【自学嵌入式：计算机组成原理】2. 学习步骤

2. 学习步骤

一、什么是计算机

计算机是一种能够对输入信息进行处理、存储与输出的计算设备，其核心功能围绕数据运算与逻辑控制展开。

1946年2月14日，世界上第一台数字计算机ENIAC（电子数值积分计算机）诞生于美国宾夕法尼亚大学。作为现代计算机的雏形，ENIAC通过硬件电路直接执行数值计算，标志着人类社会从“机械计算时代”步入“电子信息化时代”。

二、CPU-中央处理器

（一）核心地位与作用

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机系统的核心控制部件，类比人类“大脑”的角色。它负责：

• 从内存中读取指令并解析（译码）；
• 调度运算单元执行数据处理（如算术运算、逻辑判断）；
• 协调内存、外设（如键盘、显示器）的协同工作，保障系统指令流的有序执行。

（二）发展历程：工艺演进与原理传承

近70年里，CPU的物理形态与制造工艺发生了革命性变化，但底层工作原理（指令执行流程、运算逻辑）始终保持核心一致性：

阶段	典型代表（如ENIAC的运算单元）	现代CPU（如苹果M2处理器）
物理形态	依赖电子管、继电器与大量布线，体积庞大	基于超大规模集成电路，集成数十亿晶体管于微小芯片
核心能力	仅支持基础数值计算（如加减乘除）	支持复杂指令集、并行计算与人工智能加速
底层原理	指令读取→译码→执行的基本流程	延续“存储程序”与“指令周期”的冯·诺依曼体系

三、自己动手设计计算机

（一）学习逻辑：从CPU设计理解核心原理

计算机系统的复杂性源于“硬件-软件”的深度协同。通过设计并实现简易CPU，可直观掌握以下核心逻辑：

• 硬件层面：电路如何通过二进制逻辑（0/1）实现运算与控制；
• 软件层面：指令集如何定义“硬件能执行的操作”，汇编器如何将“人类可读指令”转换为“机器可执行代码”。

（二）关键概念：图灵完备

课程目标是构建一个图灵完备的8位CPU系统。其定义为：
若一个计算系统能模拟“图灵机”的全部计算能力（即支持无限存储、条件分支、循环执行等逻辑），则称其为“图灵完备”。简单来说，图灵完备的系统可通过编程实现任何可计算的算法（如数学运算、数据排序、逻辑推理等）。

本课程的8位CPU满足以下图灵完备条件：

• 支持条件判断指令（如分支跳转）；
• 支持循环执行逻辑（通过指令重复实现）；
• 具备数据存储与读写能力（通过内存与寄存器实现）。

（三）实践路径

1. 虚拟仿真（低门槛入门）：
   使用电路仿真软件（如Logisim、Digital），通过“拖拽逻辑门、连线、编写汇编代码”模拟CPU与外设的协同工作。无需实体硬件，即可验证：

   • 逻辑电路如何实现加法、减法等运算；
   • 指令如何从“汇编代码”转换为“机器码”并执行。

2. 物理实现（高阶拓展）：
   若具备硬件条件，可通过以下方式落地设计：

   • 基于FPGA开发板（如Altera、Xilinx平台），将电路设计转化为硬件配置文件，直接在芯片上运行；
   • 使用分立逻辑器件（如74系列芯片），通过焊接、布线搭建实体电路，完整复现“从原理图到物理计算机”的过程。

通过“理论拆解→虚拟验证→物理实现”的分层实践，学习者可建立从“二进制电路”到“完整计算机系统”的完整认知，理解硬件设计与软件编程的底层关联。