Логические основы ЭВМ. Разработка симулятора логических схем.

Введение
Учебные заведения радиоэлектронной направленности не всегда могут воспользоваться услугами дорогостоящих экспериментальных лабораторий, в связи с чем в учебном процессе они используют компьютерные программы из инструментария разработчиков электроники, которые позволяют студентам соединить теоретические знания с практическими навыками построения электрических схем, увидеть влияние различных факторов на поведение будущих электронных устройств и научиться разработке этих устройств, в связи с чем работа, цель которой – разработка симулятора логических схем с образовательной целью, является актуальной.
Объектом исследования является симулятор логических схем, а предметом – методические рекомендации по его созданию и применению.
Для достижения поставленной цели в исследовании были сформулированы следующие задачи:
- определить особенности задач на тему «логические схемы»;
- охарактеризовать моделирование и вычислительный эксперимент;
- исследовать моделирование логических схем;
- проанализировать инструменты симуляции;
- привести реализацию симулятора логических схем.
Материалом исследования послужили учебные пособия по логическим основам ЭВМ Таненбаума Э. , Кагана Б.М. , Калиш Г.Г. и др., а также по разработке симулятора логических схем Ксензика А.В. , Леонова А. П. и др. Кроме того, были использованы онлайн-источники программного обеспечения для создания онлайн- симуляторов.
Теоретическая значимость исследования состоит в возможности применять полученные результате в теории анализа и симуляции логических схем с привлечением современных онлайн-инструментов.
Практическая значимость исследования состоит в возможности применения практики разработки симулятора логических схем с применением Multisim в других конструкторах программ-симуляторов.
Методами исследования послужили метод наблюдения и анализа.
Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

 
Глава 1 Теоретические основы разработки симулятора логических схем
1.1. Особенности задач на тему «логические схемы»
Логические схемы реализуются на логических элементах: "НЕ", "И", "ИЛИ", "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ", "Исключающее ИЛИ" и "Эквивалентность". Первые три логических элемента позволяют реализовать любую, сколь угодно сложную логическую функцию в булевом базисе .

Рисунок 1 Логические элементы в разных стандартах

Для обозначения логических элементов используется несколько стандартов. Наиболее распространёнными являются американский (ANSI), европейский (DIN), международный (IEC) и российский (ГОСТ). На рисунке ниже приведены обозначения логических элементов в этих стандартах (для увеличения можно нажать на рисунок левой кнопкой мыши).
Задачи на логические схемы бывают двух видов: задача синтеза логических схемы и задачи анализа логических схем.
При этом задача анализа заключается в определении функции f, реализуемой заданной логической схемой. При решении такой задачи удобно придерживаться следующей последовательности действий.
В свою очередь задача синтеза логических схем в булевом базисе это- разработка логической схемы по её аналитическому описанию имеет название задачи синтеза логической схемы.
Чаще всего в связи с построением логических схем рассматриваются функции алгебры логики:
-трёх переменных
-четырёх переменных
Каждой дизъюнкции (логической сумме) соответствует элемент "ИЛИ", число входов которого определяется количеством переменных в дизъюнкции.
Каждой конъюнкции (логическому произведению) соответствует элемент "И", число входов которого определяется количеством переменных в конъюнкции.
Каждому отрицанию (инверсии) соответствует элемент "НЕ".
Часто разработка логической схемы начинается с определения логической функции, которую должна реализовать логическая схемы. В этом случае дана только таблица истинности логической схемы.
Логическая схема разбивается на ярусы. Ярусам присваиваются последовательные номера.
Выводы каждого логического элемента обозначаются названием искомой функции, снабжённым цифровым индексом, где первая цифра - номер яруса, а остальные цифры - порядковый номер элемента в ярусе.

Заключение
В исследовании проанализированы особенности задач на тему логические схемы.
Отмечено, что задачи на логические схемы бывают двух видов: задача синтеза логических схемы и задачи анализа логических схем. Перечислены основные положения алгебры логики, которые требуются при анализе и синтезе логических схем.
Приведены основные идеи моделирования и этапы вычислительного эксперимента.
Показано, что моделирование электронных схем использует математические модели для воспроизведения поведения реального электронного устройства или схемы. Само программное обеспечение для моделирования позволяет моделировать работу схемы и является бесценным инструментом анализа.
В исследовании также перечислены основные инструменты для реализации симуляторов, в том числе, логических схем. Показаны недостатки и преимущества каждого из них. Выбор остановился на программе Multisim прежде всего из-за ее легкости в работе для студентов и преподавателей.
Перечислены этапы создания симулятора. Отмечено, что после того, как симулятор построен, можно «перетащить» из библиотеки Misc Digital\TIL на рабочее поле среды Multisim необходимые логические элементы и собрать схему, реализация которой необходима для учебных целей.