TA Members

李超凡 lichf1@shanghaitech.edu.cn
2022/2023 SI100B fall SP TA，学代会委员，21级娄鑫导师组组长，恩施社会实践队长，科道书院团总支书记，篮球俱乐部副社长，Sertraline乐队主唱、吉他手、前贝斯手，IGEM2023top10，金奖获得者，全国大学生电子设计大赛二等奖获得者

朝夕相处的师生朋友对他不吝赞美：
“伟大的性格！” ——助理教授 娄鑫
“天生的领袖！” ——RF实验室 刘锋昱
“彼阳的晚意！” ——吗喽队友 丁麒涵
“初升的东曦！” ——吗喽队友 贺云翔

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贺云翔 heyx1@shanghaitech.edu.cn

• 2008年感动中国年度人物获得者，2006年《时代》周刊年度人物
• 2023 Fall SI100B SP TA
• 2023 SPring CS100 TA
• 2024 SPring 宋词导读 TA
• 2024 Spring 操作系统 TA
• 21级大道书院导师组组长（导师已润）
• IEEE ISCAS 2024 Oral 获得者
• B站大会员，知乎盐选会员，网易云黑金会员

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丁麒涵 dingqh@shanghaitech.edu.cn

上科大篮球社社长，创业社副社长，上科大创新创业大赛二等奖获得者，宝山杯双创大赛三等奖获得者，IGEM2023top10，金奖获得者，负责守护世界上最好的三月七，流萤，卡芙卡，托帕，凯茜娅，符玄，花火，黑天鹅，布洛妮娅。

Checklist: Logisim

• 一个带有GUI界面的程序，请在您的本地环境中运行它
• Java版本应大于16。
• 请使用我们提供的“.jar”文件（版本为“3.8.0”）以避免兼容性问题。
  Windows、Ubuntu和macOS系统都可以运行它。
• Logisim不会在进行过程中保存您的工作。
  记得在开始时保存，并在工作时经常保存。
• Command/Control + S 快捷键允许快速保存。

Logisim安装

点击超链接,点击“下一步”：

不要改默认路径！！！不会占用C盘很大空间，但是默认路径方便后续使用...

Logisim安装

完成安装：

Logisim安装

动画加载完成后，出现这个界面，则说明 Logisim 已经成功配置完毕！

Logisim安装

如果你没有安装好 Java，或者错误的打开了该文件，就可能出现默认使用某些解压工具打开 .jar 文件的情况。

这时候，我们按照如下操作流程，修改默认打开方式：

1. 右键点击 logisim-evolution.jar，点击 属性
2. 点击 更改
   

Logisim安装

如果你没有安装好 Java，或者错误的打开了该文件，就可能出现默认使用某些解压工具打开 .jar 文件的情况。

3. 找到 Java(TM) Platform SE binary。如果在默认的几项里没有，在“其他应用”里可以找到它。

4. 一路“确定”，重新点击 logisim-evolution.jar。

Task1: 创建AND门电路

我们将尝试创建一个 AND 门电路，以帮助我们学习如何使用 Logisim 。请注意程序左下角的缩放和网格功能，这将在我们构建大型电路设计中的时候更好的进行布线。

Task1: 创建AND门电路

1. 首先单击 AND 门按钮。这将使 AND 门的影像跟随光标移动。在主原窗口中单击一下，就可以放置一个 AND 门。

2. 单击 Input Pin 按钮。现在，在 AND 门左侧的某个位置放置两个输入引脚。

3. 单击 Output Pin 按钮。然后在 AND 门的右侧放置一个输出引脚。

此时，您的 Schematic 应该是这样的：

Task1: 创建AND门电路

4. 单击 Select 工具按钮。单击并拖动，将输入引脚连接到 AND 门的左侧。这需要几个步骤，因为您只能绘制垂直和水平导线。只需水平绘制导线，松开鼠标键，然后从导线末端开始单击并拖动，继续垂直绘制。您可以将导线连接到左侧 AND 门上的任意引脚。重复同样的步骤，将 AND 门（右侧）的输出连接到输出引脚。双击这三个引脚，为其命名标签。

