數位邏輯電路模擬器之設計與實作

數位邏輯 數位邏輯 數位邏輯

數位邏輯電路 電路 電路模擬器之設計與實作 電路 模擬器之設計與實作 模擬器之設計與實作 模擬器之設計與實作

莊作彬

國立屏東商業技術學院資訊科技系 助理教授

電腦輔助設計與高速運算實驗室 tsobing@npic.edu.tw

林俊良

國立屏東商業技術學院資訊科技系 電腦輔助設計與高速運算實驗室 s93413045@student-mail.npic.edu.tw

摘要 摘要 摘要 摘要

本系統以簡單易懂的設計，擺脫一般 硬體模擬器生硬難懂的操作，以清楚明瞭 的體貼風格，詮釋硬體底層精密的結構，

不論在輔助教學，學生撰寫作業、或者教 師在批改成績上，都有很大的成效。加上 嚴謹的設計規劃，對於日後新增元件，保 留更多彈性發展的空間。

關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞

關鍵詞：數位電路設計、模擬器、合成

一 一 一

一、 、 、前言 、 前言 前言 前言

對於研習數位邏輯的同學而言，最抽 象的莫過於電子訊號的表達，傳統教授課 程往往以黑板作圖為主，但對於訊號之間 的轉換，卻無從表達，這是由於教科書本 過於靜態，移除其中一個元件，所有數值 也要重新擦掉重寫，若改由動態的電腦影 像做為輔助教學，相信在表達電路微妙機 制時，會更加的靈活生動，本論文特點是 設計具有「互動性」的補助教學系統，透 過按鈕、拖曳等行為，引導學習者「了解 電路」、「使用電路」、「設計電路」，等進階 的課程，促進師生良好的互動，期能達到 溝通與分享的教學品質。

一般的硬體模擬開發環境，由於是設

計給專業人士使用，初學者不易上手，也 很難應用在教學用途，網路上的硬體模擬 器固然便利，但往往缺乏互動性以及自我 設計的彈性，本系統目標在改良了這些的 缺點，設計一套專為教學用的硬體模擬系 統。本篇論文先以加法器產生系統為例，

其他電路均可利用本系統所使用的原理實 作。

本論文架構如下：第二節說明系統整 體架構，第三節介紹所使用的相關技術以 及系統實作考量，第四節是系統的執行結 果，第五節則是結論。

二 二 二

二、 、 、 、整體架構說明 整體架構說明 整體架構說明 整體架構說明

以往的模擬程式都是用單一語言設 計，本系統的特色是使用二種語言，由於 C 語言功能強大，有利於日後程式的維護 與更新，並可做更強大的運算，包括指標 設計、鏈結串列，而且 C 語言執行效率高，

有利於更複雜的計算；對於視窗介面，則 使用了 VB 來製作，這樣可以大幅縮短開 發時間。一般而言，使用者都是以圖形化 介面進行操作，透過 VB 語言來進行核心 的呼叫，最後再把核心運作的結果，以圖 像方式顯現出來，VB 便成了使用者與核 心溝通的橋樑，如圖 1 所示，讓使用者輕 鬆的操作，免除額外的技術與知識。此外，

由於執行與顯示二者作業並不重疊，各司

其職，對於開發者在日後的維護控管也會 更加容易。

圖 1 整體架構圖

我們依據不同功能和目標，使用不同程式 來分開撰寫，等到二邊都設計完成後，再 把以 C 程式設計的部份匯出為 DLL 檔，

以 VB 進行連結，這樣的優點就可以用 VB 設計的圖形介面來操作所有的功能，讓使 用者只需要以選單、按鈕，就可以操作所 有的功能，如圖 2 所示，優點是使用者完 全不用懂程式內容和底層設計原理即可使 用。*DLL 設定（[4]）

圖 2 動態連結 DLL

三 三

三 三、 、 、相關技術與系統實作 、 相關技術與系統實作 相關技術與系統實作 相關技術與系統實作

這個部份我們所要說明就是「使用的 技術與實現的原理」，過去硬體模擬器有許

多缺點，要使用那些技術來達到改良的目 標。我們的特色在於設計互動式操作模 組、簡單親和力的控制流程、更有彈性的 自由組合…這些理念到底是如何實現的？

我們會在這部份做更詳盡的介紹。

首先，我們來探討製作流程，我們以 鏈結串列為資料結構，新增節點（這裡稱 做元件的容器），每個節點就當做一個容器 的空間，如圖 3 所示，可以放入各式各樣 的元件。

