基于Multisim的计算机组成原理实验仿真.doc

基于 m u ltis im 的计算机组成原理实验仿真陆明洲 1 ,菊 2何( 1. 南京农业大学 工学院 , 江苏 南京210032; 2. 南京中医药大学 信息技术学院 , 江苏 南京210029 )摘 要 : 提出了基于 m u ltisim 进行计算机组成原理课实验的思路 , 探索了一种更适合于当前教学的实验方法 , 该方法能有效提高实验效果 。介绍了 m u ltisim2001仿真系统的概况 , 通过运算器实验仿真实例说明了 仿真方法在计算机组成原理实验中的应用 , 最后分析了仿真实验结果 。关键词 : 计算机组成原理 ; m u ltisim; 实验仿真文章编号 : 1002 24956 ( 2007) 1220094205中图分类号 : tp391. 9; tp301文献标识码 : aexperiment simulation of computer organizationp rincip le based on multisimlu m ing2 zhou1 , h e j u2( 1. enginee ring co llege, n an jing a gricu ltu re u n ive rsity, n an jing 210032, ch ina; 2. info rm a tion techno logy co l2lege, n an jing u n ive rsity of ch ine se m ed ic ine, n an jing 210029, ch ina)a b stra c t: th is p ap e r p u ts fo rwa rd a new way to do exp e rim en ts fo r p rinc ip le of comp u te r o rgan iza tion, and inve sti2 ga te s a k ind of exp e rim en t m e thod wh ich is mo re su itab le fo r cu rren t teach ing . th is m e thod can imp rove the re su lt of the exp e rim en t effec tive ly. the gene ra l situa tion of m u ltisim2001 is in troduced. the app lica tion of the sim u la tive m e thod in the exp e rim en t can be exp la ined th rough the in stance of the exp e rim en t of alu. f ina lly, the re su lt of thesim u la tive exp e rim en t can be ana lyzed.key word s: p rinc ip le of comp u te r o rgan iza tion; m u ltisim;exp e rim en t sim u la tion重 ;( 2 ) 由于实验箱系统的硬件结构固定 ,计算机组成原理课是计算机 、电气化以及自动化等专业的核心基础课程之一 , 是学好计算机硬件 的关键课程 。由于计算机类课程的特殊性 , 学生的 动手实践是学好这门课程必不可少的重要环节 , 通 过实验 , 可以加强学生对这门课程的理解以及提高 他们的设计创新能力 。传统的计算机组成原理实验一般是采用专用的 实验箱 , 我校采用的是 tec - 2000以及 tec - 4 实 验箱 , 但通过前几年的使用情况来看 , 实验箱有着 许多不足 : ( 1 ) 实验方法与先行硬件课程存在脱 节现象 , 各门硬件课程之间本来有着紧密的联系 , 但由于不同的课程采用不同的实验箱系统 , 在实验 环节中很难在各 门课 程 中建 立联 系 , 脱 节 现象 严学生的主要工作仅仅是在相应硬件模块间插接连线 , 因此实验箱系统中大多是验证性实验 , 学生不能自己 设计模块 , 所有的实验很难突破实验箱的限制 , 因此 ,解 ,实验不能很好的加强学生对课程理论知识的理( 3 ) 实验箱套数更谈不上培养创新能力了 ;难以满足日益增长的学生规模 , 实验室的硬件投资往往比较大 , 在资金不足 、学生规模不断增长的情( 4 ) 由于实验箱的特殊况下 , 实验箱套数不足 ;性 , 一旦系统出现故障 , 一般情况下就是整台实验箱报废 、浪费严重 , 不利于实验室的维护 。