1. 引言
本教程将教你在手摇式计算机的基础上，完成硬布线计算机和冯·诺依曼体系结构的程序存储计算机的搭建：
硬布线计算机： 通过时序电路将固定的控制信号序列固化在硬件逻辑中，使计算机能够自动执行指令，实现从“手动控制”到“硬件自动控制”的跨越。
冯·诺依曼体系结构的程序存储计算机： 将指令以二进制代码预先存储在存储器中，由程序计数器依次取出并执行，真正体现了“存储程序”的核心思想，是现代计算机体系结构的基石。
本教程将使用Logisim Evolution 3.9.0和Logisim 2.7.1两个版本进行演示。
*注：如果出现连线正确却不知道什么原因报错，保存后重新打开即可。
2. 准备工作
在开始搭建之前，请确保你已经准备好以下电路：
RS 触发器版简单运算器（加法）：【Logisim】手动版和RS触发器版简单运算器（加法）的详细教程
8 位 4-16 译码器：【Logisim】2-4，3-8与4-16译码器的详细教程
完成以上准备工作后，你已经拥有了一个结构清晰、组件就绪的项目框架。接下来，我们将在此基础上分别搭建硬布线计算机和冯·诺依曼体系结构的程序存储计算机。
3. 硬布线计算机
硬布线控制器的核心思想是：将加法运算所需的控制信号序列“固化”在时序电路（如 4-16 译码器）中。时钟信号驱动译码器依次输出 16 个节拍，每个节拍对应一组预定的控制信号，自动完成从取数、运算到输出的全部步骤。
3.1 核心原理
步骤整理：经过对RS触发器版简单运算器实验步骤的整理，我们可以得到以下 16 个控制节拍：
打开键盘三态门，允许当前键盘数据进入系统总线（step1=1）
打开显示寄存器，把当前系统总线数据传入数码管（step9=1）；打开进三态门，允许数据进入线路1（step3=1）
关闭显示寄存器（step9=0）；打开数码管显示（step10=1）；打开累加器，把数据寄存到片内总线（step4=1），此时数码管显示“07”
关闭累加器（step4=0）；打开暂存器2，把数据寄存到线路3（step6=1）
关闭暂存器2（step6=0），关闭键盘三态门（step1=0）
打开键盘寄存器三态门，允许键盘寄存器数据进入系统总线（step2=1）
打开显示寄存器，把当前系统总线数据传入数码管（step9=1），打开累加器，把数据存到片内总线（step4=1），此时数码管显示“5C”
关闭显示寄存器（step9=0），关闭累加器（step4=0）
打开暂存器1，把数据寄存到线路2（step5=1）
关闭暂存器1（step5=0），关闭进三态门（step3=0），关闭键盘寄存器三态门（step2=0）
打开传输结果三态门，允许结果数据进入线路1（step7=1）
打开累加器，结果寄存到片内总线（step4=1）
关闭累加器（step4=0），关闭传输结果三态门（step7=0）
打开出三态门，传输结果到总线（step8=1）
打开显示三态门，把当前系统总线数据传入数码管（step9=1），此时数码管显示“63”
关闭显示三态门（step9=0），关闭出三态门（step8=0），关闭数码管显示（step10=0）
控制思路：将这 16 个节拍固化为 16 个控制信号序列。用 4 位计数器依次产生 0~15 的二进制计数值，通过 4-16 译码器将二进制码转换为 16 个独热输出信号，依次激活对应隧道的 RS 触发器的“置1”端或“置0”端，来达到控制目的。
3.2 搭建步骤
新建一个电路，命名为 “Hardwired_Computer”。
把我们的 RS触发器版计算机“HandCrank_RS”复制到这个新电路中。
在 RS 触发器下方水平拉出 16 根导线，作为控制线。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
按上述 16 个节拍，把对应 RS 触发器的“置1”输入端和“置0”输入端依次连接 16 根导线（高位在上，低位在下），一个输入端对应多根控制导线需用或门连接。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
拖拽出一个 4-16 译码器，译码器的输出端分别连接这 16 根导线（高位在上，低位在下）。
从“线路（Wiring）”库拖拽出一个“分线器/分离器（Splitter）”，设置“支路/输出（Fan Out）”和“位宽（Bit Width In）”都为 4，并调整成高位在上，低位在下 。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
分线器/分离器的 4 支路输出端连接译码器的 4 位输入端。
从“存储器（Memory）”库拖拽出一个“计数器（Counter）”，设置“数据位宽（Data Bits）”为 4。
计数器的“输出（Output）”端连接分线器/分离器的 1 支路输入端。
从“线路（Wiring）”库拖拽出一个“时钟（Clock）”，计数器的“时钟”端输入连接这个时钟按钮。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
3.3 成果验证
我们可以尝试计算 5C + 07 = 63 ，步骤如下：
输入并寄存第一个加数：
在键盘中输入“5”和“C”（键盘输入寄存器模块 H5=1，L12=1）
打开键盘寄存器，给它一个上升沿，把这个数据存入寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=1）
关闭键盘寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=0）
输入第二个加数：
在键盘中输入“0”和“7”（键盘输入寄存器模块 H5=0，L12=0，H0=1，L7=1）
启动时钟模拟：
点击顶部菜单栏“模拟（Simulate）” →“启动时钟模拟（Ticks Enabled）” ，可以看到计数器依次激活信号。
结束时钟模拟：
再次点击顶部菜单栏“模拟（Simulate）” →“启动时钟模拟（Ticks Enabled）” ，可以关闭时钟模拟。
4. 冯·诺依曼体系结构的程序存储计算机
冯·诺依曼程序存储控制器的核心思想是：将运算所需的全部控制信号以二进制代码的形式预先写入 ROM，每条代码对应一个时钟周期内的控制信号组合，称为“微指令”。多条微指令按顺序执行，共同完成一条机器指令的操作。计算机启动后，程序计数器（PC）从 0 开始依次递增，逐条取出 ROM 中的微指令并执行，自动完成整个计算过程。
4.1 核心原理
