（计算机软件与理论专业论文）数字逻辑电路实验建模与计算机仿真.pdf

教字逻辑电路实验建模与计算机仿真 摘要 近年来，随着现代电子技术及微计算机技术的不断发展，数字逻辑的产品层 出不穷，数字逻辑实验器件不断更新，从而对实验手段、实验内容及实验效率等 方面提出了越来越高的要求特别是虚拟现实技术的发展，以及数字逻辑电路的 应用领域的不断扩展，以物理器材为基础、以手工操作辅与c m 演示的实验手段 及数字电路设计方法已经不适应电路元件功能不断升级、实验内容要求不断更新 的需求 本文从分析数字逻辑电路特点、常规电路模型描述方法入手，以e d a 技术相 关理论为基础，研究了数字逻辑电路的计算机建模方法及过程，提出了一个逻辑 电路实验的计算机模拟系统模型，并利用相关工具开发并实现了该系统中电路建 模及电路逻辑模拟部分的功能，可供实验者做基本的数字电路实验以及数字逻辑 实验 本文所建立的实验系统具有良好的交互性和扩展性，对于实验电路的编辑用 户有完全的自主操作权，用户启动仿真计算模块后，系统能根据用户设计的电路 以图形方式显示实验结果，效果逼真 关键词，数字逻辑电路、虚拟教学、虚拟实验，e d a 技术、虚拟仪器 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go f m o d e mc i e c t r o u i ca n dm i c r o c o m p u t v rt e c h n o l o g y 螂。 y e a r s , l o g i c o d 协m e r g ei ne n d l e s s l ya n dl o g i c 。x p c l i m e l l le q u i p m e n t s 啪 u p d a t i n gc o n t i n u o u s l y a n dr h e at h er e q u i r e m e n tf o rt h ec x p ：r i m tm e a n s , c o n t e n t , a n de f f i c i e n c yb c c o m cm o f ea n dm o r ea l t i t u d i n a le s p e c i a l l y , w i 廿it h ed e v e l o p i n g v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n d e x t e n d i n gi o g i cc i r c u i ta p p l i c a t i o nf i e l d ，t h ec 冀p 盯i l n e m m c a l ua n dl o g i cc i r c u i td e s i g nm e t h o d s , w h i c hb a s eo nt h ep h y s i c a lm a t c r i a l , h a n d w o r ka n dc a id e m o n s t r a t i o n , h a v ea l r e a d yn o ta d a p tt ot h ef a c tt h a tt h ec i r c u i t c o m p o n e n t sa i u p d a t i n gr a p i d l ya n de x p e r i m e n tm c 蛐玳c h a n g i n gc o n f i n u o u s l y i nt h i s 弘- p c f a f t e ra 珑d y = n gl o g i cc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e s c r i p t i o n m e t h o df o rn o r m a lc i r c u i tm o d e l ，m e t h o d sa n dp r o c e d u r eo fl o g i cc i r c u i t sc o m p u t e r m o d e l i n ga r cd i s c u s s i n g a n dac o m p u t e rs i m u l a t i n gs y g e mm o d e lf o rl o g i cc i r c u i t e x p e r i m e n ti sp r c s o n t e d a l lt h e s ew o r ka b a s e do nt h ee d at h i g h a tl 吼w e i m p l e m e n tp a r to ft h es y s t e mf u n c t i o n ：l o g i cc i r c u i tm o d e l i n ga n dl o g i cc i r c u i t s i m u l a t i n gc o m p o n e