基于開源數(shù)字仿真軟件Digital的“數(shù)字邏輯”及“計算機組成原理”課程實驗設計

邢建國

摘要：本文介紹了一款開源數(shù)字電路仿真軟件Digital在數(shù)字邏輯和計算機組成等課程實驗中的應用，并呈現(xiàn)出四個不同復雜度的組合和時序電路的設計與實現(xiàn)。實踐表明，該軟件適合于計算機類專業(yè)學生學習和掌握諸如處理器一類復雜數(shù)字系統(tǒng)設計。

關鍵詞：數(shù)字邏輯；計算機組成；Digital; 實驗設計

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）08-0095-06

前言

開源軟件Logisim數(shù)字仿真軟件是由Carl Burch開發(fā)的一款開源、免費的數(shù)字系統(tǒng)仿真軟件。筆者所在學校用該軟件重構了已有的大部分實驗，很多學生利用該軟件設計的系統(tǒng)也達到了實驗要求。但在教學過程中筆者發(fā)現(xiàn)，Logisim無法直接使用Verilog模塊，這對一些復雜模塊如狀態(tài)機、浮點運算器來說實現(xiàn)起來不方便，也難以調(diào)試。由Helmut Neemann開發(fā)的開源軟件Digital則針對Logisim存在的一些問題重新進行了設計，并在底層架構上做了重大調(diào)整，增加了很多新的特色功能，比Logisim更適合于復雜數(shù)字系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)，其主要特點包括：①支持與、或、非等基本邏輯模塊，以及一些輸入輸出設備、計算、存儲等復雜模塊。②支持真值表、卡諾圖、邏輯表達式以及狀態(tài)機的電路綜合。③支持波形顯示，提供了測試用例（實際上提供了一種編寫測試用例的小語言）。④支持Telent協(xié)議，外部應用可以與設計的電路系統(tǒng)進行通信，這為調(diào)試圖像處理器的復雜系統(tǒng)提供了較大的便利。⑤可以將Verilog和VHDL編寫的模塊集成到設計的電路中（這些模塊的仿真是通過Icarus Verilog和ghdl外部模擬器來實現(xiàn)的），也可以把設計的系統(tǒng)導出為Verilog和VHDL文件。

下面，筆者將通過具體的教學案例來說明該軟件在數(shù)字邏輯、計算機組成等課程中的實際應用。案例包括超前進位加法器（組合邏輯）、最大公因子GCD電路（有限狀態(tài)自動機）、階乘Factorial電路（下推自動機）以及一個8指令處理器BrainFxxK（圖靈機）的實現(xiàn)。

設計案例

1.組合電路設計：超前進位加法器

加法是算術邏輯單元中的重要組件。最簡單的加法器是由多個1位全加器串聯(lián)起來的串行進位加法器。由于進位延遲大，該加法器速度與位數(shù)成反比。因此，實踐中一般采用超前進位加法器，其基本思路是用專門的電路來并行計算出進位。對于一個n位加法：

{cout， sum} = a + b + cin

其第i+1位的進位邏輯表達式為：

c[i+1] = a[i] b[i] + （a[i] + b[i]） c[i]

其中a[i] b[i]為生成項，記為g[i]，a[i] + b[i]為傳播項，記為p[i]。則c[i+1]可以表示為：

c[i+1] = g[i] + p[i] c[i]

= g[i] + p[i] g[i-1] + p[i] p[i-1] g[i-2] + ... + p[i] p[i-1]...p[1] p[0]cin

可以使用樹形結構分層產(chǎn)生進位。為此筆者設計了gp模塊，其功能是根據(jù)輸入的兩個加法器的g0、p0和g1、p1以及低位進位cin生成g、p和cout，其邏輯表達式為：

g = g1 | （p1 & g0）

p = p1 & p0

cout = g0 | （p0 & cin）

1位加法器模塊為：

sum = a ^ b ^ cin

g = a & b

p = a | b

其在Ditigal中分別實現(xiàn)如圖1所示。

可以使用2個1位加法器和1個gp構造一個2位加法器，如圖2所示。

同樣，可以使用2個2位加法器和1個gp構造1個4位加法器以及更多位數(shù)的加法器。

通過這個例子，可以發(fā)現(xiàn)Ditigal對一些簡單的組合邏輯可以很方便進行抽象、重用，由此可以構造更復雜的系統(tǒng)。

2.有限狀態(tài)自動機設計：最大公因子（gcd）

本案例是展示如何使用Digital的Verilog模塊來簡化狀態(tài)機的實現(xiàn)。該例子用歐幾里算法來計算兩個正整數(shù)的最大公因子。該算法的Python實現(xiàn)如上頁圖3所示。

系統(tǒng)使用a和b兩個寄存器、一個取模運算部件、一個比較器，其數(shù)據(jù)通路如圖4所示。

另外，對應的狀態(tài)機（增加了讀取輸入）的下一狀態(tài)及對應輸出如表1所示。

上述狀態(tài)機對應的控制器，可以使用Digital的外部模塊Verilog來實現(xiàn)下一狀態(tài)、輸出邏輯，其VerilogHDL代碼如圖5所示。可以看到，采用Verilog描述的狀態(tài)機更易于理解和調(diào)試。

