利用Logisim构建小型数字系统（运动码表）
本文主要介绍的是中国大学mooc上“计算机硬件系统设计”课程中的一个实验。首先，我对本课程的课程组深表感谢，开发了这么好的学习资源供学生在线学习。
下面介绍的是这个实验的设计过程。感兴趣的朋友可以前往https://www.icourse163.org/course/HUST-1205809816 亲自尝试！
在学习了数字电路后，大概有了时序电路设计的印象，但只能在纸上画画状态图，解解题，不能很好地运用起来，因此借这次机会好好总结一下。
文章目录
- 一、功能要求
- 二、功能部件
- 三、控制接口定义
- 四、数据流电路连接
- 五、控制单元建立★★★
- 1.状态机
- 2.状态转换逻辑电路
- 3.输出函数逻辑电路
- 六、作品展示
- 七、其它
- 1. Moore型和Mealey型电路对比
- 2.寄存器的功能
一、功能要求
这是本次实验“运动码表”的功能要求，输入由四个功能按键构成，输出是数码管。有了功能要求之后，就可以开始该数字系统的设计了。（备注：Store键要求记录当前码表值，若已有记录，则和当前待记录的值作对比，然后显示相对较小的值）
二、功能部件
首先对功能进行拆解，得到所需的电路部件，如下表
| 功能 | 部件 |
|---|---|
| Start 计时 | 计数器 |
| Store 记录 | 16位寄存器 |
| Store 记录值比较 | 数据比较器、数据选择器MUX |
| 数码管显示 | 数码管驱动 |
三、控制接口定义
这里包括输入输出接口和内部控制接口的定义。
输入为Start、Stop、Store、Reset四个接口
输出为控制4个数码管的32个接口
内部控制接口有 ”计数器使能“、“计数器复位”、“16位寄存器使能”、“数据选择器选择端”等
四、数据流电路连接
数字系统设计中需要重点关注的是“数据流”和“控制流”两部分，即解决“数据是如何进行传递的”和“如何控制数据在合适的条件下进行传递”两大问题。
这是，首先关注”数据流“，可以画表来梳理数据的流向，然后逐步进行电路部件的连接。
| 部件 | 输入来源 | 备注 |
|---|---|---|
| 16位寄存器 | 计数器计数值 or 系统复位后的值“9999” | 需另加数据选择器 |
| 比较器 | 计数器计数值 和 寄存器中存储的值 | |
| 数码管驱动 | 计数器计数值 or 寄存器中存储的值 | 需另加数据选择器 |
有了数据流向的认识后，进行部件连线就不会无从下手了。
将部件连接起来后，最后接上各个控制接口即可。
五、控制单元建立★★★
控制单元，用于对“系统输入控制”、“系统内部控制”和“系统输出控制”进行封装。清楚了电路的数据流向后，便可以建立控制单元来控制各个部件在“什么条件下”进行传递了。
这里便用到了数电中“时序电路设计”的知识，时序电路中的组合逻辑部分，可拆分为“状态转换电路”和“输出转换电路”两部分。
在数字电路中，数据传递便是“0”和“1”的传递。与C语言编程不同，C语言可以定义不同变量并对它们赋值，然后后续对这些变量进行操作，而对应在数字电路设计中，我们便需要把这些一个个变量（电路状态）和控制信号，转换成二进制编码，然后利用“组合逻辑”来对这些编码进行操作、转化。
1.状态机
对该系统允许的状态进行编码，如下表
| 状态 | 编码 |
|---|---|
| 复位状态（清零+更新存储） | 000 |
| 计数状态 | 001 |
| 停止状态 | 010 |
| 存储状态（更新寄存器存储并显示） | 011 |
| 停止状态（不更新寄存器存储，直接显示旧的存储值） | 100 |
| 清零状态（为了实现“按计数键重新从0计数”功能而引人的中间态） | 101 |
有了状态编码后，就到画状态图FSM了，想想状态在不同情况下会发生怎样的改变？
状态图FSM中 ↓ 第一幅图有误，按start键后 为000–>001而非000–>110
2.状态转换逻辑电路
以上分别对应000到100五种状态随按键输入的变化，依照这个FSM，就可以写真值表，得到逻辑表达式，构建“状态转换电路”来实现状态的转换了。
下图为状态转换逻辑电路的局部
3.输出函数逻辑电路
如果说“状态转换电路”将“按键输入”与“系统状态”联系在一起的话，那么“输出函数电路”就是从“系统状态”到“内/外部控制输出”的过程（Moore型电路）。因此，我们需要找出“系统各个状态”与“内/外部控制输出”的关系，从而实现各部件的控制。
如下表
| 状态 | 编码 | 控制信号产生 |
|---|---|---|
| 复位状态（清零+更新存储） | 000 | 计数器复位（TM-Reset=1，SD-SEL=0） |
| 计数状态 | 001 | 计数器使能（…） |
| 停止状态 | 010 | 计数器失能（…）、打开数据选择器 |
| 存储状态（更新寄存器存储并显示） | 011 | … |
| 停止状态（不更新寄存器存储，直接显示旧的存储值） | 100 | … |
偷懒了hh，表格没有写全，关键核心在于清楚不同状态下，控制器要控制什么，从而产生对应的控制信号（0或1），填写真值表得到逻辑表达式，然后自动生成对应电路，如下图。
六、作品展示
七、其它
1. Moore型和Mealey型电路对比
相信大家都知道Moore型和Mealey型电路的定义，前者的输出仅与现态有关，而后者的输出与现态、输入都有关系，但是真正在设计数字系统时，它们的区别又是什么呢？
笔者认为Moore型电路相对来说，抗干扰性更高，因为在一个时钟周期内的任意时刻都可能发生变化，而Moore型电路则能很好地避免输入噪声对输出的影响。
同时，在进行设计时，Moore型电路的设计思路相对清晰，能分别进行“状态转换”和“输出函数”的逻辑电路设计。
2.寄存器的功能
一直知道寄存器有存储的功能，却不知道为什么在时序电路中需要用寄存器来作存储（大雾），现在终于明白了，有了时钟节拍，结合寄存器暂存数据，就能使数据在时钟的驱动下，逐步向前流动。另外，用作反馈时就能使次态重新作为下一刻的现态输入到组合逻辑中啦！