n l t h es y s t e mw eh a v ec r e a t e da c c o r d i n gt h i sp a p e rj lw e l li n t e r a o d v i t ya n d e x p a n s i b i l i t y u s e r sg a l le d i tt h e i rc i r c u i tb ys e l f - d e t e r m i n a t i o n , a n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sa l ev e r yl i r e l i k e n e s s k e y w o r d s ：| o g i c a lc i r c u i t , v i a u a lt e a c h i n g , v i l l l l a le x p e r i m e n t , e d at e c h n o l o g y v i r t u a li n s t r u m e n t 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：毫窍 日期：嘲年箩月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。j b 保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：磊房 日期：洲叮年s 月z 7 目 铆繇丑j 、乒 日期：洲哆年，月7 日 数字逻辑电路实验毫模与计算机仿真 1 1概述 第一章综述 数字逻辑电路课程是计算机应用专业重要的硬件基础课程，更是一门与应用 密切相关的课程，其应用理论与方法随数字电路器件的发展而不断变革从最早 的t t l 门电路到现在的系统编程用户片( i s p 器件) ，数字器件已经走过了五代 发展历程。为适应器件的发展，从经典的以基本门电路为主的手工设计方法到使 用e d a - r 具，以系统分析为出发点，以功能电路为基本设计单元的，应用大规模 数字器件的现代设计方法，数字电路的应用开发、设计及验证方法也经历了几代 的变革 近年来数字电子技术的发展非常快，尤以器件的发展为最快有资料表明， 每隔1 8 个月，器件性能就要翻一番；每过五年应用技术就耍被淘汰一半在这 样的应用基础上，数字逻辑电路被确定为相关专业的一门实践性技术基础课，对 数字电路实验的开展也提出了越来越高的要求实验内容也在不断更新。 1 2数字逻辑实验的开展现状 在市面上能用来进行数字逻辑实验和设计的实验器多种多样，即使是。固 定功能集成块+ 连线”实验模式的装置，也向着功能集成度越来越高的方向发展 如最早我们在大学课程实验中所用的8 2 _ - 2 b 型微机实验器吲，它就是一个全开 放式的实验装置，可以做各种数字逻辑电路验证实验及自行设计实验电路，与单 板机配合也可以做微机实验。又如由国内公司研制的n i c e - - h 万能实验器也基 本属于这一类，但它涉及的电子技术领域非常广泛，是集常规电子电路、可编程 数字逻辑电路、直到单片机系统等为一体的实验装置，故称万能实验器，其最大 的特点是模块化设计万能实验器主机是由精制成的印制电路扳( 2 8 5 长1 8 0 宽咖2 ) 和其上安装的公用模块组成这些公用模块不仅可以完成独立的电路实 验功能，而且各模块之间可以通过级联来完成相关的各种实验印制电路板上的 各模块按编号有：a 、b 、l e d 、g 、d 、e 、j d 、l k 、f ，h 、m 、k 、j d t 和可 编程、单片机模块( 1 ) a 模块由与非门7 4 l s 0 0 组成的振荡器，可提供脉冲 第一章综述 信号源利用印板上提供的各种阻容器件对7 4 l s 0 0 外部电路的代换完成低频、 音频，高频信号发生器实验。实验中附有l e d 显示( z ) b 模块由功放集成 电路t d 2 8 2 2 s 组成可制作各种功放电路( 输出功率1 3 5 w ) 。如双通道功率放 大器，单声道的b t l 电路( 3 ) l e d 数码模块由两支l e d 数码管组成共阴极 的四位l e d 0 l e d 3 显示，可制作各种数字和字符实验( 4 ) e 模块由电位 器和6 v 继电器组成的继电器实验电路，也可和其它实验电路级联，组成控制电 路( 5 ) l k 模块这是由8 只发光二极管l e d 和8 只按钮开关组成的l e d 显 示电路，可提供基础的开关电路实验( 6 ) f 模块由按钮7 f 关和常用传感器( 光 敏、热敏、干簧) 元件组成，可提供相关的传感器实验属于此类的还有由王振 宇等人研制的s l s i 型实验机1 1 j l 西安罗庚合等人研制的i c - i i i 型实验箱1 1 2 1 及浙 江张伟等人研制的m d s 1 1 1 型实验箱【1 因为是全开放式，整个实验过程都要操作者自行动手，虽然灵活性很大，但 对于即使是技能很高的设计者来说连接电路出错的机会也难免，更不用说是实验 