3.下推自動機設計：階乘（fact）

本案例展示了Digital能夠?qū)崿F(xiàn)下推自動機這樣的復雜系統(tǒng)。階乘遞歸實現(xiàn)的Python代碼如圖6所示。

與案例二相比，除了最后一條語句，兩者在結構上非常類似。在gcd中，最后一條語句是尾遞歸（Tail-recursion），即gcd（b，a%b）后面沒有其他的計算了。而在fact中則不是，為了計算fact（n），要先計算fact（n-1），然后再計算n*fact（n-1）。而計算fact（n-1），又需要先計算fact（n-2）…，直到fact（0）計算完成，然后再計算fact（1）…fact（n-1）、fact（n）。我們稱n*fact（n-1）是 fact（n-1）的延續(xù)（continuation），在軟件中是函數(shù)調(diào)用后的返回地址，在硬件中則視為一個計算狀態(tài)，可將其存儲在堆棧中，當fact（n-1）計算完成后，再從堆棧中恢復continuation，完成fact（n）的計算。

筆者設計了一個包括n、val（保存計算結果）和continue（用于存儲返回狀態(tài)/地址）三個寄存器和一個堆棧（用于保存和恢復寄存器n、continue）、乘法器等部件的系統(tǒng)來實現(xiàn)階乘，其數(shù)據(jù)通路如上頁圖7所示。

該系統(tǒng)要比gcd系統(tǒng)復雜得多，其對應的控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換如上頁表2所示。

可以看到，為了實現(xiàn)fact的遞歸計算，筆者使用了16個狀態(tài)和一個堆棧，這一設計要比案例二復雜很多。同樣，使用Digital的外部Verilog模塊可以大大簡化這個狀態(tài)機邏輯的實現(xiàn)，調(diào)試也更方便。

4.圖靈機設計：Brainfxxk語言處理器

本案例是一個8指令處理器的Digital實現(xiàn)。Brainfxxk是由Urban Müller在1993年發(fā)明的一種只有8條指令的編程語言，該極小化的語言是圖靈完備的，這意味著它可以實現(xiàn)其他任何一種圖靈完備語言（如C語言或Python）完成的計算，甚至可以用它來寫一個Brainfxxk自身的解釋器。

該機器包括一個數(shù)組data、一個指向該數(shù)組某個單元的指針ptr、程序代碼code、程序計數(shù)器pc，以及輸入和輸出裝置。數(shù)組data里元素都初始化為零，數(shù)據(jù)指針初始時指向數(shù)組的第一個字節(jié)，pc指向第一條指令。其8條指令及其語義分別為：

'>'：將數(shù)據(jù)指針加一。

'<'：將數(shù)據(jù)指針減一。

'+'：將數(shù)據(jù)指針所指的單元加一。

'-'：將數(shù)據(jù)指針所指的單元減一。

'，'：從輸入流中讀取一個字節(jié)，存入數(shù)據(jù)指針所指單元。

'.'：輸出數(shù)據(jù)指針所指單元的字節(jié)。

'['：如果當前單元是 0，那么跳轉(zhuǎn)到對應的 ']' 的下一條指令，否則繼續(xù)執(zhí)行。

']'：如果當前單元不是 0，那么跳轉(zhuǎn)到對應的 '[' 的下一條指令，否則繼續(xù)執(zhí)行。

其對應的C代碼如表3所示。

下面這段代碼：

+++>++<[->+<]>.

等價的C代碼如圖8所示。

該段代碼首先將data第一個單元賦值為3（+++），第二個單元賦值為2（++），然后進入循環(huán)（[->+<]），如果第一個單元不為0，則將其減一，把第二個單元加一。在循環(huán)結束后，打印第二個單元的值（>.），結果為5。該代碼的作用是將第一個單元值加到第二個單元，并打印。

該處理器除了兩條循環(huán)指令實現(xiàn)比較復雜之外，其余6條指令的實現(xiàn)是比較簡單的。上頁圖9為該處理器的一個參考實現(xiàn)。

圖9中從左到右，依次為PC及計算下一PC值模塊、程序ROM、控制器controller、數(shù)據(jù)指針ptr、數(shù)據(jù)data以及打印、輸入模塊。在圖的左下方為一個堆棧stack，用于記錄循環(huán)語句中的起始地址。

控制器的Verilog實現(xiàn)代碼如圖10所示?？梢钥吹?，Digital中對Verilog的支持大大簡化了有關模塊的設計，使設計更清晰、更易于理解和排錯。

總結

對于初步具備數(shù)字電路基本知識以及C語言程序設計能力的計算類專業(yè)學生而言，使用Digital軟件可以很容易了解復雜數(shù)字系統(tǒng)的設計和仿真，為進一步完成如流水線、指令動態(tài)調(diào)度以及轉(zhuǎn)移指令預測等復雜模塊提供基礎。

參考文獻：

[1]李亞民.計算機原理與設計——Verilog HDL版[M].清華大學出版社，2011.

[2]David Patterson & John Hennessy.計算機組成與設計——軟硬件接口（RISC-V版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2020.