试着制造一台计算机

来源：《计算机是怎样跑起来的》

2.1 制作微型计算机所需的元件

制作微型计算机所需的基础元件只有 3 个：

• CPU， 负责解释、执行程序，这里使用 Z80 CPU
• 内存， 负责存储程序和数据， TC5517
• I/O， 负责将计算机和外部设备（周边设备）连接在一起， Z80 PIO

Z80 是一款古老的CPU， TC5517 是可以存储 2K 的 8比特数据的内存。 PIO （ Parallel I/O） 可以在微型计算机和外部设备之间并行地（一排一排地）输入输入8 比特的数据。

辅助元件：

• 时钟发生器： 为了驱动 CPU运转， 称为 “ 时钟信号” 的电信号必不可少， 这种电信号就好像自身带有一个时钟， 每隔一定时间就变换一次电压的高低， 输出时钟信号的元件叫做 “时钟发生器” 。 时钟发生器中带有晶振， 根据其自身的频率（振动的次数） 产生时钟信号， 时钟信号的频率可以衡量 CPU的运转速度， 这里使用的是 2.5MHZ 的时钟发生器
  （每隔 1 s 发出 1 次时钟信号就是 1 Hz）

• 指拨开关： 用于输入程序 的装置也是必不可少的， 在这里我们通过拨动指拨开关来输入程序， 指拨开关是由 8 个 开关并排连在一起构成的元件，

• 输出程序 执行结果的装置是 8 个 LED（发光二极管）。

剩下一些细碎的元件， 电阻是用于阻碍电流流动、降低电压值的元件。 为了省去布线的麻烦， 这里会使用将 8 个电阻集成到 1 个元件中的集成电阻。

要让微型计算机运转起来， 5 V的直流电源是必不可少的， 于是还需要使用一个叫作 “ 开关式稳压电源” 的装置， 将220 V 的交流电变成 5 V的直流电。

用到的元件列表

2.2 电路图的读法

电路中有些地方有交叉，但若只是交叉在一起的话， 并不表示电路在交叉处构成通路。只有在交叉处再画上一个小黑点才表示构成通路。

使用如图所示的两种电路图符号来分别表示电路连接到 + 5V 和连接到 0V 的情况。

IC的引脚（所谓引脚就是 IC 边缘露出的像蜈蚣腿一样的部分） 按照逆时针方向依次带有一个从 1 开始递增的序号。

数引脚序号时， 要先表示正方向的标志， 比如 半圆形的缺口， 朝向左侧。举例说明：

如果按照引脚的排列顺序来画 IC 电路图符号， 那么标示如何布线就会很不方便。 所以通常所绘制的电路图都不受引脚实际排布的限制。

画图时，在引脚的旁边写上引脚的序号，在表示 IC 的矩形符号中写上表明该引脚作用的代号。 代号就是像 RD（Read） 表示执行读取操作， WR（Write）表示执行写入操作这样的代表了某种操作的符号。

2.3 连接电源、数据和地址总线

下面开始布线：

• 首先连接电源。
  IC与普通的电气一样， 只有接通了电源才能工作， Z80 CPU 、 TC5517 和 Z80 PIO 上都分别带有 Vcc 引脚 和 GND 引脚。 Vcc 和 GND 这一对儿引脚用于为 IC供电。
• 将+5V 电源连接到各个 IC 的Vcc 引脚上
• 将 0V 电源牛连接到各个 IC 的 GND 引脚上。
• 将 + 5V 和 0V 连接到时钟发生器上。

接通电源后这些 IC 和时钟发生器就可以工作了。

CPU 的 Vcc 、 GND 引脚

内存 的 Vcc 、 GND 引脚

时钟发生器的 Vcc 、 GND 引脚

I/O 的 Vcc 、 GND 引脚

微型计算机所使用的 IC 属于数字 IC。 在数字 IC 中，每个引脚上的电压要么是 0V、 要么是 +5V， 通过这两个电压与其他的IC 进行电信号的收发， 用于给 IC供电的 Vcc 引脚和 GND 引脚上的电压是恒定不变的 +5V 和 0V，但是其他引脚上的电压，会随着计算机的操作在 +5V 和 0V 之间不断地变化。