新手，此种实验方式对实验器材的损耗非常大为了降低损耗人们想出种种办 法来改进和设计实验箱其中半开放方式就是一种改进方式 由国内北京华晟高科教学仪器有限公司出品的d d 2 0 0 0 数字电子技术实验装 置是其开发的微处理器通用教学实验平台m c l 0 0 0 微处理器实验中心的一个模 块其最大的特点就是提供的系统模块大部分为半开放式连线模块；在其系统模 块实验中，操作者不需要连接每一根线，在清晰了模块的原理后，只需连接关键 线路而为了自由扩展，它也提供了面包扳、自由扩展插座，满足操作者自己设 计的要求如图1 所示，其提供的系统模块能满足基本的课程实验要求 图l - 1e d 2 0 0 0 数字电子技术实验箱模块布置图 2 披字逻辑电站实验建模与计算机伪真 不管是开放式还是半开放式的实验箱，也不管实验箱中模块的集成度有多 高模块有多齐全，实验中成本高，器材损耗大、地点时间限制等实际问题是不 可避免的为了克服或减轻这些限制，纵观近几年来的各期刊论文。国内许多教 学工作者和研究者为此作了不同的尝试最初人们制作出简单的多媒体演示课件 作为实验的辅助工具，在一定程度上降低了实验者的操作失误但此种课件缺少 交互性，实验内容和实验数量都已既定，无法发挥实验者的设计和创新能力。虚 拟实验室”的提出，利用计算机软件搭建数字电路实验平台，则大大提高了实验 的灵活性和效率它通过仿真技术和多媒体技术等，使实验者可以在计算机上搭 建电路模拟真实的实验，其优点在于：( i ) 不受传统实验室实际条件的限制；( 2 ) 不存在实际耗材的损耗问题，可放手让学生自己设计、完成实验，有利于培养其 独立研究能力l ( 3 ) 可以节省实验经费等目前，国内个别大学结合“数字电路 与逻辑设计”课程开发模拟实验器，其中提供了较为丰富的数字逻辑芯片元器件， 可让用户自主选择组合出不同的电路进行实验，满足了学习者广泛开展实验的需 要 在国外，随着电子设计自动化( e d a ) 技术的发展，许多先进的e d a 工具 软件不断出现，使得电子系统设计、逻辑设计、电路设计、参数设计直到印制电 路板的设计，以及电路的功能仿真、时序分析、自动测试等都可以利用计算机来 完成。如由加拿大i n t e r a c t i v e i m a g e t e c h n o l o g i e s 公司推出的e w b 是一个强大的 电路设计软件”e l 2 0 1 ，它为设计者提供了丰富的元器件库，方便设计者进行电路 的计算机辅助设计、模拟以及布局而m a x + p l u s i i 和q o a r t u s i i 则是美国a l t e r a 公司研制的一种p l d 软件开发系统【l o l 1 7 - 1 | ，用它柬实现数字电路实验的仿真和 设计，不仅可以弥补实验仪器、元器件短缺以及规格不符合要求等不足，还能更 好地培养学生的综合设计能力、排除故障能力和创新能力以上两种软件，在国 内部分理工类大学都开设有相应的e d a 实验室，作为电子电路实验平台使用 1 2 7 2 0 1 目前，在电子工程行业最为普及的e d a 仿真软件要算m u l t i s i m 9 、p r o t e l 2 0 0 6 以及o r c a d 三者 m u l t i s i m9 由隶属于美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r o m e n t $ ，简称n i ) 的 e l e c t r o n i c s w o r k b e n c h 公司发布，m u l t i s i m 9 包括u l f i b o a r d 9 和u l t i r o u t e 9 这些 第一章综述 产品都是e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h9 系列设计套件的组成部分9 系列设计套件是 种紧密集成、终端对终端的解决方案。工程师利用这一软件可有效地完成电子 工程项目从最初的概念建模到最终的成品的全过程 p r o t e l2 0 0 6 是一个集成的板级设计系统，能够提供从概念到完成板卡设计 项目的所有功能要求，通过把设计输入仿真、p c b 绘制编辑、拓扑自动布线、信 号完整性分析和设计输出等技术的融合，p r o p e l2 0 0 6 为用户提供了全线的设 计解决方案 o r c a d 是由o r c a d 公司于八十年代末推出的e d a 软件它就集成了电原理图 绘制、印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真、可编程逻辑器件设计等功能， 它的电路仿真的元器件库更达到了8 5 0 0 个，收入丁几乎所有的通用型电子元器 件模块 上述三种软件都具备绘制电路图、绘制p c b ，电路仿真等功能，在具体操作 时，有很多相似的地方，而且还有共享的特性比较适合e d 专业人员使用，因 为它们都提供了非常专业化的设计和仿真 1 3v r 技术推动虚拟教学及虚拟实验迅速发展 1 3 i 虚拟教学的概念 一、虚拟现实技术 探讨虚拟教学，首先要了解虚拟现实的概念所谓虚拟现实，即用计算机模 拟出各种现实和非现实的三维场景虚拟现实技术也即信息技术包括智能计 算机系统、多媒体技术、光电子系统集成技术以及信息的获取、传递与处理技术， 是以假逼真地模拟某种现实环境。