[中配]我用晶体管造了个CPU！（简直是噩梦） - FULXOR - Dominic LeBoeuf

计算机的内部运作常被视为一个神秘的黑箱，但通过亲手搭建，其基本原理便能豁然开朗。这个项目不仅展示了如何完全用晶体管搭建一台4位计算机，更重要的是，它将计算机科学中抽象的时钟、程序计数器、ALU等概念，以最直观的方式呈现出来，为理解现代计算设备提供了独特的物理视角。

智能速览

• 创作者完全用晶体管从零搭建了一台4位计算机，旨在揭开计算机的神秘面纱。

• 该计算机能执行加法和减法运算，并运行将数字加5的特定程序。

• 核心架构包含时钟、JK触发器、解码器、ALU和寄存器等基本模块。

• 为节省晶体管数量，算术逻辑单元（ALU）主要由NAND门构成。

• 项目过程虽然艰难，但提供了从物理层面理解计算机工作原理的宝贵机会。

精华内容

计算机内部运作常被视为黑箱，但通过亲手搭建，其基本原理便会豁然开朗。这台全晶体管计算机，正是揭开这一奥秘的钥匙。

动机与初衷

许多机械设备如汽车引擎，其工作原理相对直观，但计算机内部的电子元件与软件协同工作的方式却显得尤为神秘。为了探究这一人类继火之后的重要发明背后的基本原理，创作者决定从最基础的元件——晶体管开始，亲手搭建一台计算机，将抽象的理论知识转化为触手可及的实践。

这个项目的主要目标是教育性的，旨在通过实践从根本上理解计算机是如何工作的，而非追求强大的计算性能。它将计算机从“黑箱”变为一个可以观察、理解甚至调试的物理实体。

核心架构解析

这台计算机的结构清晰地展示了数据处理的基本流程。首先，一个由非稳态多谐振荡器构成的时钟模块提供基础节拍信号。时钟信号驱动两个JK触发器，它们组成了一个简单的程序计数器，用于追踪当前执行程序的步骤。

程序计数器的输出经由一个解码器，将二进制信号转换为四个独立的输出，依次激活代表指令的开关阵列。这些开关通过三态缓冲器连接到算术逻辑单元（ALU），从而控制计算机执行加法、减法或数据保存等操作。最终，计算结果被送入寄存器并显示在LED灯上，方便观察与调试。

算术逻辑单元

ALU是这台计算机的核心，负责执行所有的数学运算。在设计中，创作者做出了一个精妙的选择：整个ALU主要使用NAND门来构建。这是因为在数字逻辑中，NAND门是一种通用逻辑门，可以通过组合实现任何其他逻辑功能，且能有效减少所需晶体管的数量。

为了实现减法运算，设计还在ALU的输入端加入了XOR门。这种设计使得计算机不仅能做加法，还能通过补码原理完成减法操作，体现了数字电路设计的灵活性与技巧性。

实际运行能力

尽管这台计算机结构简单，但它已经能够执行完整的程序。视频中演示的程序是持续将前一个数字加上5，通过手动输入不同的起始值，可以对任意数字进行运算。此外，通过切换开关，它还可以执行减法操作，例如持续减5。

虽然它的功能有限，无法与现代CPU相提并论，但它完整地诠释了“存储程序”计算机的基本工作模式：取指令、译码、执行。这种从零到一的实现，让其成为一个极具价值的物理教学模型。