只要想成 0V 表示数字 0 ， +5 V 表示数字 1， 那么数字 IC 就是在用二进制数的形式收发信息。1个二进制是 1 比特，比特是信息的基本单位， 字节是信息的基本单位， 这里制作的微型计算机是一台 8 比特微型计算机， 因此是以 8 比特为一个单位收发信息的。

数据的输入输出

计算机以 CPU 为中心运转， CPU可以与内存或 I/O 进行数据的输入输出，（即他们之间有连接），

• 地址总线引脚

为了指定输入输出数据时的源头或目的地， CPU上备有 “ 地址总线引脚”。
其中 A 表示 Address (地址） ， 16 个地址总线引脚所能指定的地址共有 65536 个， 用二进制数表示的话就是 0000000000000000 ~ 1111111111111111. 因此 Z80 可以指定 65536 个数据存储单元（内存存储单元或 I/O 地址），进行信息的输入输出。

一旦指定了存取数据的地址， 就可以使用数据总线引脚进行数据的输入输出了。 Z80 CPU 的数据总线引脚共有 8 个， 用代号 D0 ~ D7表示， D 表示 Data ，后面的数字0 ~ 7表示二进制中各个数字的位置。 Z80 CPu 可以一次性地输入输出 8 比特的数据， 这意味着如果想要输入输出位数（比特数） 大于 8比特的数据，就要以 8 比特作为单位切分这个数据。

作为内存的 TC5517 也有地址总线引脚和数据总线引脚。 这些引脚需要同 Z80 CPU 上带有相同代号的引脚相连， 一块 TC5517 上可以存储 2048 个 8 比特的数据。如下所示：
可是由于用于输入程序的指拨开关是以 8 比特为一个单位指定内存地址的， 所以我们只使用 TC5517 上的 A0~ A7这 8个引脚， 并把剩余的 A8~ A10 引脚连接到 0V 上（这些引脚上的值永远是 0）

（指拨开关的位置）

虽然总共有 2048 个存储单元，最终却只能使用其中的 256 个，稍微有些浪费。

2.4 连接 I/O

只有连接了 作为 I/O 的 Z80 PIO 的结构， 才能理解为什么要这样布线。

寄存器是位于 CPU 和 I/O 中的数据存储器， Z80 PIO 共有 4 个寄存器， 2 个用于设定 PIO本身的功能， 2 个用于存储与外部设备进行输入输出的数据。

这 4 个寄存器分别叫作 A 控制、 端口 A 数据、 端口 B控制 和 端口 B数据， 所谓端口就是 I/O 与外部设备之间输入输出数据的场所， 可以把端口（Port）想象成时轮船装卸货物的港口， Z80 PIO 有 2 个端口，端口 A 和端口 B，最多可以连接 2 个用于输入输出 8 比特数据的外部设备（如图 2.7 所示）。

因为 Z80 PIO 上也有 D0～D7 的数据总线引脚，所以先把它们和 Z80CPU 中带有同样代号的引脚连接起来。这样 CPU 和 PIO 就能使用这 8个引脚交换数据了。

接下来要把 Z80 PIO 的 B/A 和 C/D 引脚分别连接到 Z80 CPU 的地址总线引脚 A0 和 A1 上。

• 若表示 IC 引脚作用的代号上划有横线，则表示通过赋予该引脚 0（0V）可使之有效。（通0V电源）
• 反之若没有横线，则表示通过赋予该引脚 1（+5V）可使之有效。（通 +5V 电源）

因此若赋予 B/A 引脚 1 则表示选中 B，反之赋予 0 则表示选中 A。同样地，若赋予 C/D 引脚 1 则表示选中的是 C（C 即 Control，表示控制模式）；反之赋予 0 则表示选中的是 D（D 即 Data，表示数据模式）。

过 Z80 CPU 的 A0～A7（00000000～11111111 共 256 个地址）地址总线引脚可以选择内存（TC5517）中的存储单元。同样地，使用 Z80CPU 的 A0～A1（00～11 共 4 个地址）地址总线引脚也可以选择 I/O （Z80 PIO）中的寄存器。

Z80 CPU 的 A8～A15 地址总线引脚尚未使用，所以什么都不连接。在电路图中可以用代号 NC（NoConnection，未连接）表示引脚什么都不连接。IC 上的引脚有些只用于输出，有些只用于输入，还有些是输入输出两用的。