并以互联网络为载体，来实现预定目标的一种 操作方法和技能 虚拟现实技术足模拟仿真和虚拟现实的最高和最新层次在虚拟仿真的情景 中，借助计算机硬件、网络技术、宽带和计算机3 d 运算能力等信息技术手段， 用户可实时进行人机交互如入现实真境 = 、虚拟教学 虚拟现实技术在教育，教学上的应用，开创了。虚拟教学。的崭新领域，它 教字逻辑电路实验建模与计算机仿真 是教育高科技的展示和体现，也是教育手段现代化，信息化的标志之一我们可 以为“虚拟教学”下如下定义：虚拟教学是教育教学机构特别是学校运用虚拟技 术，在互联网络上开展全部或部分教学的不消耗或少消耗现实教育资源和能量 的、又具有现实学校特征和功能的人才培养活动 按教学过程虚拟化的广度和深度的区别，虚拟教学可以分为全虚拟型和部分 虚拟型两类全虚拟型，是指教学环境和教学条件、教学过程和教学管理都己虚 拟化的教学类型部分虚拟型，则是指在传统大学内的部分学院或系，教学条件、 教学过程以及教学管理全部或部分虚拟化的教学类型从教学虚拟化的本质来 看，他们的特点是相同的 三、虚拟教学的开展现状 虚拟教学是建立在互联网的基础上的。目前虚拟教学的最高形式是全虚拟型 的虚拟学校，但它需要很高的社会，经济，技术条件，只有建立与综合国力相适 应的、与国际网相连接的、功能强大的信息、通信和多媒体技术网络系统，才能 为创建虚拟学校提供必要的环境条件目前在加拿大、美国等少数发达国家部分 州投入较大的资金建设社区虚拟学校，制定了各种虚拟教学计划在我国，远程 教育这支新生力量正以不可抵挡的势头向前发展，但它只局限于个别高校的个别 院系专业虚拟教学的全面开展开需要大批具备现代教育技术知识和技能、现代 管理技术知识和技能的高素质人才 1 3 2 虚拟教学的主要作用 虚拟教学是近十年来出现的新事物，经过初步实践，已经显示其积极作用： 1 开拓作用虚拟教学是现代信息技术与虚拟观念相结合的产物一方面， 它冲破了传统教学和现行教学模式中的狭隘性它开拓了教学手段的发展空间， 从而确立了非现实性的台理性、超越性、创新性为教学的创新提供了新的空间、 平台和可能性它在教学上凸现和张扬了人的创造性和非现实性的力量二是开 创了崭新的学习方式，提升了实践形式的多样性三是拓展了学习主体的认识视 界，突破了认识的物理空间和一元线性思维模式，丰富了学习主体的感知手段和 经验世界以及精神维度四是加速了教育信息化进程，促进了教学改革的发展和 教学质量的提高五是促进形成了不同的学习网络和学习群体，使不同的学习者 第一章综述 建立了学习的罔缘关系，有利于学习化社会的构建和学习主体协作性人格、开放 性人格的塑造 2 示范作用它引起教学硬件的虚拟化、教学过程的网络化，教材的多媒 体化、教学管理的现代化以及教学的个别化、个性化和学生学习的自主化等根本 性的变革，在开发学生智力，极大地提高教学效率和水平，及时共享世界最新科 技成果、教育信息资源；跨地区、跨国家学习课程，实现高等教育的大众化、学 习的终身化等方面，为我国高等学校改革和发展提供了学习的范例 3 桥梁作用由于它以环球网络为载体，以现代化的教育技术为依托，将 高等学校的改革及其现代化与促进我国社会主义的现代化、迎接世界高等教育相 互开放的潮流、适应末来社会生活和工作的需要，紧密地联系丁起来，能发挥它 特有的桥梁作用 4 激活作用。教学过程是教师和学生以教材为载体的双边信息传递过程 虚拟教学为标志的现代化教学过程，全面，彻底地改变了传统的教学载体以及信 息传递方式和方法。从而确立了学生学习的主体地位，激活了学生学习的主动性、 积极性、发展性、创造性和终身性同时也激活了教师的开拓进取性和竞争性 5 互补作用从传递信息来说，传统高等学校虽然存在着不少缺陷，但在 一定时期内，他们仍然是培养高等专业人才的主力，能够继续发挥它的传统功能 就虚拟教学而言，虚拟大学是教学虚拟化程度最高的一个层次，进入这个层次需 要比较高的主客观条件，发展受到一定的限制，目前尚处在萌芽阶段，数量较少 而部分教学虚拟化的高等学校相对要比较多一些，它与虚拟大学一样能够发挥上 述的积极作用因此，在培养高等专业人才的过程中，虚拟教学模式和传统高等 教育办学模式是一种互补的关系 1 3 3 开展虚拟实验的意义 一、虚拟实验的实现方式 实验是教学的实践环节，是检验理论学习的手段，是巩固和拓展理论知识的 最佳方式虚拟实验不仅是虚拟教学的重要组成部分，即使是传统教学虚拟实 验也为其实践环节注入了新鲜血液，增加了实践的形式 虚拟实验利用虚拟现实技术，根据物理性的实验原理，在计算机软件平台上 6 教字逻辑电路实验建模与计算机仿真 实现对实验器材实验过程及实验结果等信息的模拟使其产生在功能、行为和 感官( 视景、动感、听觉及其它各种感觉) 特性方面与实际物理性实验尽可能相 同的效果 二、开展虚拟实验的意义 ( 1 ) 弥补教学经费不足的缺陷在传统教学中，往往因为实验设备、实验 