实验一 汉字编码与校验设计实验

这次实验利用logisim进行设计，进行了以下这四个实验，其中分为汉字国标码转区位码实验、汉字机内码获取实验、海明编码电路设计与海明解码，实验报告分为四个部分，在这四个部分中依次对四个实验的方案设计，设计思路进行了介绍

1 汉字国标码转区位码实验

1.1设计要求

这个实验基于logisim软件进行设计，实验要求在对应电路中完成国标码转区位码的子电路设计，当汉字显示能够正确显示“华”，说明实验正确。

1.2方案设计

1.2.1 设计思路

国标码GB2312采用了94×94=8836的二维矩阵对字符中的所有汉字字符进行编码，，采用十进制表示，所有字符都在矩阵中有唯一位置，这个位置可以用区号和位号组合表示，称为汉字的区位码，他们可以互相转换：区位码+A0A0H=GB2312，所以区位码=GB2312-A0A0H，由此可以得出设计思路，实验要求用加法器实现，并且输出区号和位号，因此对于输入端的另一个输入应该为A0A0H变补后的字节。

1.2.2 设计原理

通过上面的设计思路，我们可以完成下面电路的设计，输入端的另一个输入为A0A0H变补后的字节，可以直接用DEF0来作为A0A0H通过求补器送到输入端的字节，因为A0A0变补后是5F60H，两个字节最高位都+1，就是DFE0。但最高位在取区位码的时候没有使用（区号和位号最高位永远是0）区号位号最大都是94，7位二进制编码即可，最高位无用，因此效果一样。并且直接填def0的话，实验设计较将A0A0H求补相比，更为简单

1.2.3 实验图片

使用上面的设计思路与设计原理来进行电路的连接，这题连接其实较为简单

图1.1 2020051041 初始图片

图 1.2 2020051041 总体结构图

1.3实验步骤

1. 实验文件data.circ与GB2312ROM.circ需要先放在同一个目录下，因为实验中调用了B2312ROM.circ的电路，不放在一起的话，会出现测评错误：系统提示找不到GB2312ROM.CIRC
2. 将实验初始的元器件进行正确的连接，位号与区号，连接在输出端，GB2312连接在输入端
3. 在输入端连接一个常量def0，常量不能输入十六进制数，因为常量默认输入十进制，所以需要增加0x开头
   

图1.3 2020051041 常量改后的值

1.4故障与调试

1.4.1接口位宽不匹配

故障现象：数据位宽不匹配

图 1.4 错误处截图
原因分析：，开始直接在输入端连的常量，数据位宽为1，和接口数据不匹配，需要进行修改
解决方案：将此常量的数据位宽改为16，并且值改为0xdef

1.5 测评结果

图1.5 代码与电路在头歌平台进行测评，结果正确

2 汉字机内码获取实验

2.1设计要求

使用logisim软件，在电路中的ROM存储器中存入题目所给的指定句子，该电路中计数器用于自动生成存放汉字 GB2312 编码的 ROM 组件的地址序列，启用时钟自动仿真后，右侧的 LED 矩阵区域会依次显示ROM中的事先预存的汉字内容

2.2方案设计

2.2.1 设计思路

这题的要求是，将“１２３４５ＡＢＣＤＥＦＧａｂｃｄｅｆｇ轻轻的我走了，正如我轻轻的来；我轻轻的招手，作别西天的云彩。那河畔的金柳，是夕阳中的新娘；波光里的艳影，在我的心头荡漾”的汉字转为机内码，这一块可以用网上在线的工具进行转码，然后对只读存储器进行编辑，其他部分都不需要进行改动，实验还是较为简单的

2.2.2 设计原理

有时汉字信息如果不进行特别标识，会与单字节的ASCII码混淆，因此解决方法之一是将一个汉字会被看成两个括展的ASCII码，使表示GB2312汉字的两个字节最高位都为1，这种高位为1的双字节汉字编码即为机内码。因此其实GB2312的汉字可以直接被机内码表示，使得这题的实验其实最重要的就在于汉字转为机内码的那一步，而并且有一关键点为每一个时钟，要正确实现一个汉字，原理还包括将数据存入ROM存储器中

