目录

一、实验内容

二、实验步骤

2.1  全加器的设计

2.2 加法器的设计

三、调试过程

3.1 全加器调试过程

2.加法器的调试过程

四、实验使用环境

五、实验小结和思考

一、实验内容

a) 介绍

在这次实验中，你将熟悉 Logisim 的操作流程，并且学习如何通过画图的方法 设计出计算机当中的核心运算器件——ALU。 然后，我们将使用七段数码管进一 步地人性化地显示出 ALU 的计算结果。

b) 全加器设计

一个全加器具有三个输入(A, B, Cin)和两个输出(S, Cout)。如下图所示，输入 A 和 B 各代表一个 1 比特二进制数，输出 S 表示 A 和 B 之和：

Cin (进位输入) and Cout (进位输出)信号用于输入和输出多于一个比特的情况

c）设计一个 2 比特加法器

一个全加器只能够实现 1 比特的运算。要实现 N 比特的加法，可以采用多个全加器以行波进位的形式实现

二、实验步骤

2.1  全加器的设计

（1）真值表:

Inputs			Outputs
Cin	B	A	Cout	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

（2）电路原理图

图1 全加器的电路原理图

图2 全加器的封装电路图

（3）步骤

①使用逻辑门等电子器件实现全加器的逻辑方程，推断出全加器的实验表达式：

          Cout=B*A+Cin*A+Cin*B

          S=(not)Cin*(not)B*A+(not)Cin*B*(not)A+Cin*(not)A*(not)B+Cin*B*A

②设置全加器电路输入位为A、B、Cin,输出位为S和Cout,S为和位，Cout为进位位

③将A、B、Cin分别连接到或门和与门的输入端，输出端为S、Cout

④经过结果运算，得到S，Cout

2.2 加法器的设计

（1）真值表

A1	A0	B1	B0	S1	S0	溢出情况
0	0	0	0	0	0	无
0	0	0	1	0	1	无
0	0	1	0	1	0	无
0	0	1	1	1	1	无
0	1	0	0	0	1	无
0	1	0	1	1	0	无
0	1	1	0	1	1	无
0	1	1	1	0	0	有
1	0	0	0	1	0	无
1	0	0	1	1	1	无
1	0	1	0	0	0	有
1	0	1	1	0	1	有
1	1	0	0	1	1	无
1	1	0	1	0	0	有
1	1	1	0	0	1	有
1	1	1	1	1	0	有

（2）电路原理图

图3 加法器封装电路图

（3）步骤

①用上面方法创建一比特全加器。

②将两个一比特全加器级联起来，第一个全加器的输出进位连接到第二个全加器的输入进位，从而实现两个二进制数的相加。

③逻辑表达式：

S0 = ~Cin⋅~B0⋅A0+~Cin⋅B0⋅~A0+Cin⋅~B0⋅~A0+Cin⋅B0⋅A0

Cout = B1⋅A1+B0⋅A0⋅A1+B0⋅A0⋅B1+Cin⋅A0⋅A1+Cin⋅A0⋅B1+Cin⋅B0⋅A1+Cin⋅B0⋅B1

S1 = ~Cin⋅~B0⋅~B1⋅A1+~Cin⋅~B0⋅B1⋅~A1+~Cin⋅~A0⋅~B1⋅A1+~Cin⋅~A0⋅B1⋅~A1+B0⋅A0⋅~B1⋅~A1+B0⋅A0⋅B1⋅A1+~B0⋅~A0⋅~B1⋅A1+~B0⋅~A0⋅B1⋅~A1+Cin⋅A0⋅~B1⋅~A1+Cin⋅A0⋅B1⋅A1+Cin⋅B0⋅~B1⋅~A1+Cin⋅B0⋅B1⋅A1

④判断溢出：插入LED灯判断是否溢出（若LED亮灯则溢出，否则无溢出）

图4 判断是否溢出

三、调试过程

3.1 全加器调试过程

eg.1

图5 Cin=1 B=1 C=1得Cout=1,S=1

使用表达式进行检验：Cout=B·A+Cin·A+Cin·B=1*1+1*1+1*1=3

                                    S=～Cin·～B*A+～Cin·B·～A+Cin·～A·～B+Cin·B·A=0+0+0+1=1

经检验结果，设计成立

eg 2:

图6 Cin=0 B=1 A=1 得Cout=1,S=0

使用表达式进行检验：Cout=B*A+Cin*A+Cin*B=1+0+0=1

                                    S=(not)Cin*(not)B*A+(not)Cin*B*(not)A+Cin*(not)A*(not)B+Cin*B*A=0+0+0+0=0

2.加法器的调试过程

图7 A0=1、B0=0、B1=1、A1=0得S0=1、Cout=0、S1=1

进行检验：LED灯不亮  A1A0+B1B0=01+10=11   S1=1  S0=1  无溢出

图9 A0=1、B0=1、B1=1、A1=1得S0=0、Cout=1、S1=1

进行检验：LED灯发亮  A1A0+B1B0=11+11=6   S1S0=10=2  有溢出

有溢出的真值表：

A1	A0	B1	B0	S1	S0	溢出情况
0	1	1	1	0	0	有
1	0	1	0	0	0	有
1	0	1	1	0	1	有
1	1	0	1	0	0	有
1	1	1	0	0	1	有
1	1	1	1	1	0	有

四、实验使用环境

        本实验采用 Logisim 电路仿真平台。在使用 Logisim 设计本实验要求的数字电路的时候，

必须使用基本的逻辑门完成设计，而不允许使用 Logisim 提供的运算器（如封装好的加法

器、复用器或带译码器的七段数码管）

五、实验小结和思考

1. 遇到的问题

• 二进制表示混淆：起初不清楚如何区分高低位，导致2bit补码范围理解错误（实际范围：-2到1）。

• 减法器设计困惑：不确定1bit减法是否可行（实际可通过补码实现：A - B = A + (~B + 1)）。

2. 解决过程

• 确定高低位定义和补码范围，明确2bit补码最小值为10（-2），最大值为01（1）。

3. 实验收获

• 从真值表推导逻辑表达式（如S = A⊕B⊕Cin）。

• 独立设计加法器、减法器（基于补码）和复用器电路。

• 二进制数的位权概念（低位为2^0，高位为2^1）。
• 减法器本质是“加补码”，统一了加减法硬件设计。