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1 微机原理实验篇
从效率、速度、成本等不同角度考虑，芯片的物理结构虽然可以不同，但在设计芯片时，普遍遵循的原则是：使用尽可能少的门电路实现尽可能多的功能。本章利用proteus软件提供的硬件仿真功能，通过使用简单的门电路构建复杂功能芯片的方式（不考虑芯片中晶体管等具体设计），旨在帮助学生理解芯片的物理实现方式，从而深入理解微机的工作原理。
本章各实验项目之间的依赖关系如下：
一位逻辑门构建
多通道逻辑门构建 简单运算器实现 多位逻辑门构建
算术逻辑单元构建
1.1 仿真实验软件简介
本章实验采用英国Labcenter公司开发的Proteus电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件。该软件包括两个软件：ISIS和ARES，ISIS主要用于原理图设计及电路原理图的交互仿真，ARES主要用于印制电路板的设计，本章实验只使用Proteus软件（版本7.10）的ISIS。ISIS提供的Proteus VSM（Virtual System Modeling）实现了混合式的SPICE电路仿真，可以将虚拟仪器、高级图表应用、CPU仿真和第三方软件开发与调试环境有机结合起来，在搭建硬件模型之前就可以在计算机上完成原理图设计、电路分析及程序代码实时仿真、测试及验证。
1.1.1 仿真操作界面
安装Proteus软件后，会在桌面建立两个图标，分别是ISIS和ARES。双击桌面上的ISIS图标或者单击“开始”→“程序”→“Proteus 7 Professional”→“ISIS 7 Professional”，都可以启动Proteus ISIS。启动后的工作界面如图1-1所示，主要包括：菜单栏、标准工具栏、模式选择工具栏、旋转镜像工具栏、预览窗口、元器件选择按钮、元器件选择窗口、仿真控制按钮、图形编辑窗口等。其中：
? 原理图编辑窗口：用于编辑电路原理图（放置元器件和进行元器件之间的连线）； ? 预览窗口：用于显示显示原理图缩略图或预览选中的元器件； ? 编辑模式工具栏：用于选择原理图编辑窗口的编辑模式；
? 旋转镜像工具栏：用于对原理图编辑窗口中选中的对象进行旋转和镜像等操作； ? 元器件选择按钮：用于在元器件库中选择所需元器件，并将选择的元器件放入元器件选
择窗口中；
? 元器件选择窗口：用于显示并选择从元器件库中挑选出来的元器件； ? 仿真控制按钮：用于控制实时交互式仿真的启动、前进、暂停和停止。
菜单栏 标准工具栏 预览窗口 元器件选择按钮 旋转镜像工具栏 元器件选择窗口 原理图编辑窗口 编辑模式工具栏 仿真控制按钮 当前坐标
图1-1Proteus ISIS 的工作界面
表1-1列出了编辑模式工具栏中的按钮（注意：要想知道工具栏中某个按钮的功能，只要将鼠标指针指向该按钮并停留约1秒钟，就会在鼠标指针旁边弹出一个标签，显示鼠标该按钮的功能），这些按钮可以划分到三个子工具栏中： ? 主模式工具栏：用于原理图的全局编辑。
? 部件模式工具栏：用于原理图中某个对象的编辑。 ? 二维图形模式工具栏：用于编辑原理图中的图形。
表1-1编辑模式工具栏中各按钮的功能
子工具栏 按钮 元件模式：选择元器件 结点模式：在原理图中放置连接点。 主模式 连线标号模式：在原理图中放置或编辑连线标签。 文本脚本模式：在原理图中输入新的文本或编辑已有文本。 总线绘制模式：在原理图中绘制总线。 子电路模式：在原理图中放置子电路或放置子电路元器件。 终端模式：在元器件选择窗口中列出7类终端（包括：默认、输入、输出、双向、 部件模式 电源、接地、总线）以供绘制原理图时选择。 元件引脚模式：在元器件选择窗口中列出6种常用元器件引脚（包括：默认、反向、正时钟、负时钟、总线）以供绘制原理图时选择。 图表模式：在元器件选择窗口中列出13种仿真分析图表（包括：模拟、数字、混功能及说明 选择模式：即时编辑任意选中的元器件。