为此 , 结合专 业 特点 与现 代 电 子 系 统 设 计 方 法 , 我们在计算机组成原理实验中引进了 eda 技 术 , 使得实验能够 通过 计 算机 仿真 来 完成 功能 设计 、逻辑设计 、性能分析和功能测试 , 最后生成指收稿日期 : 2007 203 223作者简介 : 陆 明 洲 ( 1981 ) , 男 , 江 苏 省 泰 州 市 人 , 硕 士 , 教现了计算机组成原理实验中的所有单元实验 , 取得了令人满意的实验效果 , 实验的成功率和学生的动 手能力得到了极大的提高 。2 实验仿真实施方案计算机组成原理教学过程中应强调整机思想 ,在实验过程中应遵循 cpu 整机概念 , 因此 , 该实1 m u lt is im 2001 仿真系统简介m u ltisim 2001 是 一 个 用 于 电 路 设 计 和 仿 真 的 eda 工具软件 , 它是加拿大 in te rac tive im age tech2 no logie s ( iit) 公司于 1988 年推出的电子线路仿真 和设计 eda 软件 ewb 的升级版 。m u ltisim 2001 与 ewb 相比在功能上有了较大的改进 , 提供了标准 的实际元 (器 ) 件库 、 r f 库 、功能强大品种齐全 的仿真仪器和能满足各种需求的分析方法 。它的十 多种分析方法可自动完成对数字电路 、模拟电路 、 混合电路和 r f 电路的仿真与分析 , 完全取代了以 手工为主的繁锁计算过程 。虚拟的数字万用表 、信 号发生器 、逻辑分析仪 、示波器 、频谱仪等常用实 验设备在 m u ltisim 2001 中应 有尽 有 , 其 操 作使 用 与现实中的设备非常相似 , 极大地丰富了实验的调 试方法和手段 。m u ltisim 2001 仿真系统最大特点的是高度的系 统集成化 、图形化 , 简单易用 、形象直观 。电路的 原理图输入 /建立 、仿真 、分析和结果显示 /输出均 在同一个环境中完成 , 不必在不同的应用程序间来 回切换 。m u ltisim 2001的各种元器件形象直观 , 电 路结构和形式与教科书完全相同 , 整个软件系统的 操作过程较为简便 , 学习和使用很方便 , 我们在不 增加额外实验学时的情况下 , 只需要稍加讲解和演 示 , 学生就可以开始使用这个功能强大的 eda 工 具完成实验 。其次 , m u ltisim 2001仿真系统支持电路的模块 化设计 , 由此可以把复杂的电路分解为相对独立的 子电路 , 我们可以用已有的一些基本的元器件来实 现具有这些子电路功能的模块 , 然后进行封装 , 这 就有利于学生在实验过程中发挥自己的创新能力设 计出具有特定功能的模块 , 这些模块可以在实验中 多次应用 。这个特点提高了学生自己动手设计具有 一定功能模块的能力 , 这比传统的实验箱实验方法 更具优势 。总之 , m u ltisim 2001是一个十分优秀的电子系 统设计训练工具 , 它使传统实验摆脱了对元器件和 实验设备的过多依赖 , 以及元器件和实验设备对传 统实验的局限性 。对计算机组成原理实验课程的改 进具有重要的意义 。验比其先行课程诸如数字电路的实验要复杂得多 。结合 m u ltisim 2001 和 组 成 原 理 这 门 课 程 的 特 点 ,我们对实验作了必要的分解 , 根据不同的功能 , 设 计了时序电路实验 、运算器实验 、存储部件实验和总线传输实验 , 每个实验都设计出相应的子电路模 块 。这些模块都是 cpu 整机实验的一个部分 , 它 们的有机组合可以实现整机实验的思想 。每个模块 的芯片数量都在十片左右 , 其复杂度适中 。同时每 个模块的实现方案多样 , 学生可以自己创新设计出具有相同功能的不同电路模块 。下面我们以运算器 实验模块为例说明基于 m u ltisim 2001 的组成原理 实验仿真的实现 。运算器实 验 系 统 如 图 1 所 示 , 图 中 bcla 加 法器是 4 位 alu , 是一种多功能函数发生器 , 可执行多 种 算 术 逻 辑 运 算 , 可 以 直 接 调 用 m u ltisim2001 的 74l s181 芯片来进行仿真 。 cla 电路又称 为先行进位发生器 , 它接收各 bcla 加 法器 的 gi 和 pi 以 及 初 始 进 位 信 号 c0 , 从 而 同 时 产 生 各 bcla 加 法 器 的 低 位 进 位 信 号 ( c4 、 c8 、 c12 ) , 因此各个 bcla 加 法器 可 以同 时运 算 , 同 时 产 生 运算结果 , 这就是所谓的组内并行 进 位组 间并 行 进位的并行加法器 , 其速度比串行 进 位加 法器 以 及组内并行组间串行进位的加 法器 要快 很 多 。