实验1 - 简单部件与状态机设计 on 北航软院计组教程整理

Logisim门电路

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门电路是最基本的数字电路元件，以下是几个常见的 Logisim 门电路元件的简介

或门

Mealy型有限状态机例题

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实验任务

要求你搭建一个Mealy型状态机解决2^n mod 5的数学问题

Moore型有限状态机例题

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实验任务

你需要搭建一个Moore型有限状态机，检测小刘同学是否能连续地数出1、2、3。

实验具体要求

小刘同学在每个时钟上升沿到来时说1、2、3中的任意一个数，由于小刘同学比较笨，他可能连续几次说出同一个数，只要总体顺序没错，我们原谅他。只要他能顺序不错地最终数出1、2、3的顺序正确的序列（例如“1 1 1 2 2 3 3 3 3”、“1 2 3”、“1 2 3 3”……，即文法满足：“<若干个1><若干个2><若干个3>”），就算对（输出1）！

时序逻辑

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理论课大家已经学习了时序电路的基本知识，下面我们结合 Logisim 再帮助大家理解一下时序电路。(说明：时序逻辑理论知识可以参考《数字设计原理与实践第四版》P437 Sequential logic 章节。)

和组合逻辑电路不同，时序电路需要实现"记忆"的功能，那么电路里必然存在用于记忆过去状态的部件，如何存储过去的信息呢？首先我们一起看一下这个"小物件"：SR 锁存器

有限状态机

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有限状态机,也称为FSM(Finite StateMachine)，其在任意时刻都处于有限状态集合中的某一状态。当其获得一个输入字符时，将从当前状态转换到另一个状态，或者仍然保持在当前状态。任何一个FSM都可以用状态转换图来描述，图中的节点表示FSM中的一状态，有向加权边表示输入字符时状态的变化。(说明：有限状态机理论知识可以参考《数字设计原理与实践第四版》P452 clocked synchronous state-machine analysis 部分。)

而有限状态机又分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机。简而言之，Moore型有限状态机输出仅仅和当前状态有关；Mealy 型状态机输出和当前状态以及输入信号都有关。但是二者的下一状态都是仅和当前状态以及输入信号有关，它们之间的关系是组合逻辑关系。

接下来我们学习一下如何用 Logisim 实现有限状态机。

组合逻辑

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基本的门电路知识掌握以后，接下来我们介绍一下数字电路的基本知识：组合逻辑和时序逻辑。

数字电路根据逻辑功能的不同特点，可以分成两大类，一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类叫做时序逻辑电路（简称时序电路）。他们有什么区别呢，其实很简单：大家都知道，我们做的每个小电路，都可以抽象成一块封装好的，具有一定功能的电路板，它有输入端、电路板主体（就是内部结构）和输出端。电路内部结构和输入信号共同决定输出信号。组合逻辑电路的输出仅仅取决于当前输入；时序逻辑电路的输出取决于当前的输入和电路原来的状态，或者可以说：时序逻辑电路的输出，不仅与当前输入有关，也与过去的输入有关。时序逻辑是有记忆的电路板，组合逻辑是没有记忆的电路板。