北航计算机组成原理课程设计-2020秋 PreProject-Logisim-Logisim组合逻辑电路
北航计算机学院-计算机组成原理课程设计-2020秋
PreProject-Logisim-Logisim组合逻辑电路
本系列所有博客，知识讲解、习题以及答案均由北航计算机学院计算机组成原理课程组创作，解析部分由笔者创作，如有侵权联系删除。
从本节开始，课程组给出的教程中增添了很多视频讲解。为了避免侵权，本系列博客将不会搬运课程组的视频讲解，而对于文字讲解也会相应地加以调整，重点在于根据笔者自己的理解给出习题的解析。因此带来的讲解不到位敬请见谅。
子电路
子电路使用流程：
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创建子电路——通过Project栏目下Add Circuit；
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添加子电路内容——子电路布线
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设置子电路外观
注：更改外观时，可对端口增加文字说明，提高可读性
- 引用子电路——使用3中设置的外观进行连接电路，封装子电路，使电路更加模块化，从而提升电路的可读性和可维护性。
Wire Bundles
下图表示不同的接线颜色所表示的含义：
对于一个完整且正确的电路，是以深绿色，浅绿色，黑色接线构成，绿色接线可以通过深浅直接判断出取值，而黑色接线，并不能直接反映出取值，这里建议大家使用Wiring库中的Probe元器件，可以对多位数据实时显示监控。
特别的，在构建大型的电路时，大量接线交叉将直接影响观察，在Wiring库中存在着可简化布线的原件Tunnel，请大家自行查阅Library Reference 参考文档并学习。
组合电路初步练习
Splitter
在使用Logisim的相关接线部件时，Splitter显得尤为重要，观察下图，填上正确的输出
答案：10
本题考查Splitter的使用，重点是观察好Splitter对应的位号即可。首先上面的AND元件左侧连接了Splitter的第0位和第2位，那么输入第0位是1，第2位是0，二者&运算结果是0，这一结果经过右边的Splitter传到输出的第0位，那么输出第0位即为0；同理观察下面的XNOR元件，连接左侧Splitter的第4位0和第6位0，XNOR计算规则为，输入相异则为0，输入相同则为1，因此输出1，而XNOR的右侧连接到右侧Splitter的第1位，那么输出第1位即为1，合在一起输出为10.
多路选择器、译码器和多路分配器
多路选择器
在组合电路中，多路选择器（Multiplexer，简称MUX）是非常重要的一类部件，他们在组合电路中扮演着非常重要的角色。下图是一个典型的Logisim中的多路选择器，左侧是多个输入，右侧是相应的输出，通过底部（黑色）的选择信号，对输入的信号进行选择后输出。另外一个端口是部件的使能端，当其为高电平（为1）时，整个部件使能工作。
MUX最为重要的功能就是从多个输入信号中选择一个作为输出，在我们未来的CPU设计中，我们需要设置很多的MUX来使得CPU中的数据通路能够处理复杂的指令集。
在具体使用中，当选中MUX时，需要关注左下角的Selection：Multiplexer界面，其中可以对数据位宽，选择位宽，是否有使能端等都可以进行相关设置，可以在实际搭建中灵活使用。
多路分配器
多路分配器和多路选择器功能恰好相反，即能够将1个输入数据，根据需要传送到多个输出端的任何一个输出端。
其有与多路选择器十分类似的Selection界面，这些可以在实际使用中进行设置。
译码器
译码器和多路选择器类似，同样是组合电路中非常重要的部件，如下图，右侧是多个输出，底部是黑色的选择信号与使能端。译码器最大的功能在于将二进制编码转换为相应的独热码（one-hot），如101的3位二进制编码作为输入就会被转换成00100000的8位独热码作为输出。因而该元件得名译码器。
同样，在具体使用中选中时，同样有相应的Selection界面，其中对选择位宽，使能相关均可以设置。
我们可以发现，译码器与多路选择器不同之处有两点：
-
除选择信号外，多路选择器是多输入，单输出，输出取决于输入与选择信号，译码器则是无输入，多输出，输出模式仅取决于选择信号。
