Logisim在數(shù)字邏輯實驗課程中的實踐與探索

王璐 劉藝 劉亞楠

摘要：本文分析了數(shù)字邏輯實驗課程的教學現(xiàn)狀及實驗需求，提出將Logisim仿真軟件引入實驗教學中，給出了“利用Logisim設計實現(xiàn)運動碼表”綜合性實驗項目的分析與設計過程，探討了該軟件在數(shù)字邏輯實驗課程教學中的可行性。實驗課程中引入該仿真軟件可以幫助學生理解所學的理論知識，適當降低實驗課程難度，從而激發(fā)學生對本課程的學習興趣，進一步提高學生對電路的分析設計能力。

關鍵詞：數(shù)字邏輯;Logisim;實驗教學;設計及仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0234-02

開放科學（資源服務）標識碼（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》課程在計算機專業(yè)課程體系有著重要作用，該課程實踐性強，是計算機科學與技術、網絡工程、軟件工程等計算機相關專業(yè)的專業(yè)必修基礎課，也是計算機硬件相關課程的先修課程。《數(shù)字邏輯》課程旨在全面培養(yǎng)學生對數(shù)字電路分析及設計的能力，并為《計算機組成原理》《計算機系統(tǒng)結構》《微機接口技術》等后續(xù)課程的學習打下扎實的理論基礎。《數(shù)字邏輯實驗》課程則起到進一步鞏固理論知識，培養(yǎng)學生對數(shù)字電路的分析設計能力的作用，在教學環(huán)節(jié)中起到了非常重要的作用。

2 “數(shù)字邏輯實驗”教學現(xiàn)狀

2.1 教學的現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字邏輯的實驗課程大多采用試驗開發(fā)板或實驗箱來完成。這種實驗方式存在著一些弊端，如：器材的購買費用較高且需要進行器材的維護;受實驗器材的影響實驗項目較為有限;編寫代碼后，需要對代碼進行于調試;實驗較難驗證及擴展等。

2.2 教學改革需求

遵循現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的發(fā)展趨勢，我院不斷地在《數(shù)字邏輯實驗》教學過程中進行改革及探索，把數(shù)字系統(tǒng)設計的新方法、新理念及新技術不斷地滲入到實際的教學活動中去。在教學實踐中發(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證，適當降低實驗的難度，進一步激發(fā)學生的興趣、從而培養(yǎng)學生對數(shù)字電路的分析設計能力等問題，是數(shù)字邏輯解實驗課程教學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驗過程中。使用仿真軟件也是數(shù)字電路實驗一個改革方向，近年來也得到越來越多的認同及實踐應用。

Logisim[[1]]作為一個數(shù)字邏輯電路的設計與仿真軟件，具有開源性、其在Java環(huán)境下無需安裝即可運行，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，仿真結果能較為直觀方便驗證測試，易于理解等優(yōu)點[[2]]，適于數(shù)字邏輯電路的設計及仿真。而數(shù)字電路中大量由基本門電路組合而成的計算機部件實例適合利用Logisim軟件來設計及仿真[[3]]。Logisim除了提供基本的邏輯門以外，還提供運算器、復用器、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、邏輯表達式等方法創(chuàng)建邏輯電路，并對設計電路進行仿真測試，觀察電路實現(xiàn)功能。由此可見，在“數(shù)字邏輯實驗”教學過程中引入Logisim是完全可行的[[4]]。

3 “數(shù)字邏輯實驗”案例的設計及實現(xiàn)

3.1 使用Logisim設計電路的一般步驟

使用Logisim仿真軟件可將理論教學中一些較為抽象、難理解的知識點通過軟件的仿真加以實現(xiàn)，通過電路的仿真測試觀察電路所實現(xiàn)的功能。使用Logisim設計電路的一般步驟為：（1）明確設計需求，即了解設計任務的設計內容、性能需求等;（2）選擇實際的設計方案。即根據所掌握的知識體系，針對設計需求，設計出較為經濟可靠、可行性高的設計框架;（3）設計電路單元模塊。根據設計框架選擇合適的參數(shù)及器件，對實現(xiàn)電路的單元模塊進行設計并封裝;（4）對封裝后的電路單元模塊進行集成組裝;（5）對集成組裝后的電路進行封裝并測試其功能。一般步驟如圖1所示。

3.2 基于logisim的綜合性實驗項目實例

下面以綜合性案例“使用logisim設計運動碼表”為例，按要求設計電路實現(xiàn)運動碼表功能，并使用logisim軟件進行虛擬仿真。分析設計步驟如下：

1）根據功能描述分析設計需求

能夠實現(xiàn)分鐘計時以及秒計時的功能，并將計時數(shù)值顯示在數(shù)碼管上。此功能碼表有四個輸入按鈕，實現(xiàn)功能描述如下;

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

（2） 復位按鈕：可將當前計數(shù)狀態(tài)清零。

（3） 存儲按鈕：存儲鍵按下時，能將當前碼表中的數(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

首先運動碼表實現(xiàn)的是計數(shù)功能，所以要使用到計數(shù)器;把計數(shù)的數(shù)字在數(shù)碼管上顯示出，所以需要數(shù)碼管顯示;因為碼表需設計存儲功能，因此需要使用到寄存器;由于數(shù)碼管顯示驅動有兩個數(shù)據來源：計數(shù)器計數(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。然后根據要使用到的組件，設計實現(xiàn)具體功能模塊。

3）模塊的設計與實現(xiàn)

（1） 計數(shù)模塊的設計

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

（2） 存儲電路設計

使用4個D觸發(fā)器進行連接，可以設計實現(xiàn)4位二進制數(shù)的寄存器，寄存器可在計存儲脈沖的驅動下實現(xiàn)對四位二進制的存儲，進而實現(xiàn)運動碼表的存儲功能。

（3） 顯示模塊的設計

數(shù)碼管顯示驅動有兩個數(shù)據來源：BCD計數(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)據來源。在“歷史數(shù)據”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，顯示運動碼表當前正在計時的數(shù)值。

4）電路的集成與組裝

將上述各模塊進行封裝后并連線組合，完成運動碼表電路設計。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行封裝，并添加相應的測試按鈕、顯示數(shù)碼管及發(fā)光二級管，測試運動碼表所實現(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現(xiàn)功能。

4 結束語

經過作者在《數(shù)字邏輯實驗》課程近幾學期的教學實踐證明，Logisim仿真軟件運用在實驗課程中是可行的。在實驗教學過程中可以將理論課程中重難點的內容通過logisim進行基于原理圖的設計與仿真，讓學生理論課中所學的組合、時序邏輯電路的設計思想、設計方電路更為直觀的呈現(xiàn)并得以測試。Logisim軟件的引入適當降低了實驗難度，進一步增加了學生對實驗課程的興趣。作為一名高校教師，我將以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，進一步增強學生學習的主動性為目標，不斷對《數(shù)字邏輯實驗》課程進行探索積極推進課程的改革。

參考文獻：

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

[2] Minnies Stuff.An Example Hardwired CPU [EB/OL]. [2016-1-23]. http：//minnie.Thus.Orgl/CompArch/Tutes/week 03.html

[3] 吳榮海.Logisim在“計算機組成原理”教學中的應用實踐[J].大理大學學報，2016，1（12）：96-100.

[4] 胡世昌.用Logisim改革數(shù)字電路實驗[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2015，33（2）：301-304.

【通聯(lián)編輯：梁書】