2.2.3 实验图片

图2.1 2020051041 初始图片

图2.2 2020051041 转码

图2.3 2020051041 存储位置

图2.4 2020051041 在存储器中存储的机内码

图2.5 2020051041 成功运行

2.3实验步骤

1）先确认上一个实验正确完成，因为两个实验环环相扣，汉字机内码获取实验，是基于汉字国标码转区位码的实验进行的
2）将题目要求转换的字码复制，通过在线编译软件进行转码
3）复制第二步所获得阶码，将其粘贴到可读存储器中，并进行保存
4）保存成功后，点击时钟按钮进行测评

2.4故障与调试

2.4.1 结果输出不正确

故障现象：在对可读存储器中进行数据编辑后，点击时间按钮进行仿真，右侧LED矩阵无法正确显示实验结果

图2.6 2020051041 右侧LED矩阵没有正确输出

原因分析：再次检查本次实验页面，发现并没有问题出现，由此可得，问题可能出现在之前的实验当中，后面发现的确是第一个实验当中，存在问题，使得基于第一个实验的本次实验无法正常运行
解决方案：将第一题问题解决（问题为：接口数据不匹配），改正完之后，实验正确

2.4.2 数据结果输出太快

故障现象：不需要点击时钟信号，LED矩阵自己会跳动，输出正确结果，但输出频率太快

图2.7 2020051041 调为时间连续后，矩阵变化太快

图2.8 2020051041 如何调节时间频率大小

原因分析：当时自己调节电路仿真模块为时钟连续，可能频率调节过于大，使得输出速度过快
解决方案：其实采用电路自动仿真，将时钟调为连续的话，的确会比较方便，因为这样就不需要自己点击时钟信号了，可以直接看到LED矩阵的变化，但是需要将时间频率调好

2.5 测评结果

在进行改进后，系统能够正常运行，并且LED矩阵自动改变不会过于快，速度适中。

图2.9 2020051041 正常运行

图2.10 2020051041 头歌测评通过

3 海明编码电路设计

3.1设计要求

要求掌握海明编码的原理与设计，了解如何其编码的原理，以及如何进行分组，还需要认识到校验位的逻辑思路，完成最终电路的设计与运行

3.2方案设计

3.2.1 设计思路

首先先要了解到实验的原理，了解其是如何分组的，设计出22位的海明编码（16位原始数据+5位海明检验位+1位总的奇偶校验位），然后对题目所给出的海明码进行分组，之后对于分组完成的电路进行连接，连接完成后便可以进行运行

3.2.2 设计原理

1） 编码原理

实验要求设计出22位的海明编码（16位原始数据+5位海明检验位+1位总的奇偶校验位），但其只给出了16位的原始数据，因此只需要设计出五位海明校验位的电路与总奇偶校验位的电路，便可以实现编码这个过程

2） 分组原理

那么五位海明校验码是如何实现的呢，首先就要了解如何计算五位海明校验位
K+n<=2^{t-1，此时k=16，r=5（有五位校验位），因此总的数据位数有16+5+1=22位。设此时校验位为Pi（i=1，2，3，4，5），分别位于22位数据的第2}（i-1）的位置上，故分别位于第1，2，4，8，16位上。
而对于这个校验码分完后的答案是什么呢
B1:P1,P2(3=1+2)
B2:P1,P3(5=1+4)
B3:P2,P3
B4:P1,P2,P4
B5:P1,P4
B6:P2,P4
B7:P1,P2,P4
B8:P3,P4
B9:P1,P3,P4
B10:P2,P3,P4
B11:P1,P2,P3,P4
B12:P1,P5
B13:P2,P5
B14:P1,P2,P5
B15:P3,P5
B16:P1,P3,P5

