【Logisim】手动版和RS触发器版简单运算器（加法）的详细教程

本教程将带领你基于已封装的键盘输入寄存器、数码管显示驱动、8位寄存器、三态门、加法器等核心子电路模块，分步构建两个版本的手摇式计算机仿真模型：

1. 手动版计算机：完全依赖人工拨动开关生成控制信号，深入理解数据在总线、寄存器、ALU之间的流动时序。
2. RS触发器版计算机：引入基本RS触发器替代持续按压的开关，是迈向时序自动化的第一步。

本教程将使用Logisim Evolution 3.9.0和Logisim 2.7.1两个版本进行演示。

在开始搭建之前，请确保你已经准备好以下子电路：

1. 键盘输入寄存器模块：【Logisim】 键盘输入寄存器模块与数码管显示驱动模块封装的详细教程
2. 数码管显示驱动模块：【Logisim】 键盘输入寄存器模块与数码管显示驱动模块封装的详细教程
3. 8 位寄存器：【Logisim 】带时钟信号的简单 8 位寄存器的详细教程
4. 8 位三态门：【Logisim 】三态门的详细教程
5. 8 位加法器：【Logisim】半加器、全加器与 8 位加法器的详细教程

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手动版和RS触发器版的手摇式计算机。

3.1 核心原理

手动版手摇式计算机完全由操作者控制计算节奏。这是最基础的版本，用户通过拨动开关直接控制每一个控制信号。所有控制信号都由人工给定，计算机本身没有任何“自动”能力。

3.2 搭建步骤

1. 新建一个电路，命名为 “HandCrank_Manual”。
2. 竖直拉出8 根导线，作为系统总线（左边高位，右边低位）。为了方便观察系统总线上的数据，我们可以在每根导线顶端分别连接 1 个“ LED 灯（LED）”。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
3. 拖拽出我们封装好的键盘输入寄存器模块“Keyboard_Register”。它的输入分别连接输入引脚“H15~H0”（高位数据），“L15~L0”（低位数据），“On_C8”（内部三态门使能），“On_Reg”（内部寄存器时钟信号），“On_Reg_C8”（内部寄存器三态门使能）。它的输出分别连接 8 根系统总线。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
4. 拖拽出一个8 位寄存器“Register_8bit”，作为显示寄存器“Display”，用于寄存从系统总线上得到的数据，供数码管持续显示。它的输入分别连接 8 根系统总线。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
5. 拖拽出我们封装好的数码管显示驱动模块“SevenSeg_Display”。它的输入连接显示寄存器“Display”的输出，它的输出连接 2 个7 段数码管，一个数码管负责高位显示，另一个数码管负责低位显示。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
6. 拖拽出一个8 位三态门“Controlled_8bit”，作为进三态门“A_in”，用于控制系统总线的数据进入ALU，它的输入分别连接 8 根系统总线。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
7. 拖拽出一个8 位寄存器“Register_8bit”，作为累加器“ACC”，用于存储当前累加的结果，它的输入连接进三态门“A_in”，我们把进三态门“A_in”和累加器“ACC”中间的这段导线称为“线路1”，方便后续我们理解原理。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
8. 竖直拉出8 根导线，作为片内总线（左边高位，右边低位）。为了方便观察片内总线上的数据，我们可以在每根导线顶端分别连接 1 个“ LED 灯（LED）”。把累加器“ACC”的输出连接到片内总线上。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
9. 拖拽出 2 个8 位寄存器“Register_8bit”，分别作为暂存器1“TMP_1”和暂存器2“TMP_2”，用于暂时存储待计算的 2 个加数，这 2 个暂存器的输入都连接到片内总线上。
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
10. 拖拽出一个 8 位加法器“BitAdder_8”，作为加法器“Adder”，用于相加求和。它的输入端“A7~A0”连接暂存器1“TMP_1”的输出，这两个元件之间的导线称为“线路2”。输入端“B7~B0”连接暂存器2“TMP_2”的输出，，这两个元件之间的导线称为“线路3”。加法器“Adder”的多余输入端“Cin”可以置空或“接地”（原版必须“接地”）。
    1. Logisim Evolution：
       
    2. Logisim：
       
11. 拖拽出一个8 位三态门“Controlled_8bit”，作为传输结果三态门“A_mid”，用于控制加法器结果进入累加器“ACC”。它的输入连接加法器“Adder”的输出，这两个元件之间的导线称为“线路4”。加法器“Adder”的多余输出端“Cout”可以置空。
    1. Logisim Evolution：
       
