Multisim环境下ROM仿真实验教学实践

陈 衡，冯凯平

（四川旅游学院 信息技术系，四川 成都 610100）

在高职高专的计算机基础课教学过程中，关于硬件部分的实验极少，特别是对内存的实验则完全是空白。因此，设计一种关于内存读写数据过程的模拟实验过程显得十分必要。当前，电子设计自动化（EDA）技术在工业领域应用较多，其中比较成熟的EDA软件，如美国NI公司的Multisim 10软件就是电子产品设计领域一个极好的应用工具[1]。其实，Multisim 10良好的动态仿真技术还可以很好地解决课程教学过程中理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。

1 Rom的数据存储与读数据原理

图1 ROM存储原理Fig.1 Principle of ROM storage

图1 为ROM数据存储与读数据原理简化图[2]，仅为一个四位存储器。其中，译码器输出4根地址线A0、A1、A2、A3，属于字线。该存储器每个字为4位，分别存储有二进制数据：

字A0：1011

字A1：1001

字A2：1110

字A3：0011

即，在字线和位线间跨接了二极管的位存储1，未接二极管的位存储0。

当A、B（CPU地址信号）分别发出代码00、01、10、11地址时，分别从D0、D1、D2、D3输出字A0、字A1、字A2、字A3四个单元中的某一个中所存储的数据。

教学实践中，主要讲解的内容有3点：

1）A、B地址关系：A、B是CPU发出的地址信号，如果地址线有n根，输出状态则有2n个，对应着2n个字线。本例有2根地址线，因此字线有22=4根。

2）译码器：译码器的作用是将地址信号转化为字线信号。字线的数量等于2n。在这2n根字线上，任何时候最多只有一根字线状态为高电位，即“有效”，其余的字线全部无效。

3）数据存储单元：在位线和字线间跨接了二极管的交叉点，其逻辑值为1，否则为0。因此，图1 4个单元所存储的数据分别为1011、1001、1110、0011。但是，每个单元里的数据只有当该单元对应的字线为高电平时才能够通过4根位线D0、D1、D2、D3输出。

其教学内容可以延伸至随机存储器RAM，仅需要将图1中的二极管改为可读可写的其他存储器件即可，工作原理与ROM几乎相同。

2 逻辑转换仪

在Multisim 10中，有一个极具特色的但鲜为人知的虚拟仪器Logic Converter，即逻辑转换仪。此仪器是现实工作中没有的[3-4]。它具有以下功能：1）将逻辑电路转换为真值表；2）将真值表转换为逻辑表达式；3）将真值表转换为简化的逻辑表达式；4）将逻辑表达式转化为真值表；5）将表达式转换为逻辑电路；6）将逻辑表达式转换为与非门逻辑电路等。灵活运用此虚拟仪器，可以给数字电路设计者带来极大的方便。

图2 逻辑转换仪图标Fig.2 Ico of logic converter

图3 逻辑转换仪面板Fig.3 Panel of logic converter

图2 为逻辑转换仪图标，有9个端子，左面8个为输入端，最右边一个为输出端。

图3为其面板。A-H对应图2的8个输入端，表示最多可以应用8个变量。但实际操作中，变量的个数视逻辑电路的实际需求而定。

中间的3个白色区域中，最左边的显示输入变量取值组合所对应的十六进制数码；中间的显示输入变量的全部二进制取值；右边显示中间区域各种取值下可能的结果，它需要操作员点击？号取0或1完成。

图3右边有6个按钮，分别是：由逻辑电路转换为真值表、由真值表导出逻辑表达式、由真值表导出简化的逻辑表达式、从逻辑表达式得出真值表、从逻辑表达式得到逻辑电路、由逻辑表达式得到与非门电路。

图4 译码器表达式转换图Fig.4 Transition diagram of decoder expression

由于图1采用的是二四译码器，因此仅需要两个变量A、B即可。由图3可见，A、B具有4种不同的取值。

对于图1中的A0取值，只有当A、B等于00时输出为1，而A、B为01、10、11时输出均为0。为此，操作员需要用鼠标在右边白色区域分别点击4个？让其为1000，然后再点击右边第二个或第三个按钮，此时在图3的下边会出现A’B’（A’表示A的非）字样，表示A非和B非的与。见图4最下方所示。

点击图4右边第五个按钮可以将表达式A’B’转化为图5(a)的逻辑电路图。

同理，在右侧白色区域分别设置成0100、0010、0001时，可分别转换成图5电路中的（b）、(c)、(d)。将图5中4个电路图中的输入变量A、B统一连接，即得到图1中的二四译码器。

