制作一个能够执行指令的计算机

首先，让我们先做一个最简单的计算机，这个计算机完成的功能就是让“十六进制数码管”无限循环的从9倒计时显示到0，每隔一个时钟周期变换一个数字。如下图所示，这个简单的计算机主要由1个4位“触发器”和1个4位输入8位输出“只读存储器（ROM）”组成。ROM输出数据的低4位连接到“触发器”的输入端，ROM输出数据的高4位连接到“十六进制数码管”。

我们先来看看这个“只读存储器（ROM）”存放的是什么数据？如果你比较熟悉Logisim软件的话，那么你可能已经通过图中的“只读存储器（ROM）”界面上看出来存放了什么数据。但是，为了更加直观的观察数据，我把它整理成了一份表格，如下图所示（表格中D0~D7指的是ROM输出端从上至下的第0位到第7位）。

地址	D3~D0	D7~D4	十六进制
0000	0001	1001	0x91
0001	0010	1000	0x82
0010	0011	0111	0x73
0011	0100	0110	0x64
0100	0101	0101	0x55
0101	0110	0100	0x46
0110	0111	0011	0x37
0111	1000	0010	0x28
1000	1001	0001	0x19
1001	0000	0000	0x00

上图表格中，地址列表示的是数据D7~D0存放到ROM的哪个地址，D3~D0表示的是所存数据的低4位，D7~D4表示的是所存数据的高4位。现在我们来逐步分析下它是如何驱动“十六进制数码管”完成一个从9到0的倒计时功能的。

1. 首先，我们先看看电路首次通电的情况，“时钟信号发生器”默认输出0，由于“触发器”接收不到0变1的控制信号就会维持默认数据，这里我们电路刚通电后，触发器的默认值是0。所以“只读存储器”地址传入0，输出数据为0x91，即二进制的10010001。其中高4位D7~D4为1001，它被传给“十六进制数码管”，因而数码管显示“9”。“只读存储器”输出的低4位D3~D0为0001，它被传给了“触发器”的数据输入端。

2. 当“时钟信号发生器”由0变1后，“触发器”数据输入端的0001被重新保存下来，并输出0001。此刻我们再看“只读存储器”，因为它的址变成了0001，所以它输出数据为0x82，即二进制的10000010。我们知道“十六进制数码管”显示的内容就是“只读存储器”输出数据的高4位，所以此刻“十六进制数码管”显示8，即二进制的1000。“只读存储器”输出的低4位0010再次被传给了“触发器”的数据输入端。

3. 重复第2步。这样我们就实现了“十六进制数码管”从9到0的倒计时的功能！需要注意的是，当“只读存储器”变成1001时，“只读存储器”输出的低4位D3~D0为0000，整个系统又回到了初始状态，即从头循环再来。

说到这里，我们来重新定义几个概念。我们后面用来存储数据的元件主要就是由多位“触发器”来实现的，从使用功能的角度来说，我们也可以称它为“寄存器”。当然寄存器也可以由多位“锁存器”组成，在本书教程里我们主要使用“触发器”来保存数据。另外，“只读存储器”里面的数据我们也可以起个新的名字，叫做“指令”，每一条数据都是一条“指令”。这个计算机就是在指令的控制下完成了“十六进制数码管”倒计时显示数字的功能。注意，在之前的章节我们都是使用鼠标不停的点击“时钟信号发生器”来进行高低电平的切换，其实Logisim软件已经为我们提供了自动切换高低电平的功能，只需在软件的菜单栏点下即可，同时还可以选择高低电平的切换频率。

再回头看这个简单的计算机系统，ROM存放了一堆指令，指令的低4位D3~D0用来控制指令的执行顺序，高4位D7~D4用来控制各种外部的输出状态。而“时钟信号发生器”就像是整个计算机的心脏，每产生一次高低电平就犹如心脏跳动一次，心脏跳动的速度越快，计算机运行的速度也就越快。如果我们想提高这台计算机的运行速度，那么只需要提高“时钟信号发生器”的频率即可。到此，你有没有联想到什么？你是不是在购买电脑或手机的时候，会挑选CPU主频更高一点电脑，因为这种电脑运行速度更快，而这里的CPU主频指的就是电脑的心跳频率，就像这个“时钟信号发生器”一样。