Multisim環境下ROM仿真實驗教學實踐

陳 衡，馮凱平

（四川旅游學院 信息技術系，四川 成都 610100）

在高職高專的計算機基礎課教學過程中，關于硬件部分的實驗極少，特別是對內存的實驗則完全是空白。因此，設計一種關于內存讀寫數據過程的模擬實驗過程顯得十分必要。當前，電子設計自動化（EDA）技術在工業領域應用較多，其中比較成熟的EDA軟件，如美國NI公司的Multisim 10軟件就是電子產品設計領域一個極好的應用工具[1]。其實，Multisim 10良好的動態仿真技術還可以很好地解決課程教學過程中理論教學與實際動手實驗相脫節的這一老大難問題。

1 Rom的數據存儲與讀數據原理

圖1 ROM存儲原理Fig.1 Principle of ROM storage

圖1 為ROM數據存儲與讀數據原理簡化圖[2]，僅為一個四位存儲器。其中，譯碼器輸出4根地址線A0、A1、A2、A3，屬于字線。該存儲器每個字為4位，分別存儲有二進制數據：

字A0：1011

字A1：1001

字A2：1110

字A3：0011

即，在字線和位線間跨接了二極管的位存儲1，未接二極管的位存儲0。

當A、B（CPU地址信號）分別發出代碼00、01、10、11地址時，分別從D0、D1、D2、D3輸出字A0、字A1、字A2、字A3四個單元中的某一個中所存儲的數據。

教學實踐中，主要講解的內容有3點：

1）A、B地址關系：A、B是CPU發出的地址信號，如果地址線有n根，輸出狀態則有2n個，對應著2n個字線。本例有2根地址線，因此字線有22=4根。

2）譯碼器：譯碼器的作用是將地址信號轉化為字線信號。字線的數量等于2n。在這2n根字線上，任何時候最多只有一根字線狀態為高電位，即“有效”，其余的字線全部無效。

3）數據存儲單元：在位線和字線間跨接了二極管的交叉點，其邏輯值為1，否則為0。因此，圖1 4個單元所存儲的數據分別為1011、1001、1110、0011。但是，每個單元里的數據只有當該單元對應的字線為高電平時才能夠通過4根位線D0、D1、D2、D3輸出。

其教學內容可以延伸至隨機存儲器RAM，僅需要將圖1中的二極管改為可讀可寫的其他存儲器件即可，工作原理與ROM幾乎相同。

2 邏輯轉換儀

在Multisim 10中，有一個極具特色的但鮮為人知的虛擬儀器Logic Converter，即邏輯轉換儀。此儀器是現實工作中沒有的[3-4]。它具有以下功能：1）將邏輯電路轉換為真值表；2）將真值表轉換為邏輯表達式；3）將真值表轉換為簡化的邏輯表達式；4）將邏輯表達式轉化為真值表；5）將表達式轉換為邏輯電路；6）將邏輯表達式轉換為與非門邏輯電路等。靈活運用此虛擬儀器，可以給數字電路設計者帶來極大的方便。

圖2 邏輯轉換儀圖標Fig.2 Ico of logic converter

圖3 邏輯轉換儀面板Fig.3 Panel of logic converter

圖2 為邏輯轉換儀圖標，有9個端子，左面8個為輸入端，最右邊一個為輸出端。

圖3為其面板。A-H對應圖2的8個輸入端，表示最多可以應用8個變量。但實際操作中，變量的個數視邏輯電路的實際需求而定。

中間的3個白色區域中，最左邊的顯示輸入變量取值組合所對應的十六進制數碼；中間的顯示輸入變量的全部二進制取值；右邊顯示中間區域各種取值下可能的結果，它需要操作員點擊？號取0或1完成。

圖3右邊有6個按鈕，分別是：由邏輯電路轉換為真值表、由真值表導出邏輯表達式、由真值表導出簡化的邏輯表達式、從邏輯表達式得出真值表、從邏輯表達式得到邏輯電路、由邏輯表達式得到與非門電路。

圖4 譯碼器表達式轉換圖Fig.4 Transition diagram of decoder expression

由于圖1采用的是二四譯碼器，因此僅需要兩個變量A、B即可。由圖3可見，A、B具有4種不同的取值。

對于圖1中的A0取值，只有當A、B等于00時輸出為1，而A、B為01、10、11時輸出均為0。為此，操作員需要用鼠標在右邊白色區域分別點擊4個？讓其為1000，然后再點擊右邊第二個或第三個按鈕，此時在圖3的下邊會出現A’B’（A’表示A的非）字樣，表示A非和B非的與。見圖4最下方所示。

點擊圖4右邊第五個按鈕可以將表達式A’B’轉化為圖5(a)的邏輯電路圖。

同理，在右側白色區域分別設置成0100、0010、0001時，可分別轉換成圖5電路中的（b）、(c)、(d)。將圖5中4個電路圖中的輸入變量A、B統一連接，即得到圖1中的二四譯碼器。