圖 3 鏈結串列

圖 4 不同容器對應不同函數

為了讓每個容器有不同的特性，我們 會設計不同的函數，像 AND 的元件我們會 用 C 語言寫成：

p0=p1 p0=p1p0=p1

p0=p1＆＆＆＆p2p2p2p2；；；；

p0 p0 p0

p0 是輸出是輸出是輸出是輸出 p1p1

p1p1 和和和和 p2p2p2p2 是指輸入是指輸入是指輸入 是指輸入

當容器執行所對應函數後，不同函數就會 表現出不同的特性，透過這樣的方式，就 能模擬出不同的數位元件，如圖 4 所示。

接下就會依照不同元件的類型，執行 所對應的函數，不同函數，就會產生出不 同效果，透過這樣，就能模擬出元件的特 性，如圖 5 所示。

圖 5 執行所對應的函數

每個容器所產生出來的值，是可以傳 給不同容器的，透過這種方式，每個容器 就不再是單一的特性了，會彼此相互傳 值，來影響其它容器的輸出入，就像是一 整片的電子元件，一個接著一個影響，即 可詮釋出硬體電路的機制，如圖 6 所示。

圖 6 元件間的鏈結會相互影響

設計多位元加法器，也可以透過鏈結

的效果，組合完成，而且程式不必寫死，

只要設計一個，以後相同的部份，就不必 重新製作，可大幅縮短開發時間，如圖 7 所示。＊核心開發([3][4])

以函數來模擬元件的方式，一開始是 在設計多位元加法器時研究出來的，後來 發現不只是加法器，其它的組合元件都可 以同樣的方式一併完成，所以利用此特 性，相繼的製做出不同的元件，組合成一 套模擬開發系統。

圖 7 加法器的鏈結效果

一套模擬系統最難設計的就是執行系 統，要怎麼運算才能做到每個完件都有算 到？如何排列出先後次序？這需要定義優 先次序，上游元件算完後，才能算下游的 元件。對於此，本系統在這裡設計了很靈 活的演算法，可有效的做執行的排程，還 有更進階的死結的偵測。（圖 8）

圖 8 設定排程的優先次序

如何為任意元件安排執行順序？（如 圖 9 所示）圓圈內的數字為元件的編號，

我們會從 1 號開始詢問，如果 1 號上游沒 有元件、或者上游元件已執行，我們才會 開始執行 1 號的計算，接下來詢問 2 號上 游是否有元件？有無執行？…以此類推，

等到完成詢問所有的序號，只要這回合仍 有元件未執行，就會在下一回合從未執行 的元件開始詢問，同樣也是從小到大的編 號。

從以上規則我們可以得到執行的結果：

第一回合完成執行：6

第二回合完成執行： 2、3、5 第三回合完成執行：4

第四回合完成執行：1

＊用此運算法不斷的循環處理，就可以依 序把所有的元件執算出來，而且不會重覆 又能有次序的相互傳值達到模擬元件的效 果。

圖 9 為任意組合的元件做優先排序

在有些特別的情況下，我們沒辦法把 所有元件值給算出來，這就是所謂的「死 結」，死結為什麼會發生？基本上，我們一

開始在設定外部連結時，就已經巧妙的設 定優先序列了，舉個例子來看：我們現在 設計二個元件，加法器 A 與加法器 B，我 們定義 B 元件是需要向 A 來取得進位輸 出，其實這當中已意味著，需要等到 A 執 行後，才能做 B 的運算，A 有高於 B 的執 行優先權，換一種角度來看，B 會隨著 A 值不同而不同，但 A 卻不受 B 影響，A 決 定 B 往後的運算，所以 A 執行權限較高。

本執行系統即是以此為出發點，但在有些 時候，使用者不周密的設計，就會在此發 生問題，例如我們定義：B 向 A 取值，且 A 又向 B 取值，這樣的情況下，二個元件 會不斷相互等待，即使過了數個回合後，

