Logisim 使用教程

Logisim 是一种用于设计和仿真数字逻辑电路的教学仿真工具。其特点包括：操作简单，界面直观，通过简单的鼠标拖拽连线即可完成数字电路设计和仿真，子电路封装功可以让用户更可以方便地构建更大规模的数字电路。因此，可以使用 Logisim 来设计和仿真用于相关课程的硬件电路，达到教学的目的。

本学期的实验中，Logisim 将不作为必修的实验内容出现，但我们依然鼓励大家学习如何使用 Logisim。它以一种非常直观的方式展现了数字电路的设计与功能，为学习数电以及后续的硬件课程奠定了良好的基础。

你可以通过多种渠道使用 Logisim。

如果想在自己的电脑上搭建 Logisim 实验环境，可在 Vlab 平台下载与用户操作系统相匹配的 jre 软件和 Logisim。步骤如下：进入 Vlab 首页，依次点击使用文档 \(\rightarrow\) 资源下载即可进入如图所示的下载界面。也可以直接点击链接跳转。

Vlab 资源下载界面

如果选择在实验室的机房进行实验，可以在实验室机房内电脑上加载硬件实验模板，即可直接获取 Logisim 环境。

如果想使用我们提供的在线环境，可以在 Vlab 平台（ 选择统一身份认证登录）的虚拟机管理目录下新建一个支持图形界面的 ubuntu 环境，上面已经预装了 Logisim。

如果你想阅读更多有关信息，欢迎访问 Logisim 官方网站与官方资源下载站。

Logisim 基于 Java 环境，在安装了 Java 运行环境的电脑上都可以正常使用。同样地，你可以在 Vlab 平台上获取 Java 的有关资源。 由于篇幅有限，大家可以参考这篇博客中的相关内容或其他教程进行下载与安装。

安装完毕后，便可双击 Logisim 可执行文件启动 Logisim 工具。你将看到下图所示的主界面：

Logisim 主界面包括 5 大部分：菜单栏、工具栏、管理窗、属性表以及画布。

画布区域是用户绘制电路的窗口，也是我们最经常使用的区域。

管理窗口提供所有的基本组件，以文件夹目录形式显示。其中第一个目录为用户目录。用户所设计的电路都显示在这一级目录下，用户可在该文件夹目录上单击鼠标右键，选择 Add Circuit 添加新的电路设计。

属性表为当前选中组件的基本属性，用户可以根据需要修改其属性参数，如大小、端口数目、方向等。

菜单栏中除打开关闭文件等基本操作外，其它功能我们可以暂不了解，等需要用到的时候再深入研究。

工具栏是最为常用的部分，因此我们单独进行介绍。下图所示的工具栏包括四大类组件。其中：

红色框中包括三种工具。左侧的手形工具为操作模式按钮，用于改变电路中选定组件的值；中间的箭头工具为编辑模式按钮，用于编辑组件或者添加电路；右侧的文本工具（字母 A）用于在电路中添加文字描述。

绿色框中为几种常用基本电路组件的快捷方式，从左到右分别为输入引脚、输出引脚、非门、与门和或门。这几种组件也可以在管理窗口内找到。

深蓝色框中的按钮用于切换左侧管理窗的显示内容，扳手工具用于显示工程电路和库文件，树状结构用于显示仿真电路的层次结构。

浅蓝色框中的按钮用于切换查看电路结构和模块封装结构。

在打开 Logisim 后，程序会默认创建新电路窗口，我们便可以在这里进行电路图的绘制。任何时候按下 Ctrl+S 即可快速保存当前电路图（文件扩展名为 .circ）。

单击左上角的 File 菜单，即可展开更多文件相关的选项。

接下来我们将尝试绘制一个基本的非门电路。首先，单击工具栏中的输入引脚， 移动（不是拖动）鼠标到窗口界面中，再次单击将其放下。输出引脚的操作同理。

如图所示，方形的为输入引脚，用户可以在操作模式下通过单击更改其输入的值；圆形的为输出引脚，用于显示当前电路的输出结果。由于此时输出引脚并没有被连接到电路中，因此输出为蓝色的 X（即不确定值）。