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译码器输出位宽每个信号仅一位，多路选择器可以有多位。
因此在之后的组合电路设计中，我们需要仔细思考，在合适的地方使用合适的部件。
相关属性的详细介绍请参考Logisim > 应用与挑战 > logisim 属性栏相关含义介绍
应用中的多路选择器、译码器和多路分配器
答题电路
如下图所示，这是一个电视节目中使用的选择题问答电路，主持人出题后，选手通过输入一个2位二进制数来进行答题。选手输入的二进制数与答题选项对应关系见图内"Options"所示。
电路下半部分用来给观众显示选手的选项。上半部分表示选手选择的答案是否正确，LED亮表示正确，灭则错误，图中情况表示正确答案为B。电路中隐去了一些细节，请选择相应类型的部件填至图示空缺位置，使其能够按前文所述工作。
提示：可以打开Logisim查看相关部件功能
1处应该填入的元件为
答案：B. MUX
2处应该填入的元件为
答案：A. Decd
本题要理解这个答题电路的工作逻辑。正如题干描述，上方的电路是为了判定选手答案是否正确，首先要辨别上方电路的右侧是输入，左侧是输出，下方是选择信号；右侧的四个输入是比赛中的出题人提前设置好的，上图显示的是B位置为1，其他位置为0，其含义就是B是正确答案，那么下面的选择信号将会选择这四个位置的一个信号作为输出，如果选择信号选到了B位置，那么输出也为1，表现为LED灯亮，题目答对，如果选择了其他位置的信号，由于其他位置都是0，那么输出也为0，LED灯不亮，回答错误，因此很明显1位置应该填入多路选择器，选择B. MUX。
对于下方的电路，就更容易了，我们发现2位置只有下方的选择信号输入，而输出都是四个1位信号，很明显只能选择译码器。而其中的逻辑如何？题目描述了下方的电路用来显示选手的答案，那么显然将选手的2位选择信号译为独热码输出即可，右侧的四个输出只会有一个信号为1，这就是选手选择的选项，而其他信号均为0，2处填入A. Decd
战争游戏
如下图所示，这是一个战争发展类游戏，一个玩家在获得资源后，需要选择升级ABCD四件装备中的一件，而为了获得资源，又需要派出PQRS四名将军中的一名。玩家的选择通过一个四位二进制数表示(如下图)，现隐去了一些细节，需要你来补充完整，使得其能攻城掠地。
提示：可以打开Logisim查看相关部件功能
1处应该填入的元件为
答案：C. DMX
2处应该填入的元件为
答案：B. MUX
本题仅从输入输出关系就可以判定得到答案：1位置处有1个输入信号，有2位选择信号和4个输出信号，显然应该是多路分配器DMX；而2位置处有1个输出信号，有2位选择信号和4个输入信号，显然应该是多路选择器MUX。
根据题目给出的逻辑，在1处玩家实现的是用资源选择一个装备来升级，那么选择信号用来选择一路位置让资源信号输出，而资源信号为1时对应位置的装备输出才会为1；在2处实现的是选择一位将军出征，那么2位选择信号所选的是左侧四个将军输入信号，所选位置输出到右侧，当所选的将军信号为1时右侧出征信号才会为1.
牢记这些Plexers的特点：多路选择器的选择信号选左侧多个输入的一个作为输出，多路分配器的选择信号选右侧多个输出路径的其中一路，将左侧唯一的输入信号输出到该路。
逻辑移位器
下图电路是一个16位左移逻辑移位器，左侧输入端口输入被移位的数字，下方输入端口输入要移动的位数，右侧输出端口输出移位后的数字。请选择放入图中方框中的元件，使其能够按前文所述工作
答案：C. DMX
仍旧通过输入输出特点，我们可以发现图中的方框每一个都是1路输入信号，1位选择信号和2路输出信号，因此选择多路分配器DMX。
观察整个左移逻辑移位器，我们可以分析出其逻辑：从最左边开始观察，最左侧的多路分配器，其选择信号是要移位数4位输入的第0位，其含义是“是否要左移1位”，这个多路分配器的两路输出，上面一路原封不动地传出去，下面一路经过了一对耦合的Splitter，而右侧Splitter的最上端是常数0，这对耦合的Splitter作用即为左移1位，移位后最末位应当是0。如果输入的移位数第0位是0，表明不需要移动1位，那么待移位数据从多路分配器上方的路径输出，下方的路径输出全0，两路数据作或运算后最终输出的是不变的待移位数据到下一级；如果输入的移位数第0位是1，表明需要移动1位，那么待移位数据从多路分配器下方的路径输出经过耦合的Splitter完成了移动1位，上方的路径输出全0，两路数据作或运算后最终输出的是待移位数据左移一位，传入下一级。
