王璐 劉藝 劉亞楠

摘要：本文分析了數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及實(shí)驗(yàn)需求，提出將Logisim仿真軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，給出了“利用Logisim設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動碼表”綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分析與設(shè)計(jì)過程，探討了該軟件在數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的可行性。實(shí)驗(yàn)課程中引入該仿真軟件可以幫助學(xué)生理解所學(xué)的理論知識，適當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)課程難度，從而激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生對電路的分析設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯;Logisim;實(shí)驗(yàn)教學(xué);設(shè)計(jì)及仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0234-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

The Practice and Exploration of Logisim in the Experimental Course of Digital Logic

WANG Lu， LIU Yi， LIU Ya-nan

（Department of Computer Teaching，Hefei Normal University， Hefei 230061， China）

Abstract： In this paper， the teaching status and experimental requirements of digital logic experimental course are analyzed， and the Logisim simulation software is proposed to be introduced into the experimental teaching. The analysis and design process of the comprehensive experimental project "using Logisim design to realize the motion code table" is given， and the feasibility of the software in the teaching of digital logic experimental course is discussed.The introduction of the simulation software in the experimental course can help students understand the theoretical knowledge and appropriately reduce the difficulty of the experimental course， so as to stimulate students' interest in this course and further improve students' ability of circuit analysis and design.

Key words： Digital logic; Logisim; Experimental teaching; Design and Simulation

1 引言

《數(shù)字邏輯》課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系有著重要作用，該課程實(shí)踐性強(qiáng)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程等計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課，也是計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程的先修課程?！稊?shù)字邏輯》課程旨在全面培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路分析及設(shè)計(jì)的能力，并為《計(jì)算機(jī)組成原理》《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》《微機(jī)接口技術(shù)》等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)?！稊?shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)》課程則起到進(jìn)一步鞏固理論知識，培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路的分析設(shè)計(jì)能力的作用，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到了非常重要的作用。

2 “數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 教學(xué)的現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字邏輯的實(shí)驗(yàn)課程大多采用試驗(yàn)開發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱來完成。這種實(shí)驗(yàn)方式存在著一些弊端，如：器材的購買費(fèi)用較高且需要進(jìn)行器材的維護(hù);受實(shí)驗(yàn)器材的影響實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較為有限;編寫代碼后，需要對代碼進(jìn)行于調(diào)試;實(shí)驗(yàn)較難驗(yàn)證及擴(kuò)展等。

2.2 教學(xué)改革需求

遵循現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，我院不斷地在《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)》教學(xué)過程中進(jìn)行改革及探索，把數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法、新理念及新技術(shù)不斷地滲入到實(shí)際的教學(xué)活動中去。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如何采取有效的措施，把抽象的理論知識更為形象直觀的展示并驗(yàn)證，適當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)的難度，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的興趣、從而培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路的分析設(shè)計(jì)能力等問題，是數(shù)字邏輯解實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中必須解決的問題。針對這些問題，可以考慮把數(shù)字電路仿真軟件引入到實(shí)驗(yàn)過程中。使用仿真軟件也是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)一個改革方向，近年來也得到越來越多的認(rèn)同及實(shí)踐應(yīng)用。

Logisim[[1]]作為一個數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真軟件，具有開源性、其在Java環(huán)境下無需安裝即可運(yùn)行，擁有分層電路、線束和大型組件庫，并且軟件界面較為簡單，容易操作，仿真結(jié)果能較為直觀方便驗(yàn)證測試，易于理解等優(yōu)點(diǎn)[[2]]，適于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)及仿真。而數(shù)字電路中大量由基本門電路組合而成的計(jì)算機(jī)部件實(shí)例適合利用Logisim軟件來設(shè)計(jì)及仿真[[3]]。Logisim除了提供基本的邏輯門以外，還提供運(yùn)算器、復(fù)用器、存儲庫及輸入輸出等大型組件庫，可以通過使用組件庫器件繪制電路或是輸入真值表、邏輯表達(dá)式等方法創(chuàng)建邏輯電路，并對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真測試，觀察電路實(shí)現(xiàn)功能。由此可見，在“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”教學(xué)過程中引入Logisim是完全可行的[[4]]。

3 “數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”案例的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 使用Logisim設(shè)計(jì)電路的一般步驟

使用Logisim仿真軟件可將理論教學(xué)中一些較為抽象、難理解的知識點(diǎn)通過軟件的仿真加以實(shí)現(xiàn)，通過電路的仿真測試觀察電路所實(shí)現(xiàn)的功能。使用Logisim設(shè)計(jì)電路的一般步驟為：（1）明確設(shè)計(jì)需求，即了解設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、性能需求等;（2）選擇實(shí)際的設(shè)計(jì)方案。即根據(jù)所掌握的知識體系，針對設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出較為經(jīng)濟(jì)可靠、可行性高的設(shè)計(jì)框架;（3）設(shè)計(jì)電路單元模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)框架選擇合適的參數(shù)及器件，對實(shí)現(xiàn)電路的單元模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并封裝;（4）對封裝后的電路單元模塊進(jìn)行集成組裝;（5）對集成組裝后的電路進(jìn)行封裝并測試其功能。一般步驟如圖1所示。