控制思路：观察硬布线计算机的工作过程可以发现，4-16译码器输出的 16 个节拍实际上是“按顺序排列的控制信号序列”。如果我们把这个序列记录下来——即把每个节拍对应的 step1~step10 的组合整理成一条十六进制微指令——就可以将这些微指令预先存入 ROM 中。运行时，计数器依次递增，逐条读取 ROM 中的微指令并执行。这样，控制信号不再来自硬件译码器，而是来自 ROM 中存储的指令，实现了从“硬布线”到“程序存储”的演进。
指令整理：
| 步骤 |
step10 |
step9 |
step8 |
step7 |
step6 |
step5 |
step4 |
step3 |
step2 |
step1 |
指令 |
| 1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
001 |
| 2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
105 |
| 3 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
20d |
| 4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
225 |
| 5 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
204 |
| 6 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
206 |
| 7 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
30e |
| 8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
206 |
| 9 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
216 |
| 10 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
200 |
| 11 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
240 |
| 12 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
248 |
| 13 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
200 |
| 14 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
280 |
| 15 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
380 |
| 16 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
000 |
4.2 搭建步骤
新建一个电路，命名为 “StoredProgram_Computer”。
把我们的硬布线计算机“Hardwired_Computer”复制到这个新电路中。
删除硬布线控制器中的 4-16 译码器，译码器到各控制端的连线和 RS 触发器，仅保留 10 个隧道“step10~step1” 和 1 个计数器及时钟按钮。
从“线路（Wiring）”库拖拽出一个“分线器/分离器（Splitter）”，设置“支路/输出（Fan Out）”和“位宽（Bit Width In）”都为 10。
分线器/分离器的 10 支路输出端依次连接隧道“step1~step10”，注意高位连接高位，低位连接低位（第 9 位连接隧道 step10…第 0 位连接隧道 step1）。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
从“存储器（Memory）”库拖拽出一个“只读存储器（ROM）”，设置“地址位宽（Address Bit Width）”为 4 ，“数据位宽（Data Bit Width）”为 10 。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
只读存储器（ROM）的“数据（Data）”端连接分线器/分离器 1 支路输入端。
只读存储器（ROM）的“地址（Address）”端连接计数器的“输出（Output）”端。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
右键只读存储器，点击“编辑内容（Edit Contents…）”，在表格中依次填写我们刚刚整理的 16 条十六进制指令，填写完后选择“关闭窗口（Close Window）”。
Logisim Evolution： 
Logisim： 
最终结果如下：
Logisim Evolution： 
Logisim： 
4.3 成果验证
我们可以尝试计算 5C + 07 = 63 ，步骤如下：
输入并寄存第一个加数：
在键盘中输入“5”和“C”（键盘输入寄存器模块 H5=1，L12=1）
打开键盘寄存器，给它一个上升沿，把这个数据存入寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=1）
关闭键盘寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=0）
输入第二个加数：
在键盘中输入“0”和“7”（键盘输入寄存器模块 H5=0，L12=0，H0=1，L7=1）
启动时钟模拟：
点击顶部菜单栏“模拟（Simulate）” →“启动时钟模拟（Ticks Enabled）” ，可以看到计数器依次激活信号。
结束时钟模拟：
再次点击顶部菜单栏“模拟（Simulate）” →“启动时钟模拟（Ticks Enabled）” ，可以关闭时钟模拟。
5. 总结
通过本教程的实践，你完成了从固定功能的硬布线计算机到具有“存储程序”能力的冯·诺依曼结构计算机的跨越。
这个简单的模型包含了真实CPU的诸多核心概念：状态机、时钟同步、总线、存储器分层、取指-执行周期。尽管它只能做加法，但其架构思想是通用的。你可以在此基础上继续探索，例如增加更多的指令（减法、移位）、实现条件跳转，甚至引入中断机制，从而让这个Logisim模型变得更加强大和有趣。
希望这次搭建之旅能帮助你夯实计算机组成原理的基础，并激发你进一步探索计算机系统奥秘的兴趣。