圖5 二四譯碼器的4種輸入方式Fig.5 Four kinds of input way of two to four decoder

3 ROM中數據位的形成

如圖1，在字線和位線上交叉點上接上二極管處，該點的邏輯值為1，否則為0。

二極管的選擇如圖6，在元件工具欄中選擇二極管符號，然后選擇1N4001，點擊OK選中。

按圖1設計的仿真電路如圖7。在圖7中，將二極管拖至合適的位置即可。

4 連接模擬數據開關

圖7中開關J1、J2的設置。

在元件工具欄中選中兩個開關J1和J2，當開關向上撥時，J1、J2與Vcc的5 V電源連接，模擬值為1，向下時J1、J2接地，為邏輯0。

圖6 選擇二極管Fig.6 Selecting diode

5 連接電壓表

在Multisim儀表欄中選中8個XMM儀表，分別連接至4根位線和4根字線，如圖7所示，用于顯示數據輸出邏輯值以及字線狀態。

6 模擬實驗

圖7所示的模擬輸入狀態即A、B值為00，A0字線被選中，A0字線的輸出值為1011。此時，雙擊位線上的4個電壓表XMM1-XMM4，其電壓值分別顯示的是4.388 V、0 V、4.388 V、4.388 V，分別代表1、0、1、1。而4根字線僅有A0線顯示5 V，A1、A2、A3三根字線顯示的電壓值均為0 V，如圖8。

同理，如果將J1開關撥至Vcc，則A、B輸入值為10，字線A2將被選中，其輸出值為1110。不斷地轉換J1和J2的位置，將選中不同的字線，并輸出各自字線上所存儲的邏輯值。

圖7 ROM實驗整體結構Fig.7 Whole structure of ROM experiment

圖8 運行結果Fig.8 Result of operation

7 教學實踐

從圖7可見，二四譯碼器由兩個非門和4個與門組成，每個與門的輸出端為字線信號。

J1、J2代表CPU發出的地址信號，經過譯碼器譯碼后變成為字線信號，并且在所有的字線信號中僅有唯一被選中的字線為1信號，其余全部字線信號必須為0。

非計算機專業高職高專生對計算機硬件的理解極易產生偏差[5]，因此，教學中應當注意以下幾點：

1）需重點講解J1、J2作為地址信號的作用、二極管存儲結構如何輸出所存儲的邏輯值。至于二極管的工作原理、電阻R1-R4起何種作用、二四譯碼器的工作原理等無需作詳細講解。

2）正常情況下，每根字線上有8位二進制位，需要8根位線，即一個字節，其工作原理與圖7四位位線的存儲器工作原理完全相同。至于字線的擴展，如欲將圖7擴展到8個數據單元，可將譯碼器改為三八譯碼器，此時地址線達到三根，字線則達到8根，存儲單元的個數增加了一倍。至于更多字線擴展的原理與其完全相同。

3）當字線電壓為5 V時，如果位線上有二極管，則該位線電壓為4.388 V，這是由于當二極管正向導通時，其上有大約0.6 V的壓降所至。關于此知識原理不作為知識點對高職高專生加以介紹，僅簡述二極管可有0.6 V的壓降、或1.4 V以上均稱為高電平即可。

通過老師的演示，學生對ROM的工作原理已經建立了較為直觀的印象，再讓學生自己在計算機實驗室親自動手操作，包括電路的設計、元件的布置、儀器的使用、邏輯關系的轉換等[6]，最后得到所需要的操作結果。當學生真正掌握了ROM、RAM的工作原理之后，對其他硬件內容的理解就容易得多了。

8 結束語

對于高職高專非計算機專業的新入校學生，作為計算機基礎課，什么是二進制？二進制如何應用？計算機與二進制之間的關系是什么？二進制如何存儲？CPU如何存取二進制數據等知識，這些知識是十分抽象的，加之這些知識在計算機上很難用實驗進行驗證，成為教學中的一大瓶頸。理論講解固然能夠將其基本道理傳授給學生，但學生只能死記硬背，不能深刻理解其內涵。要使得學生能夠學得更扎實，印象更深刻，能很好地掌握二進制的應用方法，并進而理解計算機是如何工作的，需要找到一種靈活的、動態的、形象的教學工具。Multisim 10以其優秀的仿真功能，可以作為計算機基礎教學的有力輔助工具。

[1]郭振民,丁紅等.電子設計自動化EDA[M].北京.中國水利水電出版社，2009.

[2]Niklaus Wirth.Digital Circuit Design[M].北京.高等教育出版社，2002.

[3]程勇.實例講解Multisim10電路仿真[M].北京.人民郵電出版社,2010.

[4]程思寧,耿強,姜文波，等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理.2013,30(7):94-97.CHENG Sining,GENG Qiang,JIANG Wen-bo,et al.Application and practice of virtual simulation technology in experimental teaching of electrical courses[J].Experimental Technology and Management.2003,30(7):94-97.

[5]張文梅,黃曉紅,崔楠.仿真技術在電類課程實踐教學中的應用[J].廣東農工商職業技術學院學報，2013,29(2):42-46.ZHANG Wen-mei,HUANG Xiao-hong,CUI Nan.Application of simulation technology in practicalteaching of elelctric courses[J]. Journal of Guangdong AIB Polytechnic College,2013,29(2):42-46.

[6]王剛,王艷芬,于洪珍.基于Multisim的鎖相環應用電路仿真[J].電氣電子教學學報,2008,30(3):67-69.WANG Gang,WANG Yan-fen,YU Hong-zhen.The simulation of PLL and its application circuit based multisim[J].Journal of IEEE,2008,30(3):67-69.