3.2 基于logisim的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例

下面以綜合性案例“使用logisim設(shè)計(jì)運(yùn)動碼表”為例，按要求設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)動碼表功能，并使用logisim軟件進(jìn)行虛擬仿真。分析設(shè)計(jì)步驟如下：

1）根據(jù)功能描述分析設(shè)計(jì)需求

能夠?qū)崿F(xiàn)分鐘計(jì)時以及秒計(jì)時的功能，并將計(jì)時數(shù)值顯示在數(shù)碼管上。此功能碼表有四個輸入按鈕，實(shí)現(xiàn)功能描述如下;

（1） 開始/暫停按鈕：控制碼表啟動計(jì)時和暫停計(jì)時;開始/暫停指示燈：能夠提示當(dāng)前是在計(jì)數(shù)狀態(tài)或暫停狀態(tài)。

（2） 復(fù)位按鈕：可將當(dāng)前計(jì)數(shù)狀態(tài)清零。

（3） 存儲按鈕：存儲鍵按下時，能將當(dāng)前碼表中的數(shù)值存儲下來。

（4） 歷史成績：將之前按下“存儲按鈕”時存儲的數(shù)值顯示在數(shù)碼管上。

2）選擇邏輯器件

首先運(yùn)動碼表實(shí)現(xiàn)的是計(jì)數(shù)功能，所以要使用到計(jì)數(shù)器;把計(jì)數(shù)的數(shù)字在數(shù)碼管上顯示出，所以需要數(shù)碼管顯示;因?yàn)榇a表需設(shè)計(jì)存儲功能，因此需要使用到寄存器;由于數(shù)碼管顯示驅(qū)動有兩個數(shù)據(jù)來源：計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和寄存器存儲的數(shù)值，所以需要使用到多路選擇器MUX選擇哪一路數(shù)字信號作為輸出顯示在數(shù)碼管上。然后根據(jù)要使用到的組件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體功能模塊。

3）模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1） 計(jì)數(shù)模塊的設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)模塊由分鐘計(jì)時和秒鐘計(jì)時兩部分組成，兩部分都可設(shè)計(jì)為模60的計(jì)數(shù)器，其中個分位、個秒位為模10計(jì)數(shù)器，十分位和十秒位均為模6計(jì)數(shù)器。并把兩個模60計(jì)數(shù)器級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)分鐘及秒鐘的計(jì)時。設(shè)計(jì)過程中，可使用計(jì)數(shù)器中的清零接口實(shí)現(xiàn)電路復(fù)位功能;開始/暫停按鈕可以使用一個D觸發(fā)器與門電路來實(shí)現(xiàn)。

（2） 存儲電路設(shè)計(jì)

使用4個D觸發(fā)器進(jìn)行連接，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制數(shù)的寄存器，寄存器可在計(jì)存儲脈沖的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)對四位二進(jìn)制的存儲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動碼表的存儲功能。

（3） 顯示模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)碼管顯示驅(qū)動有兩個數(shù)據(jù)來源：BCD計(jì)數(shù)器和寄存器，所以需要使用到多路選擇器MUX選擇所要輸出的數(shù)據(jù)來源。在“歷史數(shù)據(jù)”按鍵按下時，數(shù)碼管則顯示寄存器中存儲的數(shù)值;若按鍵未按下時，顯示運(yùn)動碼表當(dāng)前正在計(jì)時的數(shù)值。

4）電路的集成與組裝

將上述各模塊進(jìn)行封裝后并連線組合，完成運(yùn)動碼表電路設(shè)計(jì)。電路集成電路圖如圖2所示。

5）電路的封裝及功能測試

最后可將電路集成組裝圖進(jìn)行封裝，并添加相應(yīng)的測試按鈕、顯示數(shù)碼管及發(fā)光二級管，測試運(yùn)動碼表所實(shí)現(xiàn)的功能，測試圖如圖3所示。可以通過測試電路，更為直觀的觀察電路所實(shí)現(xiàn)功能。

4 結(jié)束語

經(jīng)過作者在《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)》課程近幾學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐證明，Logisim仿真軟件運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)課程中是可行的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可以將理論課程中重難點(diǎn)的內(nèi)容通過logisim進(jìn)行基于原理圖的設(shè)計(jì)與仿真，讓學(xué)生理論課中所學(xué)的組合、時序邏輯電路的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方電路更為直觀的呈現(xiàn)并得以測試。Logisim軟件的引入適當(dāng)降低了實(shí)驗(yàn)難度，進(jìn)一步增加了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的興趣。作為一名高校教師，我將以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性為目標(biāo)，不斷對《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)》課程進(jìn)行探索積極推進(jìn)課程的改革。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 吳榮海.Logisim在“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].大理大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，1（12）：96-100.

[4] 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.

【通聯(lián)編輯：梁書】