【Logisim】运动码表设计

Logisim实现运动码表设计

实验目的

了解数字系统的设计流程，学会从需求分析、到设计功能部件、构建数据通路、构建控制单元、最后系统联调的设计方法，设计一个简单的小型数字系统。需要实现的码表的功能如下：
1.启动：开始计时；
2.暂停：停止计时，显示当前计时数据；
3.存储：若当前计时数据小于系统记录，则更新系统记录，将当前计时数据存储为系统记录（系统记录初始化为99.99），并显示系统记录；若当前计时数据大于系统记录，则直接显示系统记录。
4.复位：码表归零，系统记录初始化。

实验步骤

1.确定系统输入输出，列出系统的外部控制输入信号，系统的输出信号；

2.设计码表的功能部件：

3.构建功能部件输入来源表：

4.根据功能需求画出系统状态转移图；

5.设计码表控制器，定义内部、外部控制信号、内部状态信号、状态输出信号。填写状态转换表、输出函数真值表（Excel表），生成状态转换逻辑表达式、输出函数逻辑表达式，构建码表控制器。
6.码表系统联调。

实验原理

1.通过Analysis circuit建立一个四输入七输出的电路，填写真值表的值，自动生成如下图所示电路。该电路把二进制数转化成7段数码管的每一段，即可用于控制7段数码管显示0-9的每个数字。


2.利用四个D触发器，构造4位并行加载寄存器。再用四个4位并行加载寄存器构造16位并行加载寄存器。


3.在excel中填写真值表，利用自动生成的逻辑表达式，使用Analysis circuit自动生成如图所示的BCD计数器状态转换、BCD计数器输出函数两个电路。


将这两个电路封装，再利用四个D触发器，构造4位BCD计数器。

4.利用四个4位BCD计数器，构建码表计数器。其中，时钟信号控制最低位的BCD计数器，该计数器的Cout再作为时钟控制高一位的BCD计数器；最高位也就是第四个BCD计数器的Cout不用接线。

5.通过分线器将输入的Din分为16个数，每4位数用一个数码管驱动分出7条控制7段数码管的线。再用一个分线器和电源、接地元件，把一共32个数值合成一个32位数DispInfo。注意这里每条线在分线器中对应的接口，如下图所示，并不是按顺序一一对应的。

6.对运动码表的各组件进行连接。如图所示。除了码表显示DP、16位寄存器SD和计时器TM以外，还使用了2个二路选择器和一个16位无符号比较器。

7.参照之前画出的系统状态转移图，在excel中填写状态转换和输出函数的真值表，利用自动生成的逻辑表达式，使用Analysis circuit自动生成如图所示的码表控制器状态转换、码表控制器输出函数两个电路。


将这两个电路封装，再利用三个D触发器，构造码表控制器电路。

以上即为所有步骤。

实验器材

装有Logisim软件的电脑一台。

实验过程与结果

1、实验设计的思想、方法：
②因为D触发器可以保存输入的前一个数据，所以使用D触发器比较原来存储的数据与时钟变化时所输入的新数据。D触发器只能接受1位数据，所以在4位并行加载寄存器电路中，要使用分线器把输入Din的4位数据分成4个1位数据，再使用分线器把输出的4个1位数据合成4位输出Q；16位并行加载寄存器电路中则是16位数据与4位数据之间的转换。因为是同时发生的，所以使用同一个时钟来控制。
③在excel中填写真值表的值，自动生成逻辑表达式，将逻辑表达式填写到Analysis circuit的expressions中并简化，即可得到BCD计数器状态转换、BCD计数器输出函数两个电路。简化后的表达式如下：




该电路除时钟外无外部输入值。状态转换和输出函数两个封装组件的输入值均是D触发器的输出值，状态转换的输出值再作为D触发器的输入值。初始时D触发器输出值为0，也即初始输入为0。
④时钟信号控制最低位的BCD计数器，该计数器的Cout再作为时钟控制高一位的BCD计数器；最高位也就是第四个BCD计数器的Cout不用接线。从而可以在低位BCD计数器的值达到最大值9时，下一个BCD计数器加1表示进位，原BCD计数器再从0开始计时。因为每个BCD计数器只能控制4位数据，所以要将最终结果用一个分线器合成一个16位数据来表示时钟值。
⑤参考后面控制运动码表中7段数码管的连线，可以确定每个接口应该对应哪条线。只有00.00中间位的小数点是亮的，所以该处接一个电源，其余三个接口直接接地。一共有7×4+4=32位，合成输出值DispInfo。
⑥初始状态时要保证16位寄存器SD中储存的数据无穷大，即设为9999。第一次Store的时候比较9999与计时器TM中值的大小，此时用SD-SEL来决定，把小的那个值传入寄存器SD中。以后每次Store都要比较寄存器SD中的值与当前计时器TM中值的大小，通过16位无符号比较器来完成，取小的那一个存入寄存器SD中，并输入码表显示DP，从而显示在码表上同时修改NewRecord的值，此时用DP-SEL来决定。
⑦参照之前画出的系统状态转移图，在excel中填写状态转换和输出函数的真值表。状态转换真值表如下图所示：


