数字电路与计算机组成：从逻辑门到自制 CPU

理解计算机最好的方式，是自己造一台。这份笔记从二进制和逻辑门开始，用 Digital 仿真软件逐步设计出一台能运行汇编程序的简单计算机，最后延伸到总线、引导程序和单片机启动流程。

学习路线

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数字电路基础
    ├── 二进制数据表达
    ├── 基础逻辑门和组合逻辑
    ├── 运算器
    ├── 锁存器、触发器和寄存器
    └── Digital 电路仿真
            ↓
计算机组成原理
    ├── 冯诺依曼模型
    ├── CPU、内存和 I/O
    ├── 程序执行过程
    └── 简单计算机
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设计计算机硬件
    ├── ALU 和计算单元
    ├── 数据存储和指令存储
    ├── 控制信号和控制器
    ├── RAM、PC 和指令寄存器
    └── 取指、译码与执行
            ↓
汇编语言、总线与引导程序
    ├── 自定义指令集和汇编程序
    ├── 总线与地址映射
    └── 引导流程和单片机启动

内容概览

第一章：数字电路基础

• 理解二进制、位（bit）、字节（byte）和数据单位；
• 使用 Digital 仿真软件观察数字电路行为；
• 掌握与门、或门、非门以及其他基础逻辑门；
• 理解 SR 锁存器、D 锁存器和边沿触发 D 触发器，认识寄存器在时序电路中的作用。

第二章：计算机组成原理

• 理解冯诺依曼模型计算机的基本结构、CPU、内存和输入/输出系统的职责；
• 认识程序从存储到执行的基本过程；
• 对比不同计算机体系结构的特点。

第三章：设计计算机硬件

本章以逐步扩展的方式设计一台简单计算机，重点关注数据通路、控制信号和指令执行：

• 实现 ALU 和简单计算单元，使用寄存器实现数据存储；
• 添加指令存储和程序计数器（PC），逐步增加 halt、str、ld、jmp、cmp 和 je 等指令；
• 设计控制器并维护控制信号查找表，将指令存储和数据存储合并为统一 RAM；
• 增加立即数功能和 B 寄存器，通过测试程序验证指令集与硬件电路。

第四章：设计计算机汇编语言

• 根据自定义指令集编写汇编程序；
• 使用加载、加法、跳转、比较和保存等指令组织程序流程；
• 通过求和等示例测试汇编程序在自制计算机上的执行结果。

第五章至第六章：总线与引导程序

• 理解总线的作用、基本组成和地址映射，以及 CPU 如何访问不同的存储和 I/O 设备；
• 理解计算机上电后的引导流程，设计从初始化、加载到跳转执行的启动过程；
• 了解单片机引导流程与通用计算机启动过程的联系。

第七章：常用数字芯片

与门、或门、非门、74HC245N（缓冲器/总线收发器）、74HC138（译码器）和 DS1302（实时时钟芯片）。

指令设计演进

课件中的自制计算机按照以下顺序逐步扩展：

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基础加法与减法
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halt 停机
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str 存储、ld 加载
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逻辑运算与寄存器选择
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jmp 无条件跳转
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cmp 条件比较、je 条件跳转
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统一 RAM 与取指/执行周期
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立即数
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B 寄存器与更完整的指令集
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汇编程序和引导程序

核心概念速查

学习建议

1. 先掌握二进制、逻辑门、真值表和基本时序电路；
2. 使用 Digital 仿真软件跟踪每一个输入、输出和控制信号；
3. 学习 CPU 设计时，分别记录数据通路、控制通路、时钟状态和指令格式；
4. 阅读每条指令时，同时关注操作码、操作数、寄存器变化和内存变化；
5. 从简单指令开始编写测试程序，再逐步验证跳转、立即数、寄存器和 I/O 功能。

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