图5 二四译码器的4种输入方式Fig.5 Four kinds of input way of two to four decoder

3 ROM中数据位的形成

如图1，在字线和位线上交叉点上接上二极管处，该点的逻辑值为1，否则为0。

二极管的选择如图6，在元件工具栏中选择二极管符号，然后选择1N4001，点击OK选中。

按图1设计的仿真电路如图7。在图7中，将二极管拖至合适的位置即可。

4 连接模拟数据开关

图7中开关J1、J2的设置。

在元件工具栏中选中两个开关J1和J2，当开关向上拨时，J1、J2与Vcc的5 V电源连接，模拟值为1，向下时J1、J2接地，为逻辑0。

图6 选择二极管Fig.6 Selecting diode

5 连接电压表

在Multisim仪表栏中选中8个XMM仪表，分别连接至4根位线和4根字线，如图7所示，用于显示数据输出逻辑值以及字线状态。

6 模拟实验

图7所示的模拟输入状态即A、B值为00，A0字线被选中，A0字线的输出值为1011。此时，双击位线上的4个电压表XMM1-XMM4，其电压值分别显示的是4.388 V、0 V、4.388 V、4.388 V，分别代表1、0、1、1。而4根字线仅有A0线显示5 V，A1、A2、A3三根字线显示的电压值均为0 V，如图8。

同理，如果将J1开关拨至Vcc，则A、B输入值为10，字线A2将被选中，其输出值为1110。不断地转换J1和J2的位置，将选中不同的字线，并输出各自字线上所存储的逻辑值。

图7 ROM实验整体结构Fig.7 Whole structure of ROM experiment

图8 运行结果Fig.8 Result of operation

7 教学实践

从图7可见，二四译码器由两个非门和4个与门组成，每个与门的输出端为字线信号。

J1、J2代表CPU发出的地址信号，经过译码器译码后变成为字线信号，并且在所有的字线信号中仅有唯一被选中的字线为1信号，其余全部字线信号必须为0。

非计算机专业高职高专生对计算机硬件的理解极易产生偏差[5]，因此，教学中应当注意以下几点：

1）需重点讲解J1、J2作为地址信号的作用、二极管存储结构如何输出所存储的逻辑值。至于二极管的工作原理、电阻R1-R4起何种作用、二四译码器的工作原理等无需作详细讲解。

2）正常情况下，每根字线上有8位二进制位，需要8根位线，即一个字节，其工作原理与图7四位位线的存储器工作原理完全相同。至于字线的扩展，如欲将图7扩展到8个数据单元，可将译码器改为三八译码器，此时地址线达到三根，字线则达到8根，存储单元的个数增加了一倍。至于更多字线扩展的原理与其完全相同。

3）当字线电压为5 V时，如果位线上有二极管，则该位线电压为4.388 V，这是由于当二极管正向导通时，其上有大约0.6 V的压降所至。关于此知识原理不作为知识点对高职高专生加以介绍，仅简述二极管可有0.6 V的压降、或1.4 V以上均称为高电平即可。

通过老师的演示，学生对ROM的工作原理已经建立了较为直观的印象，再让学生自己在计算机实验室亲自动手操作，包括电路的设计、元件的布置、仪器的使用、逻辑关系的转换等[6]，最后得到所需要的操作结果。当学生真正掌握了ROM、RAM的工作原理之后，对其他硬件内容的理解就容易得多了。

8 结束语

对于高职高专非计算机专业的新入校学生，作为计算机基础课，什么是二进制？二进制如何应用？计算机与二进制之间的关系是什么？二进制如何存储？CPU如何存取二进制数据等知识，这些知识是十分抽象的，加之这些知识在计算机上很难用实验进行验证，成为教学中的一大瓶颈。理论讲解固然能够将其基本道理传授给学生，但学生只能死记硬背，不能深刻理解其内涵。要使得学生能够学得更扎实，印象更深刻，能很好地掌握二进制的应用方法，并进而理解计算机是如何工作的，需要找到一种灵活的、动态的、形象的教学工具。Multisim 10以其优秀的仿真功能，可以作为计算机基础教学的有力辅助工具。

[1]郭振民,丁红等.电子设计自动化EDA[M].北京.中国水利水电出版社，2009.

[2]Niklaus Wirth.Digital Circuit Design[M].北京.高等教育出版社，2002.

[3]程勇.实例讲解Multisim10电路仿真[M].北京.人民邮电出版社,2010.

[4]程思宁,耿强,姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理.2013,30(7):94-97.CHENG Sining,GENG Qiang,JIANG Wen-bo,et al.Application and practice of virtual simulation technology in experimental teaching of electrical courses[J].Experimental Technology and Management.2003,30(7):94-97.

[5]张文梅,黄晓红,崔楠.仿真技术在电类课程实践教学中的应用[J].广东农工商职业技术学院学报，2013,29(2):42-46.ZHANG Wen-mei,HUANG Xiao-hong,CUI Nan.Application of simulation technology in practicalteaching of elelctric courses[J]. Journal of Guangdong AIB Polytechnic College,2013,29(2):42-46.

[6]王刚,王艳芬,于洪珍.基于Multisim的锁相环应用电路仿真[J].电气电子教学学报,2008,30(3):67-69.WANG Gang,WANG Yan-fen,YU Hong-zhen.The simulation of PLL and its application circuit based multisim[J].Journal of IEEE,2008,30(3):67-69.