Multisim環(huán)境下ROM仿真實驗教學(xué)實踐

陳 衡，馮凱平

（四川旅游學(xué)院 信息技術(shù)系，四川 成都 610100）

在高職高專的計算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)過程中，關(guān)于硬件部分的實驗極少，特別是對內(nèi)存的實驗則完全是空白。因此，設(shè)計一種關(guān)于內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)過程的模擬實驗過程顯得十分必要。當(dāng)前，電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域一個極好的應(yīng)用工具[1]。其實，Multisim 10良好的動態(tài)仿真技術(shù)還可以很好地解決課程教學(xué)過程中理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一老大難問題。

1 Rom的數(shù)據(jù)存儲與讀數(shù)據(jù)原理

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

圖1 為ROM數(shù)據(jù)存儲與讀數(shù)據(jù)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(jìn)制數(shù)據(jù)：

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(dāng)A、B（CPU地址信號）分別發(fā)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(shù)據(jù)。

教學(xué)實踐中，主要講解的內(nèi)容有3點(diǎn)：

1）A、B地址關(guān)系：A、B是CPU發(fā)出的地址信號，如果地址線有n根，輸出狀態(tài)則有2n個，對應(yīng)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(zhuǎn)化為字線信號。字線的數(shù)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(tài)為高電位，即“有效”，其余的字線全部無效。

3）數(shù)據(jù)存儲單元：在位線和字線間跨接了二極管的交叉點(diǎn)，其邏輯值為1，否則為0。因此，圖1 4個單元所存儲的數(shù)據(jù)分別為1011、1001、1110、0011。但是，每個單元里的數(shù)據(jù)只有當(dāng)該單元對應(yīng)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(xué)內(nèi)容可以延伸至隨機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換儀。此儀器是現(xiàn)實工作中沒有的[3-4]。它具有以下功能：1）將邏輯電路轉(zhuǎn)換為真值表；2）將真值表轉(zhuǎn)換為邏輯表達(dá)式；3）將真值表轉(zhuǎn)換為簡化的邏輯表達(dá)式；4）將邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)化為真值表；5）將表達(dá)式轉(zhuǎn)換為邏輯電路；6）將邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與非門邏輯電路等。靈活運(yùn)用此虛擬儀器，可以給數(shù)字電路設(shè)計者帶來極大的方便。

圖2 邏輯轉(zhuǎn)換儀圖標(biāo)Fig.2 Ico of logic converter

圖3 邏輯轉(zhuǎn)換儀面板Fig.3 Panel of logic converter

圖2 為邏輯轉(zhuǎn)換儀圖標(biāo)，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(yīng)圖2的8個輸入端，表示最多可以應(yīng)用8個變量。但實際操作中，變量的個數(shù)視邏輯電路的實際需求而定。

中間的3個白色區(qū)域中，最左邊的顯示輸入變量取值組合所對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)碼；中間的顯示輸入變量的全部二進(jìn)制取值；右邊顯示中間區(qū)域各種取值下可能的結(jié)果，它需要操作員點(diǎn)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(zhuǎn)換為真值表、由真值表導(dǎo)出邏輯表達(dá)式、由真值表導(dǎo)出簡化的邏輯表達(dá)式、從邏輯表達(dá)式得出真值表、從邏輯表達(dá)式得到邏輯電路、由邏輯表達(dá)式得到與非門電路。

圖4 譯碼器表達(dá)式轉(zhuǎn)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(dāng)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(biāo)在右邊白色區(qū)域分別點(diǎn)擊4個？讓其為1000，然后再點(diǎn)擊右邊第二個或第三個按鈕，此時在圖3的下邊會出現(xiàn)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(diǎn)擊圖4右邊第五個按鈕可以將表達(dá)式A’B’轉(zhuǎn)化為圖5(a)的邏輯電路圖。

同理，在右側(cè)白色區(qū)域分別設(shè)置成0100、0010、0001時，可分別轉(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)據(jù)位的形成

如圖1，在字線和位線上交叉點(diǎn)上接上二極管處，該點(diǎn)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(diǎn)擊OK選中。

按圖1設(shè)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(shù)據(jù)開關(guān)

圖7中開關(guān)J1、J2的設(shè)置。

在元件工具欄中選中兩個開關(guān)J1和J2，當(dāng)開關(guān)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(shù)據(jù)輸出邏輯值以及字線狀態(tài)。

6 模擬實驗

圖7所示的模擬輸入狀態(tài)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(guān)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)Fig.7 Whole structure of ROM experiment

圖8 運(yùn)行結(jié)果Fig.8 Result of operation

7 教學(xué)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(fā)出的地址信號，經(jīng)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(jī)專業(yè)高職高專生對計算機(jī)硬件的理解極易產(chǎn)生偏差[5]，因此，教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：

1）需重點(diǎn)講解J1、J2作為地址信號的作用、二極管存儲結(jié)構(gòu)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(xì)講解。

2）正常情況下，每根字線上有8位二進(jìn)制位，需要8根位線，即一個字節(jié)，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(kuò)展，如欲將圖7擴(kuò)展到8個數(shù)據(jù)單元，可將譯碼器改為三八譯碼器，此時地址線達(dá)到三根，字線則達(dá)到8根，存儲單元的個數(shù)增加了一倍。至于更多字線擴(kuò)展的原理與其完全相同。

3）當(dāng)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(dāng)二極管正向?qū)〞r，其上有大約0.6 V的壓降所至。關(guān)于此知識原理不作為知識點(diǎn)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(xué)生對ROM的工作原理已經(jīng)建立了較為直觀的印象，再讓學(xué)生自己在計算機(jī)實驗室親自動手操作，包括電路的設(shè)計、元件的布置、儀器的使用、邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換等[6]，最后得到所需要的操作結(jié)果。當(dāng)學(xué)生真正掌握了ROM、RAM的工作原理之后，對其他硬件內(nèi)容的理解就容易得多了。

8 結(jié)束語

對于高職高專非計算機(jī)專業(yè)的新入校學(xué)生，作為計算機(jī)基礎(chǔ)課，什么是二進(jìn)制？二進(jìn)制如何應(yīng)用？計算機(jī)與二進(jìn)制之間的關(guān)系是什么？二進(jìn)制如何存儲？CPU如何存取二進(jìn)制數(shù)據(jù)等知識，這些知識是十分抽象的，加之這些知識在計算機(jī)上很難用實驗進(jìn)行驗證，成為教學(xué)中的一大瓶頸。理論講解固然能夠?qū)⑵浠镜览韨魇诮o學(xué)生，但學(xué)生只能死記硬背，不能深刻理解其內(nèi)涵。要使得學(xué)生能夠?qū)W得更扎實，印象更深刻，能很好地掌握二進(jìn)制的應(yīng)用方法，并進(jìn)而理解計算機(jī)是如何工作的，需要找到一種靈活的、動態(tài)的、形象的教學(xué)工具。Multisim 10以其優(yōu)秀的仿真功能，可以作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的有力輔助工具。

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