• 对于只用于输出的引脚，不需要使用时的处理方法是这个引脚什么都不连接。
• 而对于只用于输入或输入输出两用的引脚，不需要使用时的处理方法则是把这个引脚上的电压固定成是 +5V 或 0V。

2.5 连接时钟信号

正如前文所述， Z80 CPU 和 Z80 PIO 的运转离不开时钟信号。 为了传输时钟信号， 就需要把时钟发生器的 8 号引脚和 Z80 CPU 的 CLK（CLK 即 Clock，时钟）引脚、Z80 PIO 的 CLK 引脚分别连接起来**。时钟发生器的 8 号引脚与 +5V 之间的电阻用于清理时钟信号。**

我们可以把 Z80 CPU 和 Z80 PIO 在时钟信号下运转的情景， 想象成是它们在跟随着滴答滴答响的时钟同步做动作。

2.6 连接用于区分读写对象是内存还是 I/O 的引脚

至此，我们已经先后把 Z80 CPU 连接到了 TC5517 和 Z80 PIO 上，这两次连接都使用了地址总线引脚 A0 和 A1
如果仅仅这样连接， 当地址的最后两位是 00、01、10 和 11 时，CPU 就无法区分访问的是 TC5517 中的存储单元，还是 Z80 PIO 中的寄存器了。

解决问题的引脚 ： MREQ（Memory Request，内存请求）引脚和 IORQ （I/O Request, I/O 请求）。

• 当 Z80 CPU 和内存之间有数据输入输出时，MREQ 引脚上的值是 0，反之则是 1。
• 当 Z80 CPU 和 I/O 之间有数据输入输出时，IORQ 引脚上的值是 0，反之则是 1。

CE 引脚：

• 内存： 若把 TC5517 的 CE（即 Chip Enable，选通芯片）引脚设成 0， 则 TC5517 在电路中被激活，若设成 1，则从电路中隔离。 因为此时TC5517 进入了高阻抗状态，所以即便它上面的引脚已经接入了电路也不会接收任何电信号。
• I/O : 在 Z80 PIO 中，则是通过将 CE 引脚和 IORQ 引脚同时设为 0 或 1，来达到与 TC5517 的 CE 引脚相同的效果。若同时设为 0，则 Z80 PIO 在电路中被激活，若同时设为 1 则从电路中隔离（之所以使用两个引脚是因为这样更适合使用了多个 I/O 的情况）。== I/O 具有特殊性==

对内存和 I/O 而言， 还必须要分清 CPU 是要输入数据还是要输出数据。—— RD 引脚和 WR引脚。

Z80 CPU 的 RD 引脚（即 Read，表示输入，为 0 时执行输入操作）和 WR 引脚（即 Write，表示输出，为 0 时执行输出操作）了。

Z80 PIO虽然只有 RD 引脚，但由于数字 IC 引脚上的值要么是 0 要么是 1，所以只用 1 个 RD 引脚也能区分是输入还是输出，0 的话是输入，1 的话就是输出（如表 2.2 所示）。

2.7 连接剩余的控制引脚

CPU、内存、I/O 中不但有地址总线引脚、数据总线引脚，还有其他引脚，通常把这些引脚统称为“控制引脚”。之所以这样命名时因为这些引脚上输入输出的电信号具有控制 IC 的功能。

• MI 引脚和 INT引脚： M1 是用于同步的引脚，INT 引脚是用于从 Z80 PIO 向 Z80 CPU发出中断请求的引脚。首先把 Z80 CPU 的 M1 引脚（即 Machine Cycle 1，机器周期 1）和 INT 引脚（即 Interrupt，中断）与 Z80 PIO 上标有相同代号的引脚连接起来。

   所谓中断就是让 CPU 根据外部输入的数据执行特定的程序。![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200210143505565.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NTg3ODU1,size_16,color_FFFFFF,t_70)
  

中断对于计算机的运行来说很重要。

• RESET 引脚（即 Reset，重置）。一旦把 Z80 CPU 的 RESET 引脚（即 Reset，重置）上的值先设成 0
  再还原成 1，CPU 就会被重置，重新从内存 0 号地址上的指令开始顺序往下执行。
  