    2. Logisim：
       
12. 把传输结果三态门“A_mid”的输出连接到“线路1”，用于把计算结果送到累加器“ACC”。
    1. Logisim Evolution：
       
    2. Logisim：
       
13. 拖拽出一个8 位三态门“Controlled_8bit”，作为出三态门“A_out”，用于控制计算结果进入系统总线。它的输入连接片内总线，输出连接系统总线。因此，我们可以把这个元件180度旋转，使它的左边为输出端，右边为输入端，方便连接。
    1. Logisim Evolution：
       
    2. Logisim：
       
14. 最终，我们可以得到以下结果：
    1. Logisim Evolution：
       
    2. Logisim：
       ​​​​​​​

3.3 成果验证

我们可以尝试计算5C + 07 = 63 ，步骤如下：

1. 输入并寄存第一个加数：
   1. 在键盘中输入“5”和“C”（键盘输入寄存器模块 H5=1，L12=1）
   2. 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）
   3. 关闭键盘寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=0）
2. 输入第二个加数：
   1. 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）
3. 把第二个加数“07”送到暂存器 2：
   1. 打开键盘三态门，允许当前键盘数据进入系统总线（键盘输入寄存器模块 On_C8=1）
   2. 打开显示寄存器，给它一个上升沿，把当前系统总线数据寄存并传入数码管（显示寄存器 Clock=1）
   3. 关闭显示寄存器（显示寄存器 Clock=0）
   4. 打开数码管显示，此时数码管显示“07”（数码管显示驱动模块 EN=1）
   5. 打开进三态门，允许数据进入线路1（进三态门 EN=1）
   6. 打开累加器，给它一个上升沿，把数据寄存到片内总线（累加器 Clock=1）
   7. 关闭累加器（累加器 Clock=0）
   8. 打开暂存器2，给它一个上升沿，把数据寄存到线路3（暂存器2 Clock=1）
   9. 关闭暂存器2（暂存器2 Clock=0）
   10. 关闭键盘三态门（键盘输入寄存器模块 On_C8=0）
4. 把第一个加数“5C”送到暂存器 1：
   1. 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（键盘输入寄存器模块 On_Reg_C8=1）
   2. 打开显示寄存器，给它一个上升沿，把当前系统总线数据寄存并传入数码管，此时数码管显示“5C”（显示寄存器 Clock=1）
   3. 关闭显示寄存器（显示寄存器 Clock=0）
   4. 打开累加器，给它一个上升沿，把数据存到片内总线（累加器 Clock=1）
   5. 关闭累加器（累加器 Clock=0）
   6. 打开暂存器1，给它一个上升沿，把数据寄存到线路2（暂存器1 Clock=1）
   7. 关闭暂存器1（暂存器1 Clock=0）
   8. 关闭进三态门（进三态门 EN=0）
   9. 关闭键盘寄存器三态门（键盘输入寄存器模块 On_Reg_C8=0）
5. 传送并寄存计算结果：
   1. 打开传输结果三态门，允许结果数据进入线路1（传输结果三态门 EN=1）
   2. 打开累加器，给它一个上升沿，把结果寄存到片内总线（累加器 Clock=1）
   3. 关闭累加器（累加器 Clock=0）
   4. 关闭传输结果三态门（传输结果三态门 EN=0）
6. 显示计算结果：
   1. 打开出三态门，允许结果数据进入系统总线（出三态门 EN=1）
   2. 打开显示寄存器，给它一个上升沿​​​​​​​，把当前系统总线数据寄存并传入数码管，此时数码管显示“63”（显示寄存器 Clock=1）
   3. 关闭显示寄存器（显示寄存器 Clock=0）
   4. 关闭出三态门（出三态门 EN=0）
7. 测试结束，关闭数码管显示（数码管显示驱动模块 EN=0）

4.1 核心原理

我们发现，手动拨动开关需要一直保持打开状态，于是引入 RS 触发器：在输入端加入两个输入引脚，一个负责“置 1”，一个负责“置 0”，按两次输入引脚（让引脚从“0”变为“1”，再变回“0”）就能让触发器的信号保持“1”或“0”，代替人工按钮来生成有序的控制时序。

本教程使用的 RS 触发器为基本 RS 触发器，有两种搭建方法：

1. 参考此教程自己搭建子电路：【Logisim 】基本 RS ，钟控 D ，主从 RS ，主从 D ，维持阻塞型 D 触发器的详细教程
2. 使用“存储器（Memory）”库中的“S-R 触发器（S-R Flip-Flop）”元件，当我们只使用它的“预设（Preset）”端和“清除（Clear）”端时，它的功能就相当于一个基本 RS 触发器。