后面的每一级和第一级逻辑相似，选择信号对应的位数表明“是否需要左移若干位”，然后经过耦合的Splitter进行移位或者直接输出，每一级只负责移动1, 2, 4, 8位，只需要四级就可以完成移动0-15范围内的任意位数。该设计仅用常数时间就可以完成左移若干位，而且使用了最少的元件，设计极为巧妙。
利用Logisim进行组合逻辑分析
Logisim的组合逻辑功能
Logisim中具有逻辑分析的功能，可以实现组合电路，真值表，布尔表达式三者间的两两转换，熟练使用组合逻辑分析功能，能在电路分析，以及根据布尔表达式或真值表迅速生成相应的组合电路，提供巨大的便利。
打开组合逻辑分析模块的方式：
- Window栏目下的Combinational Analysis
- Project栏目下的Analyze Circuit
组合逻辑分析模块，可根据逻辑表达式得到相应的真值表。我们也可以通过输入真值表，再产生相应的表达式，或者产生相应的电路。其中真值表的选值有：0，1，x。
并且在生成电路时，我们也可以勾选下列生成电路的附加约束：
- Use Two-Input Gates Only 只使用二输入门电路
- Use NAND Gates Only 只使用与非门
如上两图，即是要求只使用二输入门电路，只使用与非门所形成的或操作。
可以观察到，两者形成的电路是不一样的，但是在从我们使用逻辑分析模块生成电路的目的来看，我们只使用该电路的输入输出端口，而不需要考虑中间的过程。
思考题：现实生活中的实际电路都是用与非门实现的，为什么这么做？
作者：well xiong
链接：https://www.zhihu.com/question/38788129/answer/78415573
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。谢邀，从理论上来说，这是一个非常合理的做法，并不过时。
理由1：与门的基础性，单纯用与非门可以实现任意逻辑表达式，而用与门就不行，没有取反因子。
理由2：与非门的经济性，在集成电路中，与非门和或非门是仅次于非门的第二简单的门，现在的数字电路基本都是用cmos实现，就是用互补的pmos和nmos实现组合逻辑门。非门（inv）是1个pmos+1个nmos，2输入与非门（nand2）和2输入或非门（nor2）都是2个pmos+2个nmos，而2输入与门（and2）和2输入或门（or2）则是在nand2和nor2后面再接inv得到，需要3个pmos和3个nmos，从资源的角度来说，and和or反而不如nand和nor。
理由3：与非门比或非门性能好，cmos工艺中pmos的导通能力比nmos差，对比nand2和nor2的结构，可以发现nand2中pmos是并联，nmos是串联，所以性能差的单个pmos输出“1”的能力恰好匹敌2个串联nmos输出“0的”能力，而nor2则反过来，pmos串联，nmos并联，对于导通能力差的pmos来说是雪上加霜，通常需要大幅度增加nor2中的pmos的宽度才能和nmos匹敌，但是mos管尺寸的增加会占用更多的面积且造成更大的寄生电容。总之与非门，不管是几输入，都比和其对称的或非门要更优秀。
从以上几点可以看到，nand确实是有资格作为表达式的终极化简因子的，在手工设计电路时，如果可以的话，工程师是倾向于用与非门的，但并不是说对于一个确定的组合逻辑，全部使用与非门来凑就是最优，比如说一个nor2无论如何也比用一个nand2加3个inv要好。
实际工程中，大规模数字逻辑的最佳电路实现是交给软件来做的，这个过程被称为综合（synthesis）。发布于 2015-12-25
数字电路基础课程教学中，为什么总是要把逻辑式化简为与非-与非式，并在实际电路中用与非门实现？ - well xiong的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/38788129/answer/78415573
分析复杂电路
等价电路
给出逻辑表达式 Y=B C + A ~C，请选出下面与该表达式含义相同的组合电路
| A |  |
|---|---|
| B |  |
| C |  |
| D |  |
答案：A、B、C、D
首先明确待实现表达式：Y = (B & C) | (A & ~C)，将各选项的电路书写为表达式，进行化简后与原表达式对比即可知是否等价
A项，电路就是明确的 Y = (B & C) | (A & ~C)，是原表达式的直接实现。