输出函数真值表如下图所示：

利用自动生成的逻辑表达式，使用Analysis circuit简化后自动生成码表控制器状态转换、码表控制器输出函数两个电路。
Excel自动生成的逻辑表达式如下：
状态转换：
N2：
_S2&S1&S0&Store&_Reset&NewRecord+S2&_S1&S0&_Start&Stop&_Store&Reset+S2&_S1&S0&Store&_Reset&NewRecord
N1：
_S2&S1&S0&Stop+_S2&S1&S0&_Start&Stop&_Store&Reset+_S2&S1&S0&Store&_{Reset&NewRecord+}S2&S1&_S0&Stop&Reset+_S2&S1&S0&Start&_Stop&Store&_Reset+S2&S1&S0&Stop&_Reset+S2&S1&S0&Store&_{Reset&NewRecord+}S2&S1&S0&Store&_Reset&NewRecord
N0：
_S2&S1&_S0&Start+S2&_S1&S0&Start+S2&_S1&S0&Start&_Stop&Store&_Reset+S2&S1&_S0&Start&Reset+_S2&S1&S0&Store&_{Reset&NewRecord+}S2&S1&S0&_Start&Stop&_Store&Reset+_{S2&S1&S0&Start&}Reset+_{S2&S1&S0&Stop&}Reset+S2&_S1&S0&Start&_Reset+S2&S1&S0&Store&_{Reset&NewRecord+}S2&S1&S0&Store&_Reset&NewRecord
输出函数：
SDSel：~S2&S1&S0
SDEN：_S2&S1&_S0+S2&S1&S0
DPSEL：_S2&S1&_S0+S2&_S1&S0+S2&S1&_S0+S2&S1&S0
TMEN：_S2&S1&S0+S2&_S1&S0
TMReset：_S2&S1&~S0
系统的外部控制输入信号分别为Start，Stop，Store，Reset，通过按钮连接；其余每个参数代表的含义前面已经有过描述。
在码表控制器电路中，状态转换的5个输入分别是来自于外部的start，stop，store，reset和NewRecord，剩下3个输入为3个D触发器的输出值。而状态转换的3个输出又分别输入3个D触发器。3个D触发器的输出值还同时输入输出函数的引脚，从而产生5个控制元件的值。

2.如何验证你设计的电路正确性？
①经数码管驱动测试电路的测试，7段数码管可以显示0-9的数字，构造成功。


②在4位并行加载寄存器电路中，设置使能端输入为1，输入Din为0110，时钟上升时，输出Q为0110；输入Din为1011，时钟上升时，输出Q为1011。依次验证0000-1111所有值，可以确定电路构建成功。


在16位并行加载寄存器电路中，设置使能端输入为1，随机输入Din值，输出Q的值相等，即可确定电路构建成功。


③设置使能端输入为1，时钟上升时，Q的值加1.多次点击CLK，则Q不断递增。图示为Q输出值为2时。

当Q值为9时，再点击两次CLK完成一个时钟周期，则Cout变为1，Q变为0。再完成一个时钟周期则Cout变为0，Q变为1。设置Rst值为1，即可把整个电路恢复初始状态。可以确定电路构建成功。


④设置使能端输入为1，点击CLK不断完成时钟周期，则Q的值不断上升。当Q值为9时，再点击两次CLK完成一个时钟周期，Q值变为10000。注意这里要看二进制的表示，而不能看十进制的。Q值为9用二进制表示为1001，是由最低位BCD计数器的四位数据表示的；下一步应该进位到下一个BCD计数器，也即下一个BCD计数器的四位数据为0001，最低位BCD计数器的四位数据为0000，合起来即为10000。设置Rst值为1，即可把整个电路恢复初始状态。


在码表测试器自动电路中，设置时钟为Ticks Enabled，任意设置一个频率（如1kHz可以较快观察到每个数码管的显示数据）；也可以通过Ctrl+K分步验证每一个时间值。经观察，该码表测试器可以正确显示00.00-99.99的任意时间数据，并可以不断循环，从99.99再变回00.00。由以上可以确定电路构建成功。

⑤当输入Din发生变化时，输出DispInfo也会随之发生变化。同时也可以观察后面运动码表中的显示的数值，为00.00即为连接正确。


⑥连接好线路后，最好成绩记录显示为9999，其余功能可以等到码表控制器连接完成后一起验证。
⑦完成以上所有操作后，在运动码表电路中，点击Start，运动码表开始计时。

点击Stop，运动码表暂停计时。此时最好成绩记录为9999。

点击Store，运动码表的值存储到寄存器SD中，同时最好成绩记录发生改变。

再点击Start，运动码表再次开始计时。

点击Stop，运动码表暂停计时。

点击Store，此时运动码表显示的值比最好成绩记录大，所以运动码表显示最好成绩记录。

点击Reset，运动码表恢复初始状态。

通过以上验证，可以确定该运动码表电路完成了实验所需的所有要求。
3.实现：
按照以上序号1-7的顺序，分别先设计各部分的电路并封装，最后再在运动码表电路中构成一个整体。充分理解了每一部分的作用之后，就可以按顺序、分层完成整个电路。
最终运动码表电路如下图所示：