   完成这些步骤后，您的 Schematic 应大致如下：

   

Task1: 创建AND门电路

5. 单击 Poke 工具并尝试单击 Schematic 中的输入引脚。观察会发生什么。

Task1: 创建AND门电路

6. 将电路保存为 ex0.circ 。单击 Simulate -> Test Vector... 并从 hw1_release 文件夹中选择 testvector_ex0.txt 文件加载矢量。如果一切顺利，你应该看到所有四个测试向量都通过了。这里展示的是错误连接时的测试结果。

注意：我们不会对这部分进行评分。

Exercise 1.1: Pin

针脚是电路的输出还是输入，取决于它的输出值属性（即 Selection 中的 “Output?” ）。

圆形或圆角矩形表示输出针脚，正方形或矩形表示输入针脚。

输入或输出值都会在组件上显示(打印视图除外)。

Exercise 1.2: Tunnel

标签通道的作用类似于导线，但与导线不同的是，连接不是明确绘制的。当你需要连接电路中相隔很远的点时，用标签通道来替代就很有用。下面的插图说明了它是如何工作的：这三个隧道都有相同的标签 a，这三个隧道相当于连接的点。(如果其中一条隧道被标记为其他东西，比如b，那么它将是另一组隧道的一部分)

其主要参数是 “Label（标签）” ，这是一个特别重要的属性，如果两个标签通道的标签名称一样，那么它们相当于之间有导线连接，是连通的。

Exercise 1.3: Constant

Constant 输出在 Value（值）属性中指定的值。它只有一个引脚，输出对应位宽属性的值。

其属性包括：

• Data Bits（数据位宽）：指定输出数据的位宽，一个 位的常量有 个可能的值（范围为 ）
• Value（值）：指定常量的值，注意 0x 表示的是十六进制

Exercise 1.4: Splitter

分线器可以把一个多位的输入拆分为若干位，也可反过来把若干个若干位的输入合并为一个输出，可设置具体拆分方式。
其参数包括：

• Facing（朝向）：控制元件的朝向
• Fan Out（分流端口数）：设置输出端口的数量
• Bit Width In（输入位宽）：设置输入位宽
• Bit X （第X位）：设置第X位数据在哪个口输出

Exercise 1.5: 构建子电路

正如 Python 程序可以包含函数一样， Schematic 也可以包含子电路。在这部分实验中，我们将创建几一些子电路来演示它们的用途。

重要提示：Logisim Evolution 规定，不能用关键字（如 NAND ）命名子电路，也不能在名称的第一个字符使用数字。

Exercise 1.5: 构建子电路

请按照以下步骤操作

1. 打开练习 1 的 Schematic ( File -> Open -> ex1.circ )。

2. 双击左侧菜单电路选择器中的 NAND1 打开 NAND1 空子电路。（注意末尾的 1 ；因为有一个名为 NAND 的组件，所以我们不能将其称为 NAND ）。

Exercise 1.5: 构建子电路

3. 在新的 Schematic 窗口中，创建一个简单的 NAND 电路，左侧为 2 个输入引脚，右侧为输出引脚。请不要使用 Gates 文件夹中的内置 NAND 门（即只使用选择工具图标旁边提供的 AND 、 OR 和 NOT 门）。您可以使用选择工具选择输入/输出，并更改窗口左下角的属性 Label 来更改输入和输出的标签。

4. 重复上述步骤，再创建几个子电路：

   • NOR
   • XOR
   • 2-to-1 MUX
   • 4-to-1 MUX

Exercise 1.5: 构建子电路

以4-1选择器为例：总计六位输入，分别是四路数据输入A、B、C、D和两位地址选择sel1、sel2。我们可以朴素地感知，这个电路通过地址选择将一路输入接通至输出。

