如何用Excel制作一个16位CPU

你可能听说过用Excel做一些有趣的事情，比如画图，玩游戏，甚至写代码。但你知道吗，有人用Excel制作了一个完整的16位CPU，并且还可以运行自己设计的汇编语言！这个项目的名字叫做Excel 16-Bit CPU，它是由GitHub用户s0lly创建的，你可以在这里找到它的源代码和说明。

https://github.com/InkboxSoftware/excelCPU

什么是CPU？

CPU，即中央处理器，是计算机的核心部件，负责执行各种指令，处理数据，控制其他硬件。CPU的基本结构包括寄存器，运算单元，控制单元，时钟信号等。寄存器是CPU内部的小容量存储器，用来暂存数据或地址。运算单元是用来执行算术或逻辑运算的部件。控制单元是用来解析指令，生成控制信号，控制CPU的工作流程的部件。时钟信号是用来同步CPU内部各个部件的工作节奏的信号。

如何用Excel制作CPU？

要用Excel制作CPU，首先要了解Excel的一个重要功能，就是迭代计算。迭代计算是指当一个单元格的值依赖于另一个单元格的值，而另一个单元格的值又依赖于前一个单元格的值时，Excel会不断重复计算这两个单元格的值，直到达到一个稳定的状态或者超过最大迭代次数。这个功能可以用来模拟CPU的时钟信号，让CPU在每次迭代时执行一条指令。

Excel 16-Bit CPU的主要文件是CPU.xlsx，它包含了CPU的所有部件，以及128KB的RAM和一个128x128的显示器。CPU.xlsx的工作原理是这样的：

• 在B2单元格设置时钟信号，可以用一个开关或者一个滑动条来控制时钟信号的高低。
• 在F2单元格设置复位按钮，如果为真，会将程序计数器（PC）寄存器重置为0。
• 在J2单元格设置手动模式按钮，如果为真，会让CPU执行D8单元格中的指令，而不是从RAM中读取指令。
• 在N2单元格设置清空RAM按钮，如果为真，会将RAM中的所有数据清零。
• 在R2单元格设置读取ROM按钮，如果为真，会将ROM.xlsx中的数据复制到RAM中。

要运行一个程序，首先要将程序编写在ROM.xlsx中，或者用Excel-ASM16语言编写程序并用compileExcelASM16.py编译器将其转换为ROM.xlsx中的数据。然后，打开CPU.xlsx和ROM.xlsx，按照以下步骤操作：

• 将复位按钮设为真，将PC寄存器重置为0。
• 将清空RAM按钮或者读取ROM按钮设为真，然后再设为假，将RAM中的数据清空或者从ROM中读取数据。
• 将复位按钮设为假，让PC寄存器开始工作。
• 根据需要，将手动模式按钮设为真或者假，让CPU执行指定的指令或者从RAM中读取指令。
• 按F9键，让Excel进行一次迭代计算，CPU执行一条指令。
• 观察CPU的寄存器，运算单元，控制单元，以及RAM和显示器的变化。

Excel-ASM16语言

Excel-ASM16是一种简单的汇编语言，用来编写Excel 16-Bit CPU的程序。它有24种不同的指令，分为三类：跳转指令，数据传输指令，和算术逻辑指令。每条指令有三种操作数：寄存器，内存，和立即数。寄存器是用R开头的数字表示，如R0，R1，R15等。内存是用@开头的16位十六进制数表示，如@0000，@F000，@FFFF等。立即数是用#或者$开头的十进制或者十六进制数表示，如#0000，$0CCC，#60340，$FF10等。

跳转指令用来改变PC寄存器的值，从而改变程序的执行流程。跳转指令有四种：

• JMP IMD ; 无条件跳转到立即数指定的地址
• JEQ IMD ; 如果零标志（ZF）为0，跳转到立即数指定的地址
• JLT IMD ; 如果进位标志（CF）为0，跳转到立即数指定的地址
• JGE IMD ; 如果进位标志（CF）为1或者零标志（ZF）为1，跳转到立即数指定的地址

数据传输指令用来在寄存器，内存，和立即数之间传输数据。数据传输指令有八种：

• MOV REG, REG ; 将第二个寄存器的值复制到第一个寄存器
• MOV REG, MEM ; 将内存中的值复制到寄存器
• MOV MEM, REG ; 将寄存器的值复制到内存中
• MOV REG, IMD ; 将立即数的值复制到寄存器
• MOV MEM, IMD ; 将立即数的值复制到内存中
• LDR REG, REG ; 将第二个寄存器的值作为内存地址，将内存中的值复制到第一个寄存器
• STR REG, REG ; 将第一个寄存器的值作为内存地址，将第二个寄存器的值复制到内存中
• SWP REG, REG ; 交换两个寄存器的值

算术逻辑指令用来对寄存器，内存，和立即数进行算术或者逻辑运算，并设置相应的标志位。算术逻辑指令有十二种：

• ADD REG, REG ; 将两个寄存器的值相加，结果存放在第一个寄存器，设置CF和ZF
• ADD REG, MEM ; 将寄存器和内存的值相加，结果存放在寄存器，设置CF和ZF
• ADD REG, IMD ; 将寄存器和立即数的值相加，结果存放在寄存器，设置CF和ZF
• SUB REG, REG ; 将两个寄存器的值相减，结果存放在第一个寄存器，设置CF和ZF
• SUB REG, MEM ; 将寄存器和内存的值相减，结果存放在寄存器，设置CF和ZF
• SUB REG, IMD ; 将寄存器和立即数的值相减，结果存放在寄存器，设置CF和ZF
• AND REG, REG ; 将两个寄存器的值进行按位与运算，结果存放在第一个寄存器，设置ZF
• AND REG, MEM ; 将寄存器和内存的值进行按位与运算，结果存放在寄存器，设置ZF
• AND REG, IMD ; 将寄存器和立即数的值进行按位与运算，结果存放在寄存器，设置ZF
• OR REG, REG ; 将两个寄存器的值进行按位或运算，结果存放在第一个寄存器，设置ZF