一、实验目的

二、实验设备

三、实验原理

四、实验内容

1. 16位非门

2.16位与门

3.16位或门

4. 16位复用器

五、实验习题

1.还可以怎样设计各种芯片的物理结构

2.“block copy”（块复制）和edit菜单中“copy to clipboard”的区别

六、自主设计--4选1多路选择器

1.实验原理

2.实验元件选择及电路图设计、搭建

3.仿真运行

七、实验心得

八、实验总结

一、实验目的

掌握构建多位非门、与门、或门和复用器的方法；
理解微机的基本组成和工作原理。

二、实验设备

安装有proteus 7.10的PC 微机一台

三、实验原理

（1）多位逻辑门的结构

本节实验内容都是针对16位输入和输出，包括非门、与门、或门和多路复用器的设计，在设计芯片时，可以使用前面已经设计好的芯片。

对于多位逻辑门，由于输出与输入所表示的二进制数的位数相同，因此可以使用与位数一样多的1位逻辑门，并使每一个逻辑门对应二进制数的每一位，例如16位非门Not16的结构如图 113所示，输入与输出的数据宽度均为16，因此可以用16个1位非门Not，并使每个非门对应二进制数的每一位

四、实验内容

1. 16位非门

（1）实验元件选择及电路图设计、搭建：

元件选择：NOT、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)

在元件选择完成并搭建好电路后，仿真电路如下所示：

（2）仿真运行

I 测试输入数据：1001100110011001 预期输出结果：0110011001100110

II 测试输入数据：0001000100011001 预期输出结果：1110111011100110

III 测试输入数据：1111111111111000 预期输出结果：0000000000000111

（3）仿真结果分析：通过三组数据测试发现，仿真电路输出结果均于预期结果一致，即该器件实现了16位非门的功能。具体是通过对每一位数据进行非运算，然后将结果串行得到最后的输出。

2.16位与门

（1）实验元件选择及电路图设计、搭建：

元件选择：AND_2、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)

在元件选择完成并搭建好电路后，仿真电路如下所示：

（2）仿真运行

I 测试数据 A15～A0：1001100110011001 B15～B0:0110011001100110

预期结果：0000000000000000

II 测试数据 A15～A0:1110111011101110 B15～B0:1111111111111111

预期结果：1110111011101110

（3）仿真结果分析：以上两组测试数据，仿真结果均与预期输出一致，该器件实现了16位与门的功能，具体通过对每一位的两个输入进行与运算，得到每一位的输出结果。

3.16位或门

（1）实验元件选择及电路图设计、搭建：

元件选择：AND_2、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)

在元件选择完成并搭建好电路后，仿真电路如下所示：

（2）仿真运行

I 测试数据 C15～C0：1100110011001100 B15～B0:0011001100110011

预期结果：111111111111111

II 测试数据 C15～C0：1010101010101010 B15～B0:1100110011001100

预期结果：1110111011101110

（3）仿真结果分析：测试的两组数据得到的输出结果均与仿真结果保持一致，可推知该电路实现了16位或门的功能，具体通过对每一位数据进行或运算得到最后的输出结果。

4. 16位复用器

（1）实验元件选择及电路图设计、搭建：

元件选择：AND_2、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)、OR_2、NOT

在元件选择完成并搭建好电路后，仿真电路如下所示：

(2）仿真运行

I测试数据 A0～A15:1001100110011001 B0～B15:0110011001100110

SEL：0

预期结果：1001100110011001

SEL：1

预期结果：0110011001100110

II测试数据 A0～A15:1110111011101110 B0～B15：0111011101110111

SEL：0

预期结果：1110111011101110

SEL：1

预期结果：0111011101110111

（3）仿真结果分析：通过两组数据的验证，在SEL信号分别为0和1的情况下，所得的结果均与预期结果一致，该电路实现了16位复用器的功能。具体是通过对两组输入信号的每个位数据进行复用器的运算，得到的结果串行得到16位复用器的输出结果。

五、实验习题

1.还可以怎样设计各种芯片的物理结构

TTL (Transistor-Transistor Logic) 结构

TTL是一种广泛使用的数字电路技术，使用具有高速开关特性和多功能的双极性晶体管（BJT）进行构建。它使用NPN的晶体管作为开关，PNP的晶体管作为输入保护器和输出驱动器。多个逻辑门可以在一个芯片上实现，并且它们可以互相连接以构成更复杂的电路。

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)结构

CMOS是另一种广泛使用的数字电路技术，由N型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS）和P型金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOS）构成。CMOS技术非常节能，因为只有在信号变化时才会消耗电能。多个逻辑门可以在一个芯片上实现，并且它们可以互相连接以构成更复杂的电路。

FPGA (Field Programmable Gate Array) 结构

FPGA是一种可编程的数字电路，它基于CMOS技术构建，由大量的逻辑块、输入/输出块和连接器组成。FPGA可以在使用时进行编程，从而实现预期的功能。因此，它非常适合用于开发复杂的数字电路。

ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) 结构

ASIC是一种专用集成电路，通常用于具有特殊要求的应用，例如高速图像处理、运算加速器、音频处理甚至是密码学应用等任务。ASIC不仅可以包含多个逻辑门，还可以包括内存、计时器、DMA控制器等其他功能模块。

总之，多位逻辑门构建可以通过以上几种芯片的物理结构来实现，每种芯片都有其自身的优缺点和应用范围，需要根据具体的需求进行选择。

2.“block copy”（块复制）和edit菜单中“copy to clipboard”的区别

在Proteus中，「block copy」和「copy to clipboard」两者都可以用来复制选定的电路图块，但是它们之间存在一些区别。

区别：

I：「block copy」是 Proteus 提供的一个编辑功能，它可以将选定的电路图块复制到同一个电路图或其他电路图。使用「block copy」后，会将电路图块从当前电路图中完全复制到目标区域或其他电路图，包括元件、线缆等。被复制的电路图块的所有元件名称、引脚及其功能都不会改变，但是被复制的元件之间的连线关系还需要进行适当的调整。

II：而「copy to clipboard」则是操作系统提供的复制命令，与Proteus的编辑命令略有不同。通过「copy to clipboard」可以将电路图块复制到系统的剪贴板中，然后可以在其他应用程序中（如文本编辑器或画图软件）进行粘贴。在Proteus中，使用「copy to clipboard」复制电路图块与使用「block copy」方式类似，但是「copy to clipboard」方式没有区分所选元件是一个完整的块，仅复制了所选元件以及与之相连的线缆，并没有直接复制元件之间的连接信息。

因此，总的来说，「block copy」和「copy to clipboard」都是将所选元件进行复制，但「copy to clipboard」方式更为灵活，可在Proteus应用程序以外的其他程序中粘贴使用；而「block copy」则更适合在Proteus内部对同一电路图或其他电路图中的元件及其闸两之间进行复制和分配。

六、自主设计--4选1多路选择器

1.实验原理

4选1多路选择器的主要组成部分是两个部分：数据输入端和控制输入端。其输入端有四个数据输入端（W0～W3），两个控制输入端（S0-S1），输出端只有一个（OUT_F）。当 S0 和 S1 的输入信号状态不同时，我们可以得到不同的控制序列，其对应的输出信号是 W0-W3 中的其中一个。例如，当输入信号为 S0=0，S1=0 时，输出信号的值等于数据输入端 D0 的值；当输入信号为 S0=0，S1=1 时，输出信号 OUT_F的值等于数据输入端 W1 的值；以此类推。

在实验中，需要使用开关或跳线将 S0 和 S1 的输入信号状态设置为所需的控制序列，同时将 W0-W3 中的一个输入信号设置为高电平，其他的输入信号设置为低电平。然后通过观察 OUT_F 输出端的状态，可以验证该多路选择器是否按照预期操作。

总之，4选1多路选择器是一种简单而实用的数字电路元件，它可以根据控制序列将其中一个数据输入信号输出，并且可以应用于许多数字电路设计中。

2.实验元件选择及电路图设计、搭建

元件选择：AND_3、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)、OR_4、NOT

在元件选择完成并搭建好电路后，仿真电路如下所示：

3.仿真运行

I 控制输入端S1S0=00 数据输入端W3W2W1W0=1110(任意）

预期结果：0（输出W0）

II 控制输入端S1S0=01 数据输入端W3W2W1W0=0010(任意）

预期结果：1（输出W1）

III 控制输入端S1S0=10 数据输入端W3W2W1W0=1011(任意）

预期结果：0（输出W2）

IV 控制输入端S1S0=11 数据输入端W3W2W1W0=0111(任意）

预期结果：0（输出W3）

以上四种控制输入端的输入情况，输出结果均与预期结果一致。

实验结论：上述设计的电路实现了4选1多路选择器的功能，其可以在多个输入信号中选择其中一个信号输出，并且其选择取决于设置在控制输入端的二进制数字组合。该元件非常适合用于数字电路设计中，特别是在需要多路选择的情况下。

七、实验心得

由于有实验一的基础，在此次实验的过程中，我对protues软件实验器件的使用和构建电路的过程更加熟练了，能够很快的完成所需的电路的设计与搭建。
由于本次实验涉及的都是16位的器件，在做本次实验时，很多的时间花在了电路的连接上面，同时还要对器件进行一定的命名和标记，十分考验耐心和细心。
经过本次对16位与或非门、复用器的设计，我对此方面的知识理解得到了强化，实验的具体思路都是通过对其中输入信号的每一位进行运算，然后将其串行并入，得到最后的输出结果。
在自主设计模块中，我选择了数电中经常出现的多路选择器，同时仅使用与或非门进行设计，通过设计控制输入端和数据输入端完成信号输入，输出的结果由二进制的控制信号决定。当输出端得到预期结果后，还是很兴奋的，感受到了实验的有趣。