场地等方面的限制而使一些应该开设的教学实验无法开设虚拟实验室，弥补了 这方面的不足学生通过微机和网络就可以傲各种的实验，并获得与真实实验几 乎一样的体验，加深对教学内容的理解 ( 2 ) 减少物质资源的浪费，提高实验系统的可重复利用性在传统实验中， 很多实验的开展是以极大损耗物理资源为代价，而且这种损耗是不可恢复的，如 电路实验中对电路模块的烧毁等而在虚拟实验室中，因为实验平台主要是用软 件来搭建的，软件可无限复制，实验的过程几乎不涉及物理器件的损耗，它是一 种低损耗的实验方式，不仅大大降低了实验成本的投入，而且具有可移植性、资 源共享性、资源可重用性等特点 ( 3 ) 避免真实操作所带来的各种危险在传统教学中，大部分学校为了保 证学生的安全，对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方 式来取代实验学生无法真接参与实验学生在虚拟实验室中可l ；c 放心地去做 各种危险的或危害人体的实验 一 ( 4 ) 彻底打破实验的时空限制。有的实验，在实际实验环境中要很长一段 时间( 如数月甚至数年) 才能出现结果，而在虚拟实验室中短时间内便可以得到 模拟结果也有些实验可能要跨越较大的空间范围，或者是实验的环境要求比较 特殊，实际条件难以建构满足实验的环境，在虚拟实验室中则可轻而易举地模拟 出各种特殊的空间 ( 5 ) 实现实验的微观控制有些实验的实验结果变化太快，以至人们的肉 眼无法捕捉其瞬间的变化在虚拟实验中，则可以任意控制模拟时钟的变化速率 来实现对实验在时间变化上的微观观测和控制 ( 6 ) 便于更新实验内容虚拟实验室中，虚拟元器件和设备库都是通过软 件来构建的，软件即实验因此元器件和设备都容易增添新品种，容易功能升级， 实现实验室功能优化 第一章练连 1 4本文工作及意义 1 4 1 本文的主要工作 本课题研究的主要工作包括： 1 对数字逻辑分析设计及e d a 技术的发展、现状及应用作较为深入的分析 和研究 2 利用先进的e d a 技术对数字逻辑电路实验进行研究，提出一个可供数字 逻辑电路课程教学者进行实验仿真和电路设计的数字电路仿真系统的总体开发 模型，实现实验环境的软件化 3 利用相关工具开发并实现了该系统中电路建模及电路逻辑模拟部分的功 能，可供实验者做基本的数字电路实验( 即基本门电路和触发器实验，如与门、 非门，或门、r r l 触发器等) 以及数字逻辑实验( 如半加器、全加器、计数器等) 1 4 2 本文工作的意义 通过对数字逻辑电路实验仿真系统的研究与开发，一方面熟识了e d a 技术 的相关理论，了解了e d a 工具软件在数字电路及数字逻辑实验方面的应用；另 一方面探讨了虚拟教学领域的相关理论与方法，如计算机仿真的理论方法、计算 机仿真软件的应用、虚拟教学环境的建模等，井对由传统c a i 教学到虚拟实验 教学的转变的必然性进行了探讨，展望了虚拟实验教学的发展前景。 该实验系统的开发，基本出发点是：与实际物理电路实验相比，减少实验器 材的重复投入。避免对实验器材的实际损耗，降低实验成本；提商实验效率它 适合于数字电路课程初学者做验证性实验，更适合于数字逻辑设计者，允许其充 分发挥自主性，自行设计逻辑电路系统中的元件库能动态增加凡经用户设计 验证的芯片元件均可加入系统中，在后继实验中灵活引用系统研发成功可作为 高校数字电路与逻辑设计课程的实验教学使用，也可作为教学工作者的研究工 具 特别是系统在对逻辑综合、各级模拟、自动布局布线等功能的扩展完善后， 将是一个很好的数字电路自动化设计的工具；而能结合飞速发展的网络技术，系 数字逻辑电踌实验建慎与计算机仿真 统的网络版完成后，将使该课程实验教学的远程教学成为可能，并使数字电路自 动化设计的并行推进成为可能 1 5论文结构 除本章外其余部分的内容安撵如下： 第二章阐述数字逻辑的相关知识，包括逻辑代数、逻辑电路方程，以及e d a 技术概述； 第三章阐述数字逻辑电路在计算机中的建模； 第四章阐述该模型的实验系统的实现包括关键技术的分析归纳； 第五章总结本文所做的工作、存在问题和进一步研究的方向 9 第二章数字逻辑分析设计及e d a 技木 第二章数字逻辑分析设计及e d a 技术 2 1 逻辑电路特点与分类 在电子技术中，常见的电信号分为两类，一类是模拟信号，另一类是数字信 号模拟信号在时间和幅值上都是连续变化的而数字信号在时间和幅值上部是 离散的处理模拟信号的电路是模拟电路，而处理数字信号的电路是数字电路， 也称逻辑电路 数字电路是咀二值数字逻辑为基础的，其中的输入和输出信号都是离散的数 字信号，电路中的电子器件处于开关状态与模拟电路相比，数字电路结构简单， 便于集成化、稳定性好，既能完成算术运算也能进行逻辑运算，同时还能通过编 程来改变数字芯片的逻辑功能，易于采用计算机进行辅助设计 根据数字电路系统中有光可编程器件，数字系统可分为可编程和不可编程两 类而可编程类又分为有指令系统类和无指令系统类 而根据数字电路的逻辑功能和结构特点，数字逻辑又分为组合逻辑和时序逻 辑，组合逻辑电路没有记忆功能，而时序逻辑电路则可以记忆历史状态 2 2 组合逻辑电路 所谓组合逻辑电路是指：在任何时刻，逻辑电路的输出状态只取决于电路各 输入状态的组合，而与电路原来的状态无关因为组合电路的输出与电路的原来 状态无关，所有电路中不包含记忆性器件，而且输出与输入之间没有反馈连线 最简单的组合电路就是各种门电路，门电路是组合电路的基本单元 可以用下图表示组合逻辑电路图中 i 、k 、a n 表示输入逻辑变量，l l 、 l = 、l m 表示输出逻辑变量 图2 - i 组合逻辑电路示意图 数字逻辑电端宴验建横与计算机仿真 输出与输入之间的逻辑关系可以用下列一组函数式来表示 rl ：f i ( i ， 2 ，。