计算机组成原理实验
实验一 多数表决器设计
一、实验目的
1. 掌握 Logisim 软件的使用方法和实验步骤。
2. 掌握使用不同组件实现多路选择器的设计方法。
3. 掌握电路外观设计方法。
4. 掌握子电路级联设计方法。
二、实验环境
进入 Logisim 编辑环境，
三、实验内容
1. 利用基本逻辑门设计一个 3 输入多数表决器。
（手工绘制）
假设输入信号为 X、Y、Z，输出信号为 F。两个或两个以上同意，得到输出结果。
实验步骤如下。
1） 基本原理。列出如表 1.1 所示的真值表，生成逻辑表达式。
输入 | 输出 | ||
X | Y | Z | F |
0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 | |
0 | 1 | 0 | |
0 | 1 | 1 | |
1 | 0 | 0 | |
1 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 0 | |
1 | 1 | 1 | 1 |
化简后的输出函数表达式 F（X,Y,Z）= F= Y ∙ Z+ 𝑋 ∙ Z+ 𝑋 ∙ Y
数字电路分析：
需要3个2输入与门和1个三 输入或门；3个输入引脚和1个输出引脚。
分析输出表达式，可见实现该功能需要 3 个2 输入与门和 1 个 3 输入或门；另外还需要 3 个输入引脚和 1 个输出引脚。
2） 添加逻辑门。在电路图中放置需要的逻辑门、输入/输出引脚等，并布局到适当位置。
图 1.2 表决器的初始电路图中
（此图用隧道来设计，在画布中先把输入输出引脚用隧道设计好，再在空白画布处在输入和输出之间添加逻辑门电路，如上图所示）
打开 Logisim 软件，通过快捷工具栏在工作区中放置与门、或门、输入引脚、输出引脚等组件。或门缺省输入端口数是 2，需修改属性表，将输入端口数改为 3，如图 1.2 的初始电路图中所示。布局时应注意部件之间需留有足够的空隙，导线排列要整齐，并减少导线交叉。
3） 添加连线。将输入引脚、逻辑门的输入端、输出端、输出引脚等通过连接线相连。
在 Logisim 快捷工具栏中，选中箭头图标，进入编辑状态，当鼠标移动到某个连接点时，出现绿色圆圈，拖动该圆圈到目的位置即可生成线路。注意所有输入和输出引脚都需要线路相连，不能悬空，输出引脚不能直接互连。如图 1.3 所示。
图 1.3 3 输入表决器连线电路图
- 添加标识符。添加注释文字，以便于对电路的理解。
选中输入、输出引脚，在属性表中添加引脚标识符。选中逻辑门，在属性表中添加门标识符。点击快捷工具栏中文本工具，在电路空白处添加描述文字，如图 1.4 所示。标识符、注释文字的字体、大小、颜色和位置等均可在属性表中修改。注意采用语义标注，以便于记忆和理解。
图 1.4： 3输入表决器带标识符电路图
5） 仿真测试。进入仿真状态，验证电路功能。
在 Logisim 快捷工具栏中，选中点戳工具（手指图标），进入仿真状态。把鼠标移到某个输入引脚上，点击鼠标左键，则可在 0 和 1 之间切换该输入引脚的赋值，查看输出引脚的状态，验证电路的正确性。仿真时，依次改变每一个输入端的赋值。验证通过后，在 File 菜单下选择 save 按钮，输入文件名为：lab1.1，保存电路设计文件 lab1.1.circ。
四，实验结果：
实验二 数据选择器设计
（一）2选1数据选择器设计
实验目的：
掌握 Logisim 软件的使用方法和实验步骤。
2. 掌握使用独立逻辑门电路设计2选一选择器
3掌握用不同组件实现多路选择器的设计方法。
4. 掌握电路外观设计方法。
5. 掌握子电路级联设计方法。
实验内容：在Logisim中手工绘制2选1多路选择器
多路选择器又称数据选择器、多路开关或复用器（MUX，Multiplexer），在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路数据选中送到输出端的电路。
多路选择器的逻辑功能：
多路选择器是一种多输入单输出的组合逻辑电路，常用符号MUX表示。
多路选择器的端口包括数据输入端口(D)、选择控制端口（S）、nEnable(使能端）和数据输出端口(Y)。nEnable(使能端）可设可不设。多路选择器根据选择控制端口(S)的值从多个数据输入中选择一个送到输出端口。
根据 2 选 1 多路选择器（2 路选择器）的逻辑表达式 Y=D0∙S’+D1 ∙ S𝑆𝑆，使用两个 2输入与门、1 个 2 输入或门、1 个非门、3 个输入端和 1 个输出端实现两级与-或逻辑电路。在 Logisim 工作区中的部件布局如下图 所示。
引脚说明（参考）：
nEnable(使能端）： 输入， 1 位， 使能端，低电平有效。（可设或不设）
nEnable=0时选择；nEnable=1禁止选择，此时输出恒为1。
Select（控制选择）： 输入， 1 位， 地址选择（数据端口选择）
D1,D0： 输入， 1 位， 2路数据输入
Y： 输出， 1 位， 数据输出端
按上图布局连线，根据仿真检测结果，填写下表 所示的真值表，以验证电路的功能。封装并取名保存。封装图如下
表：2路选择器真值表
输入 | 输出 | ||
D1 | D0 | S | Y |
0 | 0 | 0 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 1 | 1 |
1 | 0 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 |
（二）4选1选择器设计
实验目的：1.掌握 Logisim 软件的使用方法和实验步骤。
2.掌握用不同组件实现多路选择器的设计方法。
3. 掌握电路外观设计方法。
4. 掌握子电路级联设计方法。
实验内容：使用已经设计好的2 路选择器级联实现 4 路选择器
按下图1用隧道把输入输出引脚设计好，在输入和输出之间布局2路选择器，如图2。
图1
图2
改变输入端的数据，测试输出端的数据，验证电路功能。取名保存该电路设计文件。
（三）
- 隧道和集线器部件实验。
实验目的：1.掌握 Logisim 软件的使用方法和实验步骤。
2.掌握用不同组件实现多路选择器的设计方法。
3. 掌握隧道和集线器的使用方法
实验内容：
如上图，在 4-1MUX 子电路工作区中放置 4 位输入引脚 INPUT，2 位的输入引脚SELECT 和 1 位输出引脚 OUTPUT，并放置 3 个隧道，数据位宽分别为 4、2 和 1，分别标识为 DATA、S 和Y；并把 INPUT 输入引脚和隧道 DATA 端口相连，SELECT 输入引脚和隧道 S 相连，输出引脚 OUTPUT 和隧道 Y 相连。删除原电路图中的输入引脚和输出引脚及其与多路选择器之间连线，如下图所示。
在工作区放置 4 位 4 分支的集线器，分支连接 2 选 1 多路选择器的数据输入端；再放置 2 位 2 分支的集线器，分支连接到 2 选 1 多路选择器的选择端，如下图所示：
复制隧道 DATA，其端口和 4 分支集线器相连；复制隧道 S，其端口和 2 分支集线器相连；复制隧道 Y，其端口和 4 选 1 多路选择器的输出端相连。级联 2 选 1 多路选择器的数据输入和输出端。如下图所示。
改变 INPUT 输入引脚和 SELECT 输入引脚的数据，验证电路功能，掌握隧道和集线器部件的功能。另存该电路设计文件，文件名为：*.circ
实验结果：