合、频率、传递、失真、傅里叶等），以供选择。 录音机模式：对原理图进行分步仿真时，用于记录前一步仿真的输出，并作为下一 2D图形框模式：用于在原理图上画方框。 2D圆形模式：用于在原理图上画园。 2D弧线模式：用于在原理图上画园弧。 二维图形模式 2D闭合路径模式：用于在原理图上画任意闭合图形。 2D文本模式：用于在原理图上标注各种文字。 2D符号模式：用于选择各种元器件的外形符号。 2D标记模式：在元器件选择窗口中列出各种标记，用于创建或编辑元器件、符号 和终端引脚时建立文本或图形标记。 步仿真的输入。 激励源模式：在元器件选择窗口中列出14种模拟或数字激励源（激励源类型包括：直流、正弦、时钟脉冲、指数等）以供选择。 电压探针模式：在原理图中添加电压探针，用来记录该探针处的电压值。可记录模拟或数字电压的逻辑值和时长。 电流探针模式：在原理图中添加电流探针，用来记录该探针处的电流值。只能记录模拟电路的电流值。 虚拟仪器模式：在元器件选择窗口中列出12种常用的虚拟仪器（包括：示波器、逻辑分析仪、定时计数器、电压表、电流表等） 2D连线模式：在元器件选择窗口中列出各种连线以供画线时选择。 除了用编辑模式工具栏来选择编辑模式外，还可以在选择模式下（原理图编辑窗口中的
鼠标指针为箭头形状时）单击右键，选择“放置”，在出现的子菜单中选择编辑模式。如图1-2所示。
图1-2使用右键菜单来选择编辑模式
除以上各种工具外，为方便原理图的编辑操作，Proteus ISIS提供了两种系统可视化工具：对象选择框是围绕对象的虚线框，当鼠标掠过元器件、符号、图形等对象时，将出现环绕对象的红色虚线框，如图1-3所示。当出现对象选择框时，单击鼠标左键即可对此元件进行操作。
图1-3环绕对象的对象选择框
智能鼠标指针是另一种可视化工具。编辑原理图时，鼠标对当前操作具有智能识别功能，鼠标会根据功能改变显示的外观样式。常见的鼠标指针外观样式如表1-2所示。
表1-2鼠标指针外观样式
外观 放置指针 “热”画线指针 “热”画总线指针 线段拖动指针 对象拖动指针 添加属性指针 当对象上出现此光标时，按住鼠标左键并拖动鼠标，即可将对象移动到期望的位置。 单击鼠标左键即可为对象添加属性（选择菜单“工具栏”->“属性设置工具”后，光标移动到对象上时将出现此光标样式）。 单击鼠标左键，然后将元器件轮廓拖动到合适的位置，再次单击鼠标左键，即可将在元器件选择窗口中选中的对象放置在当前位置上。 当指针移动到元器件引脚端点上时，单击鼠标左键，开始在元器件引脚之间画线。画至终点时，双击鼠标左键可结束画线。 仅当绘制总线时出现。当指针移动到已画好的总线上时，单击鼠标左键，开始延伸已画的总线。画至终点时，双击鼠标左键可结束画延伸总线。 此光标样式出现在线段上。出现此光标时，按住鼠标左键并拖动鼠标，即可将线段移动到期望的位置。 当对象上出现此光标时，单击鼠标左键，对象即被选中。 名称 默认指针 用于选择操作模式。 功能说明 1.1.2 电路原理图绘制
（1）鼠标使用规则
在ISIS的原理图编辑窗口中，鼠标使用的一般规则如表1-3所示：
表1-3鼠标使用般规则
鼠标操作方式 单击空白处 单击未选中的对象 单击已选中的对象 双击对象 放置元器件 选择对象 编辑对象属性或连线风格 同上 左键 右键 弹出元器件放置菜单 弹出对象操作菜单 同上 删除对象