然 而 , cla 电路在 m u ltisim 2001 种并没有现成的芯 片仿真 , 因此我们需要根据 cla 电路的功能 , 自 行设计电路并利用 m u ltisim 2001 进行封装 , 从而 实现图示电路仿真 。2. 1 实现 cl a 电路的芯片设计cla 电 路的 主要 功 能是 接收 bcla 加 法 器 的gi和 pi以 及 初 始 进 位 信 号 cin , 从 而 同 时 产 生 各bcla 加法器的低位进位信号 ( c4 、 c8 、 c12 ) 。假设 4 片 bcla 加法器的先行进为输出依次是 p1 g1 、p2 g2 、 p3 g3 、 p4 g4 , 那么 :cn + xcn + ycn + z= g1= g2= g3+ p1 cin ,+ p2 cn + x+ p3 cn + y= g2 + g1 p2= g3 + g2 p3+ p1 p2 cin ,+gp p + p p p c ,12 3 1 2 3 incn +4= g4+ p4 cn + z= g4 + g3 p4+ g2 p3 p4 +g1 p2 p3 p4 + p1 p2 p3 p4 cin.现令图 1运算器实验系统逻辑图3根据上述一系列进位产生公式 , 可以在 m u lti2p= p1= g4p2 p3 p4 ,+ g3 p4 + g23sim 2001 利用 ttl 工具箱中 74 系列提供的工具创gp3 p4+ g1 p2p3p4 ,建 cla 电路 ,实现图如图 2 所示 。则33cn +4= g+ pcin.图 2cl a 电路在 m u lt is im 2001中的实现其中 , 具有 两个 输 入端 的与 门 、或 非 门都 是ttl 工具箱中 74 系列提供的工具 , 而具有 3 个输 入端和 4个输入端的与门 、或非门的实现方法有多 种 , 可由学 生发 挥自 身 创造 力 , 自 己提 出 解决 方 案 。此处是使用 m u ltisim 2001 中对 已有 元 器件 的 编辑功能实现的 , 从双输入的与门和或非门编辑改 造而来 。要对上述 cla 电路进行封装 , 以便其可以作 为一个芯片模块使用 。m u ltisim 2001创建一个新元 件并不容易 , 不仅 需要 一定 的 元件 建模 方 面的 知说创建一个仿真器件需要以下几个步骤 :首先输入元件名称 、厂商名称 、元件类型等的元件信息 ; 其次是定义元件外形 , 这里需要指定元件外形名称 , 该名称必须符合 pcb 软件所要求的定义名称 , 在 这个步骤里还需要说明元件是单一包装还是复合包 装 , 不管哪一种包装我们都需要指定引脚数 ; 再次 是设置元件符号信息 , 这一步中需要对元件图形进行编辑 ; 然后是定义元件符号与元件外形的对应关 系 ; 最后是说明元件的模型信息 。经过这些步骤 , 我们完成了对图 2 中电路进行的芯片封装 , 按照计74l s182。 74l s182 共有 16 个引脚 , 其中 , 8 号引脚和 16 号 引 脚 分 别 为 接 地 和 电 源 , 在 m u ltisim2001中封装芯片时 , 可以隐藏这 2 个引脚 ; 1、 2、3、 4、 5、 6、 14和 15 号引脚分别为 74l s182 输入 端 g2 p2 、 g1 p1 、 g4 p4 、 g3 p3 ; 13号引脚为输入端仿真时 , 需要做一些适合于仿真的改进 。图 3显示的是仿真电路的部分 , 篇幅关系 , 省去了一些重复的和辅助作用的电路连接 , 仅对主要部分作说明 。图 3 是 16位二进制数运算的实现 , 每个 74181 实现 4 位运算 , 其中 , a、b 操作数的输入由数字电 源 vdd 和接地通过单刀双掷开关提供 , 图 3 中仅cin ; 12、 11、 9 号引脚分别为输出端cn + x 、 cn + y 、33画出了最高一级 74181 ( u5 ) 的 a 操作数输入 ,以及其他 74181操作数提供方式与此类似 。bcn + z ;10、 7号引脚分别为 g 和 p 。2. 2 m u lt isim 2001 中运算器的仿真图 1所示的运算器逻辑图具体到 m u ltisim 2001图 3 m u lt is im 2001中运算器的仿真电路仿真过程中 , 运算结果是通过指示器件库中的灯泡表示的 , 图 3也仅对最高一级的 74181 的输出f作了连接 , 若灯泡亮 , 表示此位输出为 1 , 否则 为 0。