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面訓(xùn)練嚴(yán)重不足并影響對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握[1]，從而出現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教師難教、學(xué)生厭學(xué)的不利現(xiàn)狀。

開放實(shí)驗(yàn)的目的是更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，其中開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查閱中外文獻(xiàn)資料的能力。研究如何利用開放實(shí)驗(yàn)中的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)在涵蓋計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)重點(diǎn)的同時(shí)又兼顧到與數(shù)字邏輯電路課程間的相互銜接，以形成計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是十分必要的[2-4]。

1.Logisim在計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用可行性

Logisim[6]作為一個(gè)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真軟件，相比較EWB，LabVIEW，Multisim，ELVIS，Proteus等軟件，具有開源免費(fèi)可二次開發(fā)、無須安裝即可運(yùn)行、軟件使用簡(jiǎn)單易學(xué)、仿真結(jié)果直觀易于理解等優(yōu)點(diǎn)，適合用于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真。Logisim除了提供基本的門電路（Gate），還提供編碼器（Plexer）、算術(shù)單元（Arithmatic）、存儲(chǔ)（時(shí)序）電路（Memory）、按鈕、LED、7段數(shù)碼管等輸入輸出（Input/Output）設(shè)備。在Logisim中通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖拽操作就可以建立起邏輯電路，并通過仿真直觀地看到運(yùn)行結(jié)果；另外，在Logisim中還可以利用真值表、邏輯表達(dá)式的方式建立邏輯電路。Logisim在“數(shù)字邏輯電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用是完全可行的[5]。

利用Logisim所提供的子電路（Subcircuit）工具、探查（Probe）工具、通道（Tunnel）工具與分割（Splitter）工具，可以將各個(gè)功能部件封裝為獨(dú)立的子電路，然后通過總線連接為一個(gè)整體?！坝?jì)算機(jī)組成原理”中大量由基本門電路通過總線連接而成的計(jì)算機(jī)功能部件實(shí)例適合利用Logisim軟件設(shè)計(jì)及仿真[7]。

2.基于Logisim的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例

借助Logisim所提供的組件，將理論教學(xué)中一些抽象、不便于理解的概念和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行門電路級(jí)的仿真實(shí)現(xiàn)并加以調(diào)試，加深學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解，加強(qiáng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

原碼一位乘法對(duì)于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)ALU中數(shù)據(jù)信息的加工處理流程，從而進(jìn)一步加深對(duì)計(jì)算機(jī)硬件組成及整機(jī)工作原理的理解，并綜合運(yùn)用硬件基礎(chǔ)科學(xué)和所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能部件有重要意義[8]?！袄肔ogisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原碼一位乘法器”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)兩個(gè)17位原碼表示機(jī)器數(shù)的乘法，并能夠仿真通過。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)乘法器過程中，必須綜合運(yùn)用“數(shù)字邏輯電路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中學(xué)過的設(shè)計(jì)方法、理論知識(shí)才能最終完成項(xiàng)目。因此，將“利用Logisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原碼一位乘法器”作為計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了“利用開放實(shí)驗(yàn)中的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)重點(diǎn)的同時(shí)又能夠兼顧到與數(shù)字邏輯電路課程間的相互銜接，以形成計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系”的目標(biāo)。

2.1原碼一位乘法

利用原碼實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算是十分方便的。原碼表示的兩個(gè)數(shù)相乘，其乘積符號(hào)為相乘兩個(gè)數(shù)符號(hào)的異域值，數(shù)值則為兩個(gè)數(shù)絕對(duì)值之積。設(shè)：

2.2基于Logisim的原碼一位乘法的仿真電路

2.2.1基于Logisim的原碼一位乘法的仿真電路控制部分

2.1.2基于Logisim的原碼一位乘法的仿真電路運(yùn)算部分

2.3原碼一位乘仿真電路3組測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2.3.1第1組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

寄存器X：0 1111 1111 1111 1111 B，寄存器Q：1111 1111 1111 1111 B，結(jié)果為（其中左邊17個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的高17位，右邊16個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的低16位）：

寄存器X中存放的是被乘數(shù)的數(shù)值部分，寄存器Q中存放的是乘數(shù)的數(shù)值部分，即：

利用原碼1位乘運(yùn)算規(guī)則[8]計(jì)算得：

電路仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，該組測(cè)試數(shù)據(jù)通過。

2.3.2第2組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

寄存器X：0 0001 0010 0011 0100 B，寄存器Q：1010 1011 1100 1101 B，結(jié)果為（其中左邊17個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的高17位，右邊16個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的低16位）：

寄存器X中存放的是被乘數(shù)的數(shù)值部分，寄存器Q中存放的是乘數(shù)的數(shù)值部分，即：

利用原碼1位乘運(yùn)算規(guī)則[8]計(jì)算得：

電路仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，該組測(cè)試數(shù)據(jù)通過。

2.3.3第3組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

寄存器X：0 0000 0000 0000 0000 B，寄存器Q：0000 0000 0000 0000 B，結(jié)果為（其中左邊17個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的高17位，右邊16個(gè)LED對(duì)應(yīng)乘積的低16位）：

寄存器X中存放的是被乘數(shù)的數(shù)值部分，寄存器Q中存放的是乘數(shù)的數(shù)值部分，即：

利用原碼1位乘運(yùn)算規(guī)則[8]計(jì)算得：

電路仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，該組測(cè)試數(shù)據(jù)通過。

3.結(jié)語

通過仿真結(jié)果及驗(yàn)證，3組測(cè)試數(shù)據(jù)均通過測(cè)試，證明所給基于Logisim的原碼一位乘法仿真電路正確，“利用Logisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原碼一位乘法器”作為計(jì)算機(jī)硬件類基礎(chǔ)課程開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可行。

參考文獻(xiàn)：

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[5]胡世昌.用Logisim改革數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，33（2）：301-304.

[6]BURCH C.Logisim[EB/OL].[2016-1-23].http：//www.cburch.com/logisim/

[7]Minnies Stuff.An Example Hardwired CPU[EB/OL].[2016-1-23].http：//minnie.tuhs.org/CompArch/Tutes/week03.html

[8]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：高等教育出版社，2008：219-247.