4.2 搭建步骤

1. 新建一个电路，命名为 “HandCrank_RS”。
2. 把我们的 手动版计算机“HandCrank_Manual”复制到这个新电路中。
3. 由于线路较复杂，我们可以选择使用“隧道”来连接 RS 触发器，方便管理。两个同名的隧道之间可以相互传递信号，不需要再拉导线。
4. 从“线路（Wiring）”库中找到“隧道（Tunnel）”，把以下输入引脚删除，替换成隧道：
   1. 键盘输入寄存器的 “On_C8”替换成隧道“step1”。
   2. 键盘输入寄存器的 “On_Reg_C8”替换成隧道“step2”。
   3. 进三态门A_in 的“EN”替换成隧道“step3”。
   4. 累加器ACC 的“Clock”替换成隧道“step4”。
   5. 暂存器1TMP_1 的“Clock”替换成隧道“step5”。
   6. 暂存器2 TMP_2 的“Clock”替换成隧道“step6”。
   7. 传输结果三态门A_mid 的“EN”替换成“step7”。
   8. 出三态门A_out 的“EN”替换成隧道“step8”。
   9. 显示寄存器Display 的“Clock”替换成隧道“step9”。
   10. 数码管显示驱动的“EN”替换成隧道“step10”。
5. 替换后结果如图：
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      
6. 在空白处放置 10 个基本 RS 触发器，“预设（Preset）”端（输入 S 端，置1）和“清除（Clear）”端（输入 R 端，置0）都各连接一个独立的输入引脚（共20个输入引脚），“当前触发器状态”端（输出 Q 端）分别连接隧道“step1~step10”。
7. 连接后结果如图：
   1. Logisim Evolution：
      
   2. Logisim：
      

4.3 成果验证

“预设（Preset）”端使 RS 触发器的输出端（Q）被置1，并持续保持；“清除（Clear）”端使 RS 触发器的输出端被置0，并持续保持。按两次输入引脚（让引脚从“0”变为“1”，再变回“0”）就能让触发器的信号保持“1”或“0”

我们可以尝试计算5C + 07 = 63 ，步骤如下：

1. 输入并寄存第一个加数：
   1. 在键盘中输入“5”和“C”（键盘输入寄存器模块 H5=1，L12=1）
   2. 打开键盘寄存器，把这个数据存入寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=1）
   3. 关闭键盘寄存器（键盘输入寄存器模块 On_Reg=0）
2. 输入第二个加数：
   1. 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）
3. 把第二个加数“07”送到暂存器 2：
   1. 打开键盘三态门，允许当前键盘数据进入系统总线（step1=1）
   2. 打开显示寄存器，把当前系统总线数据寄存并传入数码管（step9=1）
   3. 关闭显示寄存器（step9=0）
   4. 打开数码管显示，此时数码管显示“07”（step10=1）
   5. 打开进三态门，允许数据进入线路1（step3=1）
   6. 打开累加器，把数据寄存到片内总线（step4=1）
   7. 关闭累加器（step4=0）
   8. 打开暂存器2，把数据寄存到线路3（step6=1）
   9. 关闭暂存器2（step6=0）
   10. 关闭键盘三态门（step1=0）
4. 把第一个加数“5C”送到暂存器 1：
   1. 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）
   2. 打开显示寄存器，把当前系统总线数据寄存并传入数码管，此时数码管显示“5C”（step9=1）
   3. 关闭显示寄存器（step9=0）
   4. 打开累加器，把数据存到片内总线（step4=1）
   5. 关闭累加器（step4=0）
   6. 打开暂存器1，把数据寄存到线路2（step5=1）
   7. 关闭暂存器1（step5=0）
   8. 关闭进三态门（step3=0）
   9. 关闭键盘寄存器三态门（step2=0）
5. 传送并寄存计算结果：
   1. 打开传输结果三态门，允许结果数据进入线路1（step7=1）
   2. 打开累加器，把结果寄存到片内总线（step4=1）
   3. 关闭累加器（step4=0）
   4. 关闭传输结果三态门（step7=0）
6. 显示计算结果：
   1. 打开出三态门，允许结果数据进入系统总线（step8=1）
   2. 打开显示三态门，把当前系统总线数据寄存并传入数码管，此时数码管显示“63”（step9=1）
   3. 关闭显示三态门（step9=0）
   4. 关闭出三态门（step8=0）
7. 测试结束，关闭数码管显示（step10=0）

通过手动版和RS触发器版两个手摇式计算机项目的实践，我们不仅巩固了Logisim中子电路封装、层次化设计和模块复用的核心技能，更完成了一次对计算机底层架构的深度探索。

建议保存好本项目文件，作为后续构建更复杂CPU的底层模块库。你可以尝试在现有加法器基础上集成减法、逻辑运算等单元，构建一个功能更完整的ALU。

愿这两个亲手搭建的模型，成为你探索计算机硬件世界的一块坚实基石。