当然 , 在学生自己动手使用 m u ltisim 2001 仿真运算器实验时 , 也可以将诸如利用 vdd 和接地 ,通过单刀双掷开关提供操作数等电路部分封装成单大进位延迟时间 。我们还可以比较串行进位和并行进位的时间延 迟差异 , 为了达到这个目的 , 应对图 3 电路作以下 修改 : 加入三个二选一电路 74157芯片 , 其作用是 选择组间进位是串行方式还是并行方式 , 以图 3 中 u5 (最高一级 74181 ) 为例 (其余两个 74157 芯片 接入仿真电路的方法类似 ) , 在 u5 和 u1 之间添加 一个 74157 , u1 的 cn + z和 u4 的 cn + 4作为 74157 的 输入 , 74157的输出端连到 u5 的 cn , 这样 , u5 的 低位来的 进位 信 号就 可以 通 过 74157 在 74182 的元电路 (独立芯片 ) ,路的复杂度 。2. 3 仿真实验结果分析本实验中 , 实验目的有两个 ,这样就可以有效降低仿真电一是掌握 16 位运算器的工作原理及设计方法 ; 二是观察 16 位并行进位运算器的延迟时间比较 。图 3已经能达到第 一个实验目的 。为了验证并行进位比串行进位延迟时间短 , 可在仿真电路中加入示波器 , 同时将最低进位输入 cin接连续脉冲 , 将 a 组数据全置 1 , b 组数据 全 置 0 , 或 反 之 , 将 74181 的 m、 s3 、 s2 、 s1 、 s0置为 01001 , 使 74181执行带进位 “f = a 加b ”功能 , 于是 , 在运算器输出端 cou t可得到连续 脉冲的相移 , 滞后时间 t便是此 16 位运算器的最cn + z和u4的 cn + 4中选择 , 若选前者 , 则为并行进位 , 若选后者 , 则为串行进位 , 分别用示波器观察cin 、 cou t的时间延迟 。可以发现 , 组间串行进位的 延迟要比并行进位的时间延迟大 , 这正与我们的理 论课的研究一致 。3 结束语从以上的分析可以看出 , 在计算机组成原理实验中可以较为方便地引入 m u ltisim 2001 仿真系统 ,理 , 2005 , 22 ( 4 ) : 73 275. 2 陈丽文. 计算机组成原理实验教学改革的探讨 j . 实验技术 与管理 , 2005 , 22 ( 8 ) : 97 298. 3 蒋卓勤. m u ltisim 2001 及其在电子设计中的应用 m . 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2003. 4 赵 志 英. 计 算 机 组 成 原 理 实 验 m . 上 海 : 复 旦 大 学 出 版 社 , 1996. 5 徐晨. 应用 eda 技术改革计算机组成原理实验教学 j . 电气 电子教学学报 , 2004 , 24: 66 269. 6 白 中 英. 计 算 机 组 成 原 理 m . 3 版. 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2000.该系统的引入 , 丰富了实验内容 、方法和手段 , 与以往传统的实验方法相比 , 学生在实验过程中可以 节省大量的接线时间 , 把重点放在模型计算机的设计和仿真 、验证上 , 使本实践环节更好地达到教学 目的 。仿真系统的引入 , 也是学生接触到了现代电 子设计的新方法 、新手段 , 激发了学生的积极性和 创造性 , 使整个课程实验的效果得到很大提高 。参考文献 ( r efe rence s) : 1 王玉华. 计算机组成原理课虚拟实验方案 j . 实验技术与管(上接第 90 页 )码具有延迟 。观察整体仿真波形 , 可知基带系统的设计是正确的 。图 7 ppm 基带系统仿真波形在 ppm 解调电路里没有涉及同步电路的设计 ,这部分内容可以作为课题的扩展部分实现 。另外 , 上述的方案设计所采用的信码是一个 m 序列 , 对 于伪随机序列可以利用其尖锐的相关特性来进行检 测 , 因此数字相关器的设计也可以作为课题的提高 部分供学生在选题的时候实现 。能力的目的 , 为启发学生的创新意识和培养学生的创新能力起到了一定的作用 。参考文献 ( r efe rence s) : 1 l ing ge r, gaglia rd i r. slo t synch ron iza tion in op tica l ppm comm u2n ica tion s j . ieee tran s comm un