仍舊沒辦法完成執行。

圖 10 因為相互等待而發生的死結

我們以圖 10 為例，元件 1、2 在執行 都不會發生問題，到元件 3 時，因為３號 被設定需要 5 號的值，5 號需要 4 號，4 號又需要 3 號，造成循環等待而發生死 結，對此，本系會自動偵測出來，使用原 理如下：

第１回合完成執行元件：1、2 第２回合完成執行元件：無 第３回合完成執行元件：無 第４回合完成執行元件：無…

由於是死結，所以往後回合都沒辦法有正 確的執行…

此這裡，我們可以發現，只要有一回 合沒有執行到元件，且仍有元件未執行，

這就表示死結已發生了，所以我們只要在 這裡設計一個計數器，記錄每回合的執行 數目，如果為 0，本系統會以跳出視窗告 知死結。

在此我們可以得到結論：一個有效的一個有效的一個有效的一個有效的 設計設計

設計設計，，，，會在每回合至少有一元件被執行會在每回合至少有一元件被執行會在每回合至少有一元件被執行會在每回合至少有一元件被執行，，，， 在

在 在

在 N 個元件的情況下個元件的情況下個元件的情況下，個元件的情況下，，，執行複雜度為執行複雜度為執行複雜度為執行複雜度為 1< = O(n) ≤≤≤≤ N，，，，最多需要最多需要最多需要最多需要 N 回合回合回合，回合，，最少，最少最少最少 1 回合回合回合回合 即完成所有執行

即完成所有執行 即完成所有執行 即完成所有執行。。。 。

四 四 四

四、 、 、 、系統 系統 系統 系統執行結果 執行結果 執行結果 執行結果

本 系 統 的 硬 體 需 求 很 低 ， 我 們 在 Windows XP 作業系統下，使用 Pentium 4

（2.4GMHz）的 CPU，512 RAM 就能順利執 行所有功能。使用者初次使用本系統，就 會發現相當的精簡，而且直覺易上手，從 功能表大致上就能看出其功能，像是建立 元件，開啟檔案，存檔，執行運算，這樣 主要的功能會很明確的標示，如圖 11 所 示，而後續處理的動作，也會幫使用者著 想，比如：開啟舊檔之後，就會自動執行，

並且更新結果，大的架構完成後也會接連 細部的處理，使用者不需擔心下一個步驟 該做什麼，另外，對於較需要花時間的處 理，系統也會使用時間刻度的顯示條，告 知現在所進行的進度，有別於一般的模擬 軟體，這是相當體貼的設計，如圖 12 所示。

圖 11 清楚明白的功能表設計

圖 12 使用進度列告知執行進度

使用本程式設計的元件，在儲存後的 容量非常的小，使用變動長度的 Record，

平均儲存 100 個元件，不到 3KB，如圖 13 所示，即使磁碟片也能便於攜帶，這非常 有利於課堂的輔助教學，而且操作容易，

學生使用本軟體可以在家完成數位邏輯的 作業，最後把完成的組合電路儲存起來，

再轉交由老師批改，而教師也可以利用本 系統立即執行，驗證是否正確，大幅減少 批改作業的時間，有利於師生的互動。

圖 13 變動長度儲存，耗費容量小

針對於不同的使用者，滿足不同的需 求：透過適當的詢問對話框，如圖 14 所 示，來了解使用者的取向，有時，預先設 想的流程看起來似乎是好的，是體貼顧 客，但對於有特別用途的客戶。卻未必能 達到滿足，所以在這裡，我會設計二種介 面，圖型介面圖型介面圖型介面圖型介面與文字介面文字介面文字介面，如圖 15 所示，文字介面 讓不同用途的使用者做適當的切換，一般 模式下，可以先把常用的功能在一開始時 都匯入，另外再加一個喜好設定，這樣就 能適時做個人品味的設定。

*介面設計([1][2])

*線上技術支援（[5][6]）

圖 14 針對細節，設定個人習慣

圖 15 本系統亦提供文字的介面

本系統有別於一般較舊式的網路模擬 器，純然只是用圖片拼湊而成的，如圖 16 所示，我們提供了相當有彈性的互動，精 簡的圖示，如圖 17，還可以接受滑鼠點 擊、拖曳，把所有細部的功能都設計在滑 鼠鍵中，富豐的色彩表達以及人性化的介 面，如圖 18，擺脫以文字陳述的設計，取 而代之的是讓使用者盡情發揮的寬廣空 間。＊國外網站參考（[7]）

