兔小师是书中的虚拟卡通形象。为了让教学方式生动有趣，作者设计了一个导师加三个学生共同学习的场景，包括兔小师（兔子老师）、苗小萌（小猫）、汪小新（小狗）、姬小菜（小鸡），用轻松诙谐的故事化课堂，唤醒每一位读者的探索欲。本书首先介绍了计算机基本概念、二进制原理、逻辑门、组合逻辑、计算单元、记忆单元、存储器等核心知识，接着介绍了手动计算机系统、单周期计算机系统、时序电路、多周期计算机系统、汇编程序、中断、I/O设备等进阶内容。全书逻辑严密，层层递进，将抽象的计算机理论、数学计算与编程底层逻辑转化为具象的认知框架，帮助读者建立系统而完整的知识体系。通过阅读本书，读者不仅能轻松掌握计算机的核心原理，更能培养出严谨的逻辑思维能力，为未来学习与工作中应对各类计算机相关问题打下坚实基础。

计算机到底是什么呢？对大多数人来说，它似乎既亲近又遥远。我们早已习惯它的存在，却往往被那层高深的技术壁垒隔开，感觉既熟悉又陌生。但其实，它并没有想象中那么难以接近你与计算机之间，或许仅仅相隔一本书的厚度。
现在，就让我们翻开这本书，一起踏上计算机的学习之旅吧。

大家好，我是兔小师。
也许读者会好奇，为什么会有这么一个奇怪的名字。在我看来，兔老师显得过于严肃刻板，而兔大师又似乎过于高不可攀。因此，兔小师这个名字便脱颖而出，它不仅亲和力十足，更完美契合了本书中导师的形象与定位。作为贯穿本书的故事导师，兔小师不仅仅是一个卡通角色，更承载着这样的教育理念：用轻松诙谐的故事化课堂，唤醒每一位学习者的求知欲。
人类对计算的探索，始于指尖的触碰。从古巴比伦的泥板、中国的算筹，到现代计算机的二进制代码，计算工具的演变始终与人类创造力紧密相连。而今天，我们站在数字时代与传统智慧的交汇点上，试图用理论与实践相结合的方式，重新点燃这份对计算本质的探索与热爱。
以作者有限的认知，粗浅地认为传统教学往往容易陷入以下三重困境。
知识与现实脱节：很多情况下，学生难以理解课堂所学知识在现实生活中的具体应用，这使得他们难以对学习内容真正产生兴趣。
课程知识碎片化：按照传统的教学方式，课程往往分科而孤立，学生很难体会到不同知识点之间的内在关联，从而难以构建完整的知识体系。
照本宣科、枯燥乏味：概念缺乏深入探讨，教学流程缺乏节奏变化，这无疑大大增加了学习成本，降低了学习效率。
那么，我们能否让知识像故事书、游戏一样充满趣味？能否让读者用游戏化的方式学习计算机知识？本书通过兔小师这个知识渊博的故事导师角色，带领读者从零开始学习并亲手搭建计算机系统。在搭建过程中，抽象理论自然沉淀为具象认知。
本书的三大核心理念如下。
手脑合一：借助模拟软件，让读者亲身体验计算的物理过程，将大脑思考与动手实践紧密结合。
跨学科联结：将数学、逻辑、编程、历史等知识编织成一张网，揭示技术背后的哲学与美学。
鼓励试错：失败即成长，因为在手动操作中遇到的卡壳瞬间，往往是最深刻的顿悟时刻。
本书不会简单地灌输知识，而是通过互动式任务、趣味实验和思维游戏，引导读者在实践中构建自己的认知框架。通过亲手操作、触摸、感受，让抽象的逻辑与具象的实践产生化学反应。在这里，计算不再是冰冷的公式堆砌，而是像揉捏陶土般，将思维与工具融为一体，领悟数学与编程的底层逻辑。
无论是想要了解计算机如何思考的中小学生，还是非科班的程序开发者；无论是对计算机有恐惧感的文学青年，还是渴望培养逻辑思维的职场人士，甚至是刚刚开始接触计算机的科班生在这里，你都将找到属于自己的学习之路。
那么，如何通过本书进行高效学习呢？兔小师告诉你三个关键的学习秘诀。
循序渐进：要学会各种基础元器件的使用方法，这是一切思考的基础。
结合实践：要熟练掌握模拟软件的使用方法，这样可以对各种流程理解得更深刻，直到搭建出自己的计算机系统。
理解概念：要注重对概念的理解，但不要被现实的复杂性所束缚，因为这里不涉及任何关于效率优化的内容。
请记住，真正的魔法并非源于工具本身，而在于你如何运用双手和大脑，将零散的知识碎片编织成一幅完整的认知图景。愿你在读过本书后，不仅能计算数字，更能计算世界。这或许是一种回归本源的学习哲学，让我们保持好奇心，保持对知识的热爱，始终在求知的路上！