由此可知运行逻辑：
两位地址选择，采用二进制编码，将被译码为四位输出（0001或0010或0100或1000）。通过这四位输出分别和数据输入取逻辑与（AND）并输出，仅有一位数据输入被带出，另外三位输出必为0。最终将取逻辑与之后的四位输出通过四输入或门输出即可。

可推知输出Y=Asel1‘sel2’+Bsel1‘sel2+Csel1sel2’+Dsel1sel2

Exercise 1.5: 构建子电路

1. 注意事项
   • 请不要更改子电路的名称或创建新的子电路
   • 请在分别命名的电路中工作，否则自动跟踪器将无法正常工作。
   • 请勿使用除 AND 、 OR 和 NOT 以外的任何内置门电路。
   • 建立子电路后，您可以（而且我们鼓励您）用它来建立其他电路。您可以像放置其他元件一样，点击并放置您创建的子电路。

Exercise 1.5: 构建子电路

在作业中，我们有一些标注了 Don't Touch 的电路，这部分是固定位置的输入输出，用于进行作业的结果检测。

• 你可以复制它们，但请不要以任何形式移动它们。
• 如果因为移动 IO 部分导致测试不通过，TA 有权利不进行补测事宜。
  • 当然，如果你及时发现了问题，可以选择重新下载模板文件。

Appendix

异或 XOR; 同或 XNOR; 与非 NAND;
或非 NOR; 传输门 TG.

使用LaTeX能够轻松打出异或符号和同或符号：在线LaTeX公式编辑器

XOR“\oplus”

XNOR"\odot"

Exercise 2.1: 半加器

对于一个 1 Bit 的二进制（ 0 or 1 ）来说，它的加法被定义为：

• 0 + 0 = 0
• 1 + 0 = 1
• 0 + 1 = 1
• 1 + 1 = (1)0

其中，在 1+1 中出现的 (1) 被称之为“进位”标志。因此，在硬件上，我们定义半加器有两个输入 a 和 b 和两个输出 sum（表示 1 Bit 加法的结果） 和 cout（表示进位），其公式为：

半加器只能执行 1 Bit 的加法运算，这显然不够“给力”。我们需要进一步分析加法的逻辑，来构建更加有用的加法单元：全加器。

Exercise 2.2：全加器

全加器的核心是考虑了进位（被记为 cin）。对于某一位来说，我们除了考虑两个加数的对应位数 a 和 b，还要考虑是否有前一位传来的进位信息。因此，我们的输入就有三个数：a，b，cin。我们需要构建这三个数到输出 sum 和 cout 的逻辑运算。

运行逻辑
cout： a、b、cin之中至少两个为高电平时，输出高电平。此时我们对输入两两取逻辑与，如果a、b、cin之中至少有两个高电平，那么三个逻辑与的输出也至少有一个为高电平，对逻辑与的三个输出取逻辑或即可。
sum： a、b、cin之中仅有一个或全部为高电平时，输出高电平。将a、b、cin输入一个三输入异或门即可。

Exercise 3: 七段数码管的解码器

七段 LED 数码管是一种常用的显示元件，常应用于手表、计算器等仪器中，用于显示数值。下图是数码管的原理图，数码管分为共阴极和共阳极两种类型，共阴极就是将七个 LED 的阴极连在一起，让其接低电平。这样给任何一个 LED 的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将七个 LED 的阳极连在一起，让其接高电平。这样，给任何一个 LED 的另一端低电平，它就能点亮。这里的 LED 是共阴极 LED。

Exercise 3: 七段数码管的解码器

在4-1选择器中我们已经熟悉了两位二进制输入表示一位四进制的想法，这里我们用分线器将输入拆分为独立的四个二进制输入A、B、C、D。

真值表

在线真值表

真值表SOP (sum of product)

在线真值表

SOP化简（卡诺图）

我们只需将逻辑表达用电路实现即可

y = B'C + CD' + AB' + AD + A'BC'

构建AOI电路