B项，Y = (A & ~B & ~C) | (A & B & ~C) | (~A & B & C) | (A & B & C)，可以发现将前两个或项合并，后两个或项合并，(A & ~B & ~C) | (A & B & ~C) = (A & ~C)；(~A & B & C) | (A & B & C) = (B & C)，就有 Y = (A & ~C) | (B & C)，与原表达式等价。事实上，B项所绘制的电路是由原表达式真值表直接写出的表达式。
C项，Y = ~(~A | B | C) | ~(~A | ~B | C) | (~A & B & C) | (A & B & C)，可以发现C项和B项是非常相似的，整体结构是一样的，只是将B项的前两个或项中，与运算变成了或非运算，并将参与运算的三个信号取反，这一改变是等价的（德摩根律），即~(~A | B | C) = (A & ~B & ~C)；~(~A | ~B | C) = (A & B & ~C)，因此C项的电路与B项等价，也与原表达式等价。
D项，Y = (A | C) & (B | ~C)，由分配律知道 Y = ((A | C) & B) | ((A | C) & ~C) = (A & B | B & C) | (A & ~C | C & ~C) = A & B | B & C | A & ~C = B & C | A & ~C，同样与原表达式等价。
实际上本题的所有电路都是可以由Logisim自动生成的，Logisim内置了自动的逻辑运算，可以实现电路-真值表-逻辑表达式的两两转换，将原表达式输入到Logisim的分析栏中可以找到以上的电路。
电路功能分析
请分析下图所示电路的逻辑功能
A. SWAP
B. 全加器
C. 全减器
答案：A. SWAP
刚刚完成上一小节的任务我们就可以发现这一电路非常熟悉，就是我们刚刚完成的SWAP交换电路——分析真值表就可以知道，当C为0时，O1输出A，O2输出B，而当C为1时，O1输出B，O2输出A，将AB输入交换。
排序电路
在前面的学习过程中，我们搭建了一个1位的swap电路。现在需要我们使用之前的1位swap电路来搭建一个4位4输入的排序电路。
先使用1位的swap搭建4位的swap，再使用4位的swap模块和Logisim内置的comparator元件搭建排序电路(请不要使用Plexers类元件)
- 功能描述:该电路具有4个4位的二进制数字作为输入和4个4位的二进制数字作为输出。它的功能是，将4个输入的二进制数字进行排序，从上往下数第一个输出端口输出的是4个数字中最小的，第二个输出端口输出的是第二小的，以此类推。
- 输入： A,B,C,D(4bit)
- 输出： #1,#2,#3,#4(4bit)(#1对应第一个输出端口，以此类推)
- 文件内 1 位swap模块名: 1bit_swap
- 文件内 4 位swap模块名: 4bit_swap
- 文件内 排序电路模块名: 4bit_sort
- Hint：所有的二进制数字均看做是无符号的
答案：（不唯一，仅供参考）如下图
工程一共含有四个电路，其中顶层电路为4bit_sort，其余为子电路，如下：
最底层的子电路是1bit_swap，实现两个一位信号的交换，有使能端口（上一节的swap电路），如下：
向上一层，按照题目所述要求，利用1bit_swap构建了4bit_swap，实现带有使能端的4位输入数据交换。在下面的设计中，使用了Tunnel来简化连线，其中的逻辑很简单，利用四个1bit_swap分别交换输入的四位即可：
再向上一层，原本要进入排序的逻辑，但我们发现再排序中，我们会频繁使用到的操作是“比较两个数，如果前者大于后者则将两者交换”，这会用到计算逻辑Comparator和我们刚刚设计的4bit_swap，他们的组合频繁出现的话，考虑讲二者封装称为新的一层子电路，命名为if_larger_then_swap，两个输入如果前者大于后者，则换位输出，否则原位输出，如下：
最后的顶层就是我们需要的排序电路了。由于只有四个输入，各种排序算法所需的元件数量相差不大，这里就采用了最简单的逻辑冒泡排序（bubble-sort），每一轮将前一元素与后一元素对比，前者大则交换，这样会使最大元素沉到底部，如此往复进行三轮即可排好顺序，而每一轮都可以不用判定最底部的元素，因此一共只需要6个if_larger_than_swap逻辑，如下图：
（请注意：由于笔者没有权限，上面的电路结构并未经过课程组给出的官方测试，其正确性无法保证，仅供参考。）