董图，本硕均毕业于上海交通大学计算机专业，深入研究过计算机体系结构，拥有深厚的专业背景和丰富的实践经验，能够为读者提供权威、实用的内容。游戏策划专家，曾就职于完美世界、搜狐畅游等多个国内领先企业，参与制作了《刀剑英雄》《龙族世界》《虚拟世界》《冰火破坏神》等游戏。对用户的学习曲线进行过深度的研究。在职业生涯过程中，曾多次思考如何能让用户怎么把学习和游戏结合，让用户可以让学习变得上瘾。通过互动式任务、趣味实验和思维游戏，引导读者在动手实践中构建属于自己的认知框架。

推荐序
前　言
第1章　简单理解计算机介绍1
1.1　计算机的概念2
1.2　计算机的结构4
1.3　计算机的诞生7
1.3.1　图灵机8
1.3.2　冯·诺依曼架构9
第2章　理解计算机的语言二进制11
2.1　二进制的概念12
2.2　计算机中的二进制14
第3章　计算机系统的仿真工具Logisim17
3.1　为什么使用软件仿真来制作？18
3.2　如何使用Logisim软件？20
3.2.1　Logisim的使用界面20
3.2.2　Logisim的常用元件22
第4章　学习计算机的起点逻辑门25
4.1　逻辑门的概念26
4.1.1　与门27
4.1.2　或门28
4.1.3　非门28
4.2　如何构建其他逻辑门？30
4.2.1　与非门31
4.2.2　或非门31
4.2.3　异或门32
4.2.4　同或门33
4.2.5　三态缓冲器33
4.2.6　三输入端口与门34
第5章　逻辑门基础组合组合逻辑39
5.1　如何制作一个数据选择器？40
5.2　如何制作一个译码器？43
第6章　计算机的核心组件ALU49
6.1　计算机如何进行加法运算？50
6.1.1　半加器51
6.1.2　全加器52
6.1.3　多位加法器53
6.2　如何使用加法器进行减法运算？55
6.2.1　补码56
6.2.2　加法器进行补码加减法56
6.2.3　标志位58
6.3　如何制作一个ALU？63
第7章　存储的基础结构记忆单元67
7.1　计算机如何保存1位数据？68
7.1.1　二值锁存电路68
7.1.2　RS锁存器69
7.1.3　D锁存器70
7.1.4　D触发器72
7.2　如何制作寄存器？74
7.2.1　寄存器75
7.2.2　异步复位D触发器77
7.3　如何制作计数器？79
第8章　用记忆单元盖个楼存储器81
8.1　存储器的概念82
8.2　如何制作RAM？84
8.2.1　RAM的结构84
8.2.2　RAM的单元结构87
8.2.3　RAM元件88
第9章　搭建简单的计算机系统手动计算机系统91
9.1　手动计算机1.0系统ALU+寄存器92
9.2　手动计算机2.0系统加入RAM95
9.3　如何制作一个寄存器组？98
9.4　手动计算机3.0系统加入寄存器组99
第10章　理解计算机的语言指令集105
10.1　如何构建指令集？106
10.2　如何制作控制器？107
10.3　手动计算机4.0系统加入控制器111
第11章　计算机系统的自动化单周期计算机系统117
11.1　单周期计算机1.0系统加入指令存储器118
11.2　将指令代码写入指令存储器120
11.3　单周期计算机2.0系统增加跳转指令JMP121
11.3.1　指令集加入JMP指令122
11.3.2　控制器加入JMP指令122
11.3.3　搭建单周期计算机2.0系统124
11.4　单周期计算机3.0系统增加条件跳转指令126
11.5　如何使用条件跳转指令实现分支和循环？131
第12章　计算机系统的节奏感时序控制135
12.1　如何制作步进器？136
12.2　如何使用时序电路控制时钟节奏？139
第13章　多周期计算机系统总体设计145
13.1　多周期计算机系统的总体设计146
13.2　总线的概念148
13.3　寄存器组2.0加入特殊寄存器150
13.4　CPU初步设计152
13.5　多周期计算机1.0系统流程设计154
第14章　多周期计算机系统控制单元161
14.1　多周期计算机1.0系统控制单元162
14.2　使用多周期计算机1.0系统实现简单的程序168
第15章　数据叠叠乐栈173
15.1　栈的概念174
15.2　加入栈指令176
15.3　多周期计算机2.0系统更新控制器178
15.4　如何使用栈实现函数调用过程？182
15.5　如何使用栈实现递归函数？184
第16章　让机器和人通话I/O设备189
16.1　I/O设备的概念190
16.2　Logisim中的I/O设备191
16.3　如何加入I/O指令？194
16.4　多周期计算机3.0系统更新控制器195
16.5　多周期计算机3.0系统加入I/O设备197
16.6　如何使用LED方阵？199
第17章　打断的艺术中断205
17.1　轮询和中断的概念206
17.2　如何使用轮询的方式获取键盘输入？207
17.3　多周期计算机4.0系统加入键盘中断210
17.4　如何使用中断的方式获取键盘输入？214
第18章　结语新的开始217
18.1　计算机的分层219
18.2　计算机应用的新兴方向220
18.2.1　互联网：全球互联的信息基础设施221
18.2.2　人工智能：模拟人类智慧的机器系统222
18.2.3　区块链：重塑信任的分布式账本技术223
18.2.4　机器人：融合感知与执行的智能体225
18.2.5　扩展现实：构建沉浸式体验的仿真技术226
18.3　宇宙计算机猜想228
附录　符号对照表233