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如果只使用或非门搭建与、或和非门，该如何设计各芯片的物理结构？
一、实验目的
- 掌握使用一位与非门构建一位非门、与门、或门、复用器和选择器的方法；
- 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
计算机的低层物理结构是由一组基本的逻辑门构成的，本节实验内容包括：非门、与门、或门、多路复用器和多路选择器的设计，所有实验都建立在与非门基础之上。与非门Nand的输入引脚是a和b，输出引脚是out。
另一种常用的组合逻辑门是复用器，它主要用于分时传递数据，由选择信号确定由哪一个支路输出。1位复用器的结构如图所示，当选择信号sel=0时，out=a，否则out=b，可以用1个非门、2个与门和1个或门实现。
选择器是另一种常用的组合逻辑门，它与复用器的功能正好相反，由选择信号确定输入由哪一个支路输出。1位选择器的结构如图 17所示，当选择信号sel=0时，a=in，否则b=in，可以用1个非门和2个与门实现。
四、实验内容
1.一位非门
（1）实验元件选择及电路搭建
元件选择：NOR_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）非门真值表
（3）仿真运行
I输入端为0:
II输入端为1:
（4）结果分析：观察实验结果可得所搭建的电路实现了一位非门的功能
2.一位与门
（1）实验元件选择及电路搭建
元件选择：NOR_2、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)
电路搭建及仿真电路：
（2）一位与门真值表
（3）仿真运行
I 输入端：A_1为0、A_2为0
II 输入端：A_1为1、A_2为0
III 输入端：A_1为0、A_2为1
IV 输入端：A_1为1、A_2为1
（4）结果分析：所搭建的电路仅在两个输入端均为1时，输出结果为1，其他情况均为0。因此此电路实现了一位与门的功能。
3.一位或门
（1）实验元件选择及电路搭建
元件选择：NOR_2、LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)
电路搭建及仿真电路：
（2）一位或门真值表
（3）仿真运行
I 输入端：B1为0、B2为0
II 输入端：B1为0、B2为1
III 输入端：B1为1、B2为0
IV 输入端：B1为1、B2为1
（4）结果分析：该电路仅在两个输入端均为0时，输出端为0，其他情况均为1。因此该电路实现了一位或门电路的功能。
4.一位复用器
（1）实验元件选择及电路搭建
元件选择：LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)、OR_2、AND_2、NOT
电路搭建及仿真电路：
（2）一位复用器真值表
（3）仿真运行
I 输入端：B3为0、B5为1、B4为0或1
II 输入端：B3为0、B5为0、B4为0或1
III 输入端：B3为1、B4为1、B5为0或1
IV 输入端：B3为1、B4为0、B5为0或1
（4）结果分析：当B3输入端为0时，输出结果与B5保持一致，与B4输入端无关；当B3输入端为1时，输出结果与B4保持一致，与B5输入端无关。因此，该电路实现了一位复用器功能，B3端为选择信号。
5.一位多路选择器
（1）实验元件选择及电路搭建
元件选择：LOGICSTATE、LOGICPROBE(BIG)、AND_2、NOT
电路搭建及仿真电路：
（2）一位多路选择器真值表
（3）仿真运行
C2为选择信号，决定C1由哪个端口输出
I 输入端：C2为0
C1为0
C1为1
II 输入端：C2为1
C1为0
C1为1
（4）结果分析：
C2为选择信号（SEL），当C2为0时，XUANZEQI_OUT1作为输，其值与C1保持一致；当当C2为1时，XUANZEQI_OUT2作为输出，其值与C1保持一致。因此该电路实现了一位多路选择器的功能。
五、实验习题
如果只使用或非门搭建与、或和非门，该如何设计各芯片的物理结构？
- 只使用或非门搭建与门
- 芯片物理结构如下，左端为输入端，右端为输出端
- 思路：（A+A）的非等于A的非，即将或非门两个输入端均连接同一个输入信号，实现非门的功能。
- 只使用或非门搭建或门
- 芯片物理结构如下图，T1和T2为两个输入信号，HUO_OUT为输出
- 思路：将输入信号T1和T2经过第一个或非门可得到（T1+T2）的非，再将其通过一个或非门（此处实现非门的功能），即可在第二个或非门的输出端得到T1+T2，实现或门的功能。
- 只使用或非门搭建非门
- 芯片物理结构如下图，T3和T4为两个输入信号，YU_OUT为输出信号
- 思路：首先分别将信号T3和T4通过或非门（此处执行非门的功能），可分别得到T3的非和T4的非；再将其作为输入信号通过第三个或非门，可得到T3与T4的与，即实现与门的功能。
六、自主设计——采用与或非门实现异或门电路
1.实验原理（逻辑表达式）
2.仿真电路构建
3.异或门真值表
4.功能测试
（1）输入端：A、B相同时
（2） 输入端：A、B不同时
（3）仿真结果分析及实验结论
当输入端信号A、B相同时，输出结果为0；
当输入端信号A、B不同时，输出结果为1
即该电路实现了异或门的功能
七、实验心得
- 在老师的介绍下，下载并成功安装了一个全新的软件proteus，用于计算机组成原理实验的仿真。由于第一次接触此软件，在刚开始的时候存在一些对器件选择的不熟悉和对一些功能的不熟悉，但在后面做仿真实验的过程中慢慢学到了很多，也熟悉了很多操作。
- 在做仿真实验的过程中，对资料的查阅是十分重要的，由于初次实验，一些元件如或门、与门、与非门、或非门等，并不知晓其元件名，部分在老师提供的资料中获取，另一部分则通过在网页搜索获取。
- 由于第一次实验的难度并不高，借助老师提供的资料，每一步都做的比较顺利。而且通过此次实验，我对逻辑门的底层实现原理也得到了更深的理解，印象最深的是一个一位的与、或、非门均可以只通过或非门或者与非门来实现。
- 整个实验的过程也是很有趣的，搭建好电路即可进行仿真实验，通过对输入端的设置，在仿真后，立即就能看到输出结果，并依据此判断仿真电路是否正确。
八、实验总结
通过此次实验，我接触并熟悉了proteus这个软件的使用方法，能够运用其进行逻辑门电路功能及原理的仿真验证。实验过程中，通过与非门对电路进行搭建，对与、或、非的实现进行了验证；此外，还有利用与或非门电路对一位复用器和一位多路选择器功能的验证，仿真的结果均与真值表的内容一致。在完成所要求的内容的基础上，自主设计了利用与或非门电路进行异或门电路的设计实验，仿真结果证明了电路和结论的正确性。
在实验完成后， 我认为我对逻辑门电路的理解更加深刻了，熟练掌握了一位逻辑门的构建！