圖 16 舊式模擬器單調缺乏互動

圖 17 改良後，融入舒適的美學，簡潔易懂

圖 18 非常清楚直覺的對話框

用不同色彩的方塊來表遠不同意義，

是本系統的特色之一，如圖 19 所示，右邊 方塊白色表示末執行的，左邊粉紅色則是 已完成執行，綠色方塊則是有外部的鏈 結，至於大圖型中的 5，則表示優先執行 順序，大方塊 5 會先執行，然後才是大方 塊 6，系統會自己運算先後次序，並在註 記在色塊當中，清楚的表達每個元件的狀 態。

圖 19 用不同色塊來表達不同的用途

簡易輸入框 簡易輸入框簡易輸入框

簡易輸入框，是本系統創新突破的設 計，透過簡易輸入框，可以讓使用者輸入 數值，當數值改變後，就會立即把結果一 並更新，而且輸入框只要用滑鼠右鍵點一 下，就可以改變成 1 或 0，在舊式的模擬 器往往需要多出一個輸入視窗，此設計是 相當精簡而體貼的，也更加凸顯本系統的 便利性。

在下圖 20 中，上方 6 組白色的就是簡 易輸入框，只要輸入數值，下方會元件也

會一併更新，只要在輸入框上面點滑鼠右 鍵，就會變化成 0 或 1，對於教師上課授 課，這是相當實用的設計，只要上課前做 好元件模型，透過修改輸入框值，就可以 讓同學看到每個元件數值的變化，相當生 動有趣。

圖 20 上方輸入框可以幫助修改輸入參數

對於電路的表達，我們設計了不同以 往的顯示方式，舊式的模擬器的線路都只 有單色來表達線條，這樣容易造成混亂，

當元件數越來越多後，在辨視上會有極大 的困難，如圖 21 所示，若改良為多顏色的 線路，就顯得清晰有層次感，追蹤更為容 易，讓使用者能更清楚閱讀資料，如圖 22 所示。

圖 21 單色的電路表示，容易混亂

圖 22 改成多色顯示，清晰有層次感

死結偵測 死結偵測死結偵測

死結偵測：對於不良設計而造成的死 結問題，本系統亦提供偵測的機制，在執 行過程中若發現死結會跳出警示，並標示 異常迴路，正常執行的元件會以粉紅色來 顯示，錯誤迴路則以白色，提醒使用者修 正，如圖 23 所示。

圖 23 系統偵測出死結時會發出警訊

更多人性化的細部設計：儲存檔案儲存檔案儲存檔案儲存檔案在 使用時雖然方便，但因為沒有顯示會存到 那個目錄，往往使用者不注意，便把先前 的檔案給覆蓋掉了，本系統會顯示即將覆 蓋的檔案及目錄，再三提醒使用者，這是 一般的商業軟體很少考慮到的部份，如圖 24 所示。

圖 24 對於每筆資料的儲存，都有明確的顯示

五 五

五 五、 、 、結論 、 結論 結論 結論

在本論文當中，我們提出模擬器設計 的新思維，改良以往生硬難懂的操作流 程，取而代之的是簡潔貼心的設計，並融 合新技術：死結錯誤偵測、簡易輸入框、

多色電路表示法…等強大功能，在教學實 務的應用上，有相當顯著的成效，增進師 生的互動，提升更優良的教學品質。

參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻

[1] 黃世楊、何嘉益 ，Visual Basic.Net 學 習範本，文魁資訊 ， 2003。

[2] 羅慧真，Visual Basic.net 完全探索， 學 貫圖書，2002。

[3] 吳勁樺 ，資料結構教學範本 C++ ， 金禾資訊 ，2006。

[4] 位元文化編著，Visual C++.Net 入門進 階，文魁資訊，2004。

[5] Microsoft 官 方 線 上 MSDN 教 學 : http://www.microsoft.com/taiwan/msd n/library/

[6] 程 式 設 計 師 俱 樂 部 : http://www.programmer-club.com/inde x.asp

[7] 國 外 硬 體 模 擬 相 關 資 訊 : http://www.ecs.umass.edu/ece/koren/ar ith/simulator/