图3.1 2020051041 自己做的记录

图3.2 2020051041 全22位海明码

3） 校验位逻辑与电路设计

图3.3 2020051041 分组后结果

3.2.3 实验图片

图3.4 2020051041 实验引脚设计

图3.4 2020051041 实验画图

3.3实验步骤

1）先对16位原始数据进行分组，设置五位的海明校验位和1位总的奇偶校验位，之后进行集合
2）对其进行分组集合后的P1-P5进行连接，然后再对所有的数据进行连接，获得总奇偶校验码
3）连接完成后，运行电路

3.4故障与调试

3.4.1 结果输出不正确

故障现象：输出极其奇怪，就不只什么0，1；还有E这种输出

图3.5 2020051041 输出结果

原因分析：再次检查本次实验页面，发现并没有问题出现，再和老师交流之后，发现可能是输出引脚在编辑时，一不小心改装了引脚，使得结果输出变得奇怪，此错误和电路连接设计那一块没有相关问题
解决方案：全部重装一次，等于重做，之后答案输出正确

3.5 测评结果

改正问题后，实验输出正确，并且能够在头歌网上正确运行

图3.5 2020051041 头歌评测结果

4 海明解码电路设计

4.1设计要求

实验要求我们对22位海明编码进行解码成原来的16位，且判断是否出错，有一位错，两位错，还有无错。对于发生错误的地方，我们需要对其要进行纠正。使得最后输出结果正确

4.2方案设计

4.2.1 设计思路

对于此题，我们需要先了解海明码的解码原理，例如检错码是如何设计并且进行分组的，而检错码又有什么作用，错误逻辑和纠错原理是什么，我们在了解到上面的原理之后，还需要运用上述原理，然后对于电路进行设计，使得可以完成题目要求的内容，通过头歌网的测试

4.2.2 设计原理

1. 检错码原理与作用
   检错码：一种编码。指在传输过程中发生错误后，在接收端能自动检查并发现错误的编码。
   海明码的检错、纠错基本思想是将有效信息按某种规律分成若干组，每组安排一个校验位进行奇偶性测试，然后产生多位检测信息，并从中得出具体的出错位置，最后通过对错误位取反（也是原来是1就变成0，原来是0就变成1）来将其纠正。
   要采用海明码纠错，需要按以下步骤来进行：
   计算校验位数，确定校验码位置，确定校验码，实现校验和纠错
   而对于这道题来说，我们在上一个实验，也就是编码实验中已经标注好了数据位与检错位，因此只需要分组就ok
   

图4.1 2020051041 分组成果

2. 错误逻辑原理与设计
   根据刚检错码的设计原理，当G1G2G3G4G5=0，G6=0时，表示数据没有出错
   当G5G4G3G2G1!=0，G6=1时，表示发生一位数据出错
   当G5G4G3G2G1=0，G6=1,表示该奇偶校验位出错，即发生一位出错
   当G5G4G3G2G1!=0，G6=0,表示发生两位数据出错

4.2.3 实验图片

图4.2 2020051041 题目要求输出输入引脚

图4.3 2020051041 题目要求提示

图4.4 2020051041 电路连接

图4.5 2020051041 电路连接

4.3实验步骤

1）根据上一个实验的基础，将G21G2G3G4G5G6进行分组，检查分组正确后，对其电路进行连接
2）连接完成后，进行测评，不只是分组电路需要连接，其实更为重要的是检错电路
3）检查完成后，用头歌网进行测评

4.4故障与调试

4.4.1 结果输出不正确

故障现象：输出结构及其奇怪，类似于上题的错误
原因分析：再次检查本次实验页面，发现并没有问题出现，再和老师交流之后，发现可能是输出引脚在编辑时，一不小心改装了引脚，使得结果输出变得奇怪，此错误和电路连接设计那一块没有相关问题，错误原因也和上题一样
解决方案：全部重装一次，等于重做，之后答案输出正确

4.4.1 位宽不匹配

故障现象： 位宽不匹配，无法正常运行

图4.5 2020051041 错误图片

原因分析：位宽可能设定错误，重新再设一遍
解决方案：将连线出数据位改完后，答案正确
4.5 测评结果
改正问题后，实验输出正确，并且能够在头歌网上正确运行

图4.6 2020051041 头歌测评结果