a n ) b f ，( l ，k ，a n ) ( 2 1 ) - l ：所连的元件编 号 m e m b e rf u n c t i o n e l i n e o ； e l i n e ( c p o i n t ，c p o i n t ，i n tl i n e t a g - - o u n s i g n e dl o n g l i n e c o l o r = r g b ( o ，0 0 ) 。i n tl i n e f l u i n tn o d e n u m = o ) ： d e c l a r es e r i a l ( e l i n e ) ： e li n e * i s a t t a c h ( c p o i n tp o i n t ) ： v o i ds e t s t a r t p o i n t ( c p o i n tp o i n t ) ：设置线的端点 v o i ds e t e n d p o i n t ( c p o i n tp o i n t ) ： c p o i n tg e t s t a r t p o i n t0 ： c p o i n tg e t e n d p o i n t0 ： v o i ds e t w i d t h ( i n tw i d t h ) ；设置线宽 i n tg e t w i d t h ( ) ； v o i dc h a n g e l i n e c o l o r ( c d c * p d c ，u n s i g n e dl o n gl i n e c o l o r ) ： 设置线色 u n s g n e dl o n gg e t c o l o r ( ) ； v o i ds e t t a g ( i n tt a g ) ：设置标记 i n tg e t t a g ( ) ： v o i ds e t c o n n e c t n o d e ( u i n tc o n n e e t n o d e ) ；设置关联接点标号 u i n tg e t c o n n e c t n o d e ( ) ： v o i ds e r i a l i z e ( c a r c h i v e ka t ) ： v o i dd r a w l i n e ( c d c 印d c ) ： 竺! 里壁垒堕圭竺堡苎皇塑墨墨堕塞 v o i de r a s e ( c d c 却d c ) g h a n g e l i n e c o t o r ( p d c 。r g a ( 2 5 5 2 5 5 ，2 5 5 ) ) ：l ： ： 五中间连接点类( c m i d n o d e ) 表示线与线之间的连接点，如当一个输出端要连到多个其它模块的输入端 时，就要用到中间连接点 c l a s sa f x _ e x t _ c l a s sc m i d n o d e ：p u b li cc o b j e c t p r i v a t e ： c p o i n tmn o d e p o s ：i i 节点位置 u n s i g n e dl o n gm _ n o d e c o l o r ；节点颜色 o i n tm _ c o n n e c t n o d e ；关联接点序号 i n tt a g ；- 1 ：接到输出端，o ：没接线，l ：接输入 c o b l i s tm _ l i s t ：e l i n e ： p u b l i c ： i ) e c l a r e _ s e r i a l ( c m 5 d n o d e ) ： c m i d n o d e0 m _ c o n n e c t n o d e = o ；t a g = o ； ： c m i d n o d e * i s a t t a c h ( c p o i n tp o i n t ) ： v o i ds e t p o s ( c p o i n tp o i n t ) ： c p o i n tg e t p o s0 ： v o i ds e t c o n n e c t n o d e ( u i n tc o n n e c t n o d e ) ： u i n tg e t c o n n e c t n o d e0 ： v o