自制计算机 | 小菜学编程

本专栏的灵感来自一本很有名的书——《编码，隐匿在计算机软件硬件背后的语言》：

这本书从最简单的串、并联电路谈起，逐步讲解逻辑门、加法器、振荡器、存储器的实现原理，最后拼成一副完整的计算机运行画面。还记得那一幅幅插图引人入胜，将计算机神秘面纱一一揭开，令我豁然开朗。

不得不说，相见恨晚！

某一天，笔者突然萌发一个新想法——何不将这经典进一步演绎，让它变得更加有趣！

动画

动画方面，笔者已选好技术方案，主要采用 React 和 SVG 来实现，效果大致如下：

这是一个最简单的例子，通过串联电路来实现 布尔与运算 ：两个开关要同时闭合，灯泡才会亮。动画中的开关可通过鼠标点击控制开闭，动手点点看吧！

硬件方面，思路还没完全确定。初步想法是先买面包板、继电器和一些线缆来制造逻辑门：

然后通过组合逻辑门来实现更复杂的电路，比如加法器。为了保持简单，这时不会使用原始的继电器逻辑门，我会选择一些逻辑门芯片来完成：

引入成熟的集成电路芯片，一方面可以大大降低器件体积，另一方面也可以降低制作难度，同时提高可靠性。我们的目的只是为了在实验中体会计算机的工作原理，没必要事事躬亲。

同理，加法器也只是计算机中的一个最基本元器件，后续也会选用一个成熟的芯片，来替代逻辑门电路。这有点像编程中的函数调用，同样的逻辑实现过一遍就行了，后续需要时直接调用！

笔者并非硬件出身，对这些其实不太熟悉。小伙伴们如果有什么好建议，请不吝赐教！

串、并联电路只是一个引子，并不适合用来制作逻辑门，使用继电器更合适：

这个动画是与门电路，由两个串联的继电器来实现。除了与门，我们还会实现：

通过组合若干逻辑门，我们可以实现更复杂的运算电路。例如，计算两个二进制位的和：

通过一个异或门和一个与门，我们实现了一个计算两个二进制位和的电路，称为 一位半加器 。它接受两个二进制位作为输入，输出它们的和，以及进位输出。

进行二进制加法运算时，结果还得加上更低一位的进位，这超出半加器的能力。不过我们可以组合两个半加器，来实现一位全加器。全加器比半加器多一个输入，也就是前一位的进位输入。

随后，我们又可以通过串联 n 个一位全加器，来实现 n 位加法器。编程语言中的加法运算符 + ，便可以由我们的加法器来负责运算，想想都兴奋呢！

最后，我们还会研究负数的表示方法，特别是二的补码。这种表示方法虽然不好理解，却有一个特别突出的好处：它可以让减法转换成加法，并由加法器来执行。

$a - b$ 等价于 $a + (-b)$ ，即先将 b 取负，再加起来算两者之和。

借助反馈思想，将输出连回输入，我们可以设计一个很神奇的电路：

这个电路由两个 或非门 构成，有两个输入和两个输出，其中两个输出的值永远相反。

这个电路的神奇之处在于：它可以记住当前的状态。因此，我们是不是可以用它来保存数据呢？

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