設計一個 CPU

本課程適合想了解電腦工作原理的人，將介紹如何設計和模擬 8 位元CPU，創建指令集、組合語言、ASSEMBLER和DEBUGGER，並添加78種不同語言的字幕。課程中將構建指令集，包括FETCH EXECUTE Cycle、ALU Instructions、LOAD and STORE Instructions、DATA Instruction、JUMP REGISTER Instruction、JUMP ADDRESS Instruction、JUMP IF Instruction 和 CLEAR FLAGS Instruction。

從這 8 小時的課程，你會學到

設計和仿真 8 位元 CPU
創建自己的指令集
創建你自己的組合語言
在 EXCEL 中創建自己的 ASSEMBLER
在 EXCEL VBA 中創建自己的組合語言 DEBUGGER
編寫自己的組合語言程式
簡而言之，“如果你想了解電腦(計算機)的工作原理，請參加本課程！！！”
沒錯，“如果你真的想知道電腦是如何工作的，那就參加這個課程吧！！！”
添加了 78 種不同語言的字幕( 包含繁簡中 )

要求

你需要一台電腦。此外，我還推荐一本名為 ButHowDoItKnow 的書，即 J. Clark Scott 的《人人電腦基本原理》。

課程說明

如果你想了解電腦的工作原理，那麼本課程適合你。我設計了一個簡單的 CPU（中央處理器），它是現代電腦的跳動心臟。我在一個名為 Logisim 的在線工具中設計和模擬 CPU 的每個模塊。你可以下載該工具並在自己的電腦上模擬 CPU，或者如果你願意，可以複製我的模擬檔案並將它們加載到工具中並模擬你在教學影片中學到的內容，或者只是觀看影片（由你決定）。

我添加了 78 種不同語言的字幕。如果你的語言不在其中，請與我聯繫，我會添加它。如果你不是以英語為母語的人，請嘗試字幕並以 0.75 倍的速度播放視頻。

首先，我們下載名為 LOGISIM 的免費設計工具，我們在其中設計和模擬我們的 CPU，並查看該工具並展示它是如何工作的。然後樂趣就開始了。我們設計並模擬了以下模塊

Simple logic gates
1 bit memory cell
8 bit memory cell
8 bit register
Decoder
RAM (Random Access Memory)
ALU (Arithmetic Logic Unit)
Clock

然後我們從我們的辛勤工作中休息一下（pheeewww!!!）並提出問題，’電腦可以回答生命宇宙和萬物的問題嗎？ ‘ 我們看看電腦背後的一些想法 , 以及它能做什麼 , 更重要的是不能做什麼 ! 我們將在接下來的兩個視頻中回答這個問題。

Algorithms
Turing Machines

在這個短暫的休息之後，我們回到設計我們的 CPU 上。我們設計並模擬了最困難的部分，稱為控制單元。這就是魔法發生的地方，當你可以說‘我知道電腦是如何工作的！！！ ‘ 在本節中，我們在控制單元中構建指令集。該指令集包括：

FETCH EXECUTE Cycle
ALU Instructions
LOAD and STORE Instructions
DATA Instruction
JUMP REGISTER Instruction
JUMP ADDRESS Instruction
JUMP IF Instruction
CLEAR FLAGS Instruction

然後，我們在 Microsoft Excel 中構建了一個彙編器（什麼是彙編器？一旦你到了這一點，你就會知道並且你會回家幹！）

然後，我們使用 Excel VBA 對 CPU 進行建模，並以此構建一個組合語言 DEBUGGER。這將幫助我們編寫組合語言程式。最後，我們可以使用我們的第一個組合語言程式載入 CPU。一種將 2 個數字相乘的算法（聽起來可能不多，但你可以設計自己的算法並在你自己的 CPU 上模擬它們）。

然後我們看一下頂層模擬。我們用我們的第一個程序載入 CPU RAM（記憶體），並在我們眼前看到它在程式中運行。你可以讓它快速執行程式碼，或者你可以一次通過一個 0 和一個 1 並查看你剛剛設計的 CPU 內部發生的每一個細節！！！

還要留意獎勵部分，了解我將定期添加的額外材料。我將 CPU 從 8 位擴展到 16 位，創建了更多在 CPU 上運行的組合語言算法，並詳細解釋了來自彙編器( assembler )和調試器( debugger )的 VBA 代碼（還有更多內容）。

本課程遵循 ButHowDoItKnow（The Basic Principles of Computers for Everyone）一書中的 CPU 設計。本課程在作者網站上提供。你不需要購買這本書來學習課程，但我強烈推薦這本書。

如果你想知道電腦(計算機)的核心是什麼以及它是如何工作的，那麼這就是你的課程！

目標受眾

提出“電腦如何工作？”這個問題的每一個人和每一個人。

講師簡介

Ross McGowan 應用數學和電腦科學教育者

大家好，我是 Ross。我目前在格拉斯哥大學國際學院 (GIC) 教授數學和統計學。我致力於幫助學生在數學推理、計算思維和統計分析方面打下堅實的理論基礎——這些技能在學術界和工業界都至關重要。

在從事教學工作之前，我曾在半導體產業工作了七年，專攻類比和混合訊號積體電路 (IC) 設計。這段經歷讓我對現實世界系統背後的數學和物理原理有了深刻的理解，尤其是在訊號處理、資料轉換和精確運算方面。

在 IC 設計領域之後，我轉行進入行動通訊產業，從事行動網路的部署和優化工作。這段經歷讓我對大規模系統、可靠性工程以及即時數位通訊的複雜性有了實際的了解。

如今，我的教學重點是電腦體系結構的基礎知識和演算法設計的數學原理。我對浮點數系統特別感興趣——它們在硬體層面的工作原理、演算法如何適應它們的特性，以及如何在嚴格的限制下最大限度地提升效能。我編寫了自己的彙編程序，設計了定制的 16 位元 CPU（RTM-16），並用高級語言和彙編語言實現了數學演算法。

我的課程力求清晰、直覺且嚴謹。無論你是學習浮點運算、最佳化數值方法，還是從數學邏輯的基礎知識入手，我都會幫助你理解系統背後的結構。

如果你是學生、工程師或終身學習者，並且對數學如何驅動數位世界充滿好奇，那麼你來對地方了。