i ds e t t a g ( i n tt a g ) ： i n tg e t t a g o ： v o i da d d l i n e ( e l i n e ) ： e l i n ed e l e t e l i n e o ： v o i dd r a w ( c d c , p d c ) ； v o i de r a s e ( c d c p o o ： v o i ds e r i a l i z e ( c a r c h i v e 矗a t ) ： ： 第网幸虚拟实验系统的安现 4 4 2 电路编辑的智能化 虚拟实验，最讲究的就是人机交互的合理简洁该系统最基本最重要的交互 功能就是允许用户在图形界面( 虚拟电路板) 上对电路进行自主的编辑，包括插 入电路模块、电路连线、删除电路模块及擦线等 虚拟电路板必须是智能的集成体，即它要记录用户加载的所有电路模块、连 线以及模块与模块之f 鄙的连接关系，否则后续的电路模拟运行将无法进行本系 统中将当前编辑的视图及文档这对特定的对象作为电路板，文档存放电路的内部 数据如元件链表、接点信号表( 记录所有元件的输出端口) 、外部信号集合及电 线链表等，视图则提供图形化的实验平台及动态输出实验的结果简述如下， 一加入电路模块 要对加入的模块进行合理记录，使得在模拟阶段能调用相应的模块的功能进 行计算为此每加入一个电路模块，则要： ( 1 ) 将该电路模块加入元件链表中； ( 2 ) 将所有输出端口加入接点信号表中，为后面的电路模拟作准备； ( 3 ) 将所有输入端口加入外部信号集合中 二连线 连线的作用就是指定模块与模块之间的连接关系，电线是信号传输的桥梁 对这种连接关系的记录如下： ( 1 ) 修改被连的输入端端口属性，标记所连的接点信号；并该将该输入端 从外部信号集合中删除； ( 2 ) 将所连输入端对应的模块加入输出端的负载元件链表中； ( 3 ) 将连线加入电线链表中 兰删除电路模块 某个模块被删除时，它与被其它模块的连接关系也要被删除： ( 1 ) 在接点信号表中删去该模块的所有输出端口，并改变所有相应负载元 件的相关输入端口属性，删除其接点信号连接标记； ( 2 ) 删去各输出端口引出的所有连线； ( 3 ) 删去所有连到该模块输入端的连线； ( 4 ) 删去该模块位于外部信号集合中的输入端记录； 赣字逻辑电路实验建横与计算机仿真 ( 5 ) 将模块从元件链表中删去 四擦除电线 擦除电线时也涉及要将被擦的电线与所关联电路模块的连接关系删去 4 4 3 电路仿真 算法 本系统中对于逻辑电路的模拟采用的是前面所述的事件驱动模拟算法，下面 给出它的算法描述 1 取当前时刻t 0 接收外部激励信号事件及各信号初始值，加入当前信 号事件表中； 2 电路初始化： 3 # h i l e ( 存在事件a n d 未到模拟结束时闻) ，处理当萌各秸号事锋 3 1 w h i l e ( 当前事件列表不空) ( 3 1 1 取表头信号事件： 3 1 2i f ( 当前信号值与原来值不同) i 将新值写入相应信号的结果列表中； 将谊信号的负载元件加入活动元件集合中； 3 1 3 删除该事件节点； ) 3 2 计算活动元件集合中各元件功能，得到新事件插入时问链表中； 3 3 活动元件集合置空； 3 4 t 走到下一时刻； 3 5 接收新的外部激励信号事件，加入时间链表的当前信号事件列表中； 4 模拟结束，返回 其中对于3 2 与3 3 步又可将其进一步细化： w h i l e ( 活动元件集合不空) f 第阳章虞拟实验系l 宽的实瑰 从集合中取出一元件v e ，计算其功能得到新事件； 对每一新事件 l 检查对应信号的事件列表； 处理事件冲突： 处理惯性延迟冲突： 】 二电路的初始化 电路各节点的初始化状态及记忆元件的初始值，可由用户指定对用户未指 定的节点，可赋予默认值( x 或0 ) 但这样指定的初始值有可能不满足信号之间 的逻辑关系在正式模拟之前。处理各节点初始值，使其符台逻辑关系，又尽量 保持用户指定的初值，除非用户指定的值有矛盾，这样一个过程称为电路的初始 化 初始化采用预模拟方法预模拟类似于实际电路在开启电源后的稳定过程 预模拟时，外部激励信号取t 。时刻的值保持不变，模拟时钟也停在t 。时刻不动 三事件冲突的处理 对于一个信号s ，设前面已经安捧了一个事件e 。= ( s v t 1 ) 尚未处理，现 在又安捧了一个新事件包= ( s ，v 。t ：) 。且t t t ，则称发生了事件冲突事件 表中存在一个事件e 尚未处理，说明从安捧事件的时刻到当前时刻，该信号尚未 达到延迟时间，即该信号的跳变尚未完成，需要到t 时刻才能完成。这时如果对 这个信号又安捧了一个不同信号值的新事件e ：，由于t l t ：，意味着莳- 面安捧的 事件表示的跳变完成之前，已使该信号完成另外一个跳变这就是说，前面安捧 的事件e 。是不可能发生的，因而应该删去，而安排新事件e ， 四惯性延迟冲突的处理 对于一个信号s 设前面已经安捧了一个事件ej = ( s ，v ，t 1 ) 尚未处理，现 在又安捧了一个新事件白= ( s ，y “t 。) ，且t l t 。