为了让输出引脚输出确定的结果，我们可以将其与输入引脚直接相连。在编辑模式下，鼠标悬停在输入引脚的绿色标记点上，待出现标记后按住左键，拖动鼠标，松开后即可绘制连线。连线可以分支、转弯等。

如果你发现连线位置错误，或者出现了多余的连线，可以通过 Ctrl+Z 撤销上一步操作，或单击选中连线并按下 Delete 键以将其删除。此外，你还可以沿着连线拖动它的一个端点以『扩展』或『缩短』连线。

现在我们的输出引脚已经可以正确输出了，它时刻输出与输入引脚相同的结果。你可以在操作模式下单击输入引脚，观察输出引脚的结果变化。

为了得到我们想要的非门，我们可以使用 Logisim 提供的非门组件。如图所示，在管理窗格的 Gates 文件夹下选中 NOT Gate，通过与输入输出引脚相同的操作插入到窗口中。这样，一个最简单的非门就搭建好了！

除了管理窗格，我们也可以在上方工具栏，即输入输出引脚的旁边选中非门进行绘制。

那么如何画一个竖着的非门呢？首先，我们需要调整器件的方向。在编辑模式下点击输入引脚，在左侧的属性表中将 Facing 属性改为 South。此时输入端口就朝向了下方。

同样地，非门和输出引脚也可以调整方向。最终我们就得到了下图所示的竖着的非门。

除了基础的非门电路，大家可以自行了解：按钮、LED、输入管脚、输出管脚、多位宽信号、探针、分线器、基本逻辑门等各类组件的作用与使用效果，以及不同颜色的线缆所代表的含义。

此外，Logisim 所支持的组件都可以在管理窗内的各个文件夹里面找到。每个组件都有其对应的参数，用户可根据需要进行修改。

关于各组件的具体功能及使用方法，用户可自行体验。如有问题，可查阅菜单栏 Help 下的 Tutorial 和 User's Guide 等文档,里面对 Logisim 的使用方法、功能特性以及各组件的使用都有非常详尽的说明。

对于数字电路的初学者来说，可以先学习 Logisim 中组合逻辑相关的组件，时序逻辑相关的组件可在具备了相关的知识储备后进行，这样会相对轻松一些。

每个 Logisim 项目实际上都是一个电路库。在最简单的情况下，每个项目只有一个电路（默认情况下为 main）。面对更为复杂的电路设计时，我们可以使用多个电路文件（也就是模块）共同实现，每一个子电路只负责一部分特定的功能。

在 Logisim 中，新建一个新的电路文件命名为 Add，并绘制电路结构，参考下图完成一位半加器的设计。

上面所示的电路为啥就是一位半加器呢？我们可以从逻辑表达式入手。一位半加器的逻辑表达式为

\(\text{Sum}=a\ \text{XOR}\ b\)

\(\text{Cout}=a\ \text{AND}\ b\)

（如果你不清楚上面的式子是如何得到的，可以列出真值表进行推算）

不难发现，电路图中的异或门和与门恰好与逻辑表达式相对应。

你可能会发现自己放置的异或门与图中的不太一致，此时可以单击选中异或门，在左下方的属性表中修改该异或门的属性，例如输入端口数目、大小、朝向、标签名等。

在电路处于打开状态时（画布区域显示该电路结构，且管理窗口中该电路图标上有一个放大镜标志），点击工具栏中的编辑电路封装图标（下图中的红色框），进入电路封装编辑页面。你可以修改电路的边框形状及大小、端口位置、名称等。下面是一些关键的元素：

上方的工具栏是一些可用的电路封装工具，它们的介绍如下图所示：

下面是一位半加器的模块封装参考：

如上图所示修改电路封装样式，并对管脚添加文字注释。完成电路封装编辑后保存，即可在其它电路文件中使用该模块。你可以在管理窗格中直接点击所需的模块，移动鼠标到画布中，即可得到该模块的一个副本。例如，我们可以按照下图的方式用两个一位半加器搭建一位全加器。

同样地，我们也可以对一位全加器进行封装，在另一个电路文件中以此为基础搭建 32bits 位宽的全加器。

在硬件电路中，模块可以嵌套调用（A 调用 B，B 又调用 C），但不能循环调用（A 调用 B，B 又调用 A）或递归调用（模块调用自身）。

休息一会儿

本部分内容到此结束！你理解了多少呢？

参考资料