v 。n 则称发生了惯性延迟冲 突这时需要把前面安排的事件删去e ”而安排新事件e ： 4 4 4 电路储存的实现 电路的存储是必须实现的，它便于实验者以后能对实验继续进行修改或重复 教字逻辑电路实验建稹与计算机仿真 利用已有的实验模块实验电路的存储不仅要存储电路的物理元素即电路模块、 连线等也要存储元素问的关系在m f c 编程中这种存储是可以实现的，我们只需 为每个需要存储的对象类实现串行化的函数即可整个电路的存储由系统的保存 命令自动调用电路板( 文档类) 的串行化函数，再由电路板的串行化函数逐层调 用其它对象的串行化函数来实现如图展示了其中最项层的一个调用流程 元件链表串行化 | r 电路模块串行化 j r 模块端口串行化 圈1 2 串行化的调用 4 5 系统实现的关键步骤与技术 系统功能的成功实现取决于解决了从系统建模、算法制定、数据结构描述直 到算法的实现等一系列的关键问题。 ( 一) 进行了详细的系统建模。建立合理的系统模型是系统设计成功的一半， 它直接影响了后期数据结构的选择与实现从系统的目标功能结构出发，采用数 学建模的方法对系统进行逐层建模由系统的原始功能模型建立系统总体数学模 型v l a b 和电路模型c b 2 c u i t n e t ；根据电路模型中的元素建立元件模型、元 件的信号模型等而这些模型都是后期数据结构选择的依据 ( 二) 制定了可行的电路模拟算法电路的运行模拟模块是整个虚拟实验室 中的核心模块，也是一个实现起来最为复杂的模块本系统选择了事件表驱动法 做为电路的逻辑模拟算法思想，并对该算法的实现流程进行了详细的描述 ( 三) 选择合理的数据结构，为算法的成功施行奠定基石。算法+ 数据结构 = 程序”这一表述仍然有很大的合理性，离开具体的数据结构，算法便成了空谈 本系统不仅为系统模型及元件模型等建立了相应的数据结构一各种类，而且为了 使各模块算法能顺利实行，还添加了相应的辅助数据结构特别对于电路运行模 第四覃廛拟实验系统的宴现 拟模块的逻辑模拟算法，其中的信号事件表、时问链表和活动元件集合等的表示 至关重要，系统中采用了如下相关数据结构： c o b l i s tm i n n o d e l i s t ；9 1 部输入集合，元素为c i n p u t n o d e ，编辑电路时 会改变，而运行电路时则对应为算法中的外部激励信号集合 c a r r a y m ( m t n o d c l i s t ；接点信号表编辑电路时生 成，表示电路的连接关系电路运行过程中，信号事件的驱动以它为依 据 c a r r a y ms i g n a l e v e n t l i s t ；信 号事件表，模拟时动态改变对应电路运行时的当前信号事件表 夺c a r r a y c t i m e e v e n t n o d e ，c t u n e e v e n t n o d e , bm _ t q ；时阃列表，模拟时 动态改变 ( 四) 用图形化编程语言l a b v i e w 实现虚拟器件的逻辑功能虚拟设备库 中大量器件的逻辑功能需要编码实现，如果都使用v c 编程，工作将十分烦 琐本系统选择采用l a b v i e 来编制虚拟器件的逻辑功能函数并生成d l l 函 数以供v c 中调用，从而简化了这一部分代码的编写与调试 下面以半加器为例，分析在l a b v l e w 中创建半加器逻辑功能函数d l l 的方 法 i 、创建子v i l a b v i e w 中的子v i s h a r e d l i b r a r y 命令打开s h a r e dl i b r a r yp r o p e r t y 对话框( 如图4 4 ) 通过该对话框 为即将创建的d l l 配置参数，其中最重要的就是s h a r e dl i b r a r yi n f o r m a t i o n 和s o u r c ef i l e s 两类参数 圈4 - 4 躏- 神dt l t n r yp r o p e r t y 对话框 ( 3 ) 在s h a r e dl i b r a r yi n f o r m a t i o n 面板设置生成的目标文件信息；用 户要特别关注两个参数：t a r g e tf i l e n a m e 和s h a r e dl i b r a r yd e s t i n a t i o n d i r e c t o r y ，前者是生成的d l l 文件名，后者是存放d l l 文件的目录路径值得注 第p q 章虚拟实验系统的实理 意的是w i n d o w s 环境所用的d l l 是以d 1 1 为扩展名，而在l t a co s 中用的扩展名 是f r a m e w o r k ，l i n u x 中则是s o ( 4 ) 在s o u r c e f i l e s 面板中要指定将导出d l l 的v h 即要从p r o j e c tf i l e s 列袁中将既定的v i 文件添加到e x p o r t e dv i s 列袁中l