重置 CPU 可以通过按键开关完成。按键开关需要经过电阻接在 +5V 和 0V 之间。请仔细地观察这一部分的电路图，可以看出RESET 引脚上平时是 +5V（即 1）。当按下按键开关时，RESET 引脚就变成了 0V（即 0），而放开按键开关后又会回到 +5V（即 1）。电阻是为了防止短路而加入的，否则一旦按下了按键开关，+5V 和 0V 就会直接接到一起发生短路。像这样通过加入电阻把 +5V 和 0V 连接起来的方法在电路图中随处可见（如图 2.8 所示）。
电容的作用：
连接在 RESET 引脚上的电容，用于在电路接通电源时自动重置CPU。电容就好像一个充电电池，具有储存电荷的功能。在通电后的一刹那，由于电容正在充电，所以 RESET 引脚上的电压并不会立刻上升到 +5V。而完成充电后，RESET 引脚的电压会变为 +5V，这样就相当于 RESET 引脚上的值从 0 变成了 1，重置了一次 CPU。

总线：
总线是连接到 CPU 中数据引脚、地址引脚、控制引脚上的电路的统称。使用快动开关可以使 Z80 CPU 的 BUSRQ 引脚（即 Bus Request，总线请求）上的值在 0 和 1 之间切换。

• 若将 BUSRQ 引脚的值设为 0，则 Z80 CPU 从电路中隔离。当处于这种隔离状态时，就可以不通过CPU，手动地向内存写入程序了。

像这样不经过 CPU 而直接从外部设备读写内存的行为叫作 DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）。在诸位所使用的个人计算机里，硬盘等设备要读写内存时使用的就是 DMA。

DMA 与 CPU的合作任务

当 Z80 CPU 从电路中隔离后，BUSAK 引脚（即 Bus Acknowledge，响应总线请求）上的值就会变成 0。也就是说，把 BUSRQ 引脚上的值设成 0 以后，还要确认 BUSAK 引脚上的值已经变成了 0，然后才能进行 DMA。

Z80 CPU 的其他控制引脚并未使用。所以要把 WAIT 引脚和 NMI引脚上的值设为 1，即连接到 +5V 上。之所以在连接时加入电阻，是为了便于今后加入开关等元件。请诸位先记住一个词——上拉（Pull-up），指的就是像这样通过加入电阻把元件的引脚和 +5V 连接起来。剩下的 HALT 引脚和 ASTB 引脚什么都不连接。

Z80 PIO 的 PA0～PA7（PA 表示 Port A）以及 PB0～PB7（PB 表示Port B）用于与外部设备进行输入输出，所以稍后要把它们分别连接到指拨开关和 LED 上。对于剩下的几个引脚可以这样处理：将 IEI 引脚上拉，IEO 引脚、ASTB 引脚、ARDY 引脚、BSTB 引脚和 BRDY 引脚则什么都不连接。

其实计算机的工作原理非常简单。CPU在时钟信号的控制下解释、执行内存中存储的程序，按照程序中的指令从内存或 I/O 中把数据输入到 CPU 中，在 CPU 内部进行运算，再把运算结果输出到内存或 I/O 中。无论是小型的微型计算机，还是高性能的个人计算机，其工作原理都是相同的。

2.8 连接外部设备， 通过DMA输入程序

下面我们继续布线，这次将计算机主机系统和外部设备连接起来。我们要使用 2 个指拨开关和 1 个按键开关，向地址总线引脚和数据总线引脚发送电信号，然后通过 DMA 将数据总线上的数据存储到内存。下面我们就先将这些元件连接到电路中。

• 将右侧最上方的一个指拨开关连接到作为内存的TC5517 的数据总线引脚 D0～D7 上。
• 再将它下面紧挨着它的指拨开关连接到 TC5517 的地址总线引脚 A0～A7 上。
• 第 3 个指拨开关则通过电阻接到 +5V 上，这样拨动这个指拨开关就可以输入 +5V 或 0V 的信号了。
• 接下来将用于控制内存写入的按键开关连接到 TC5517 的 WE 引脚上。
  为了写入数据，还要将 TC5517 的 RD 引脚上拉起来，连接到 +5V上，然后把 CE 引脚连接到 0V 上。

把这些元件都连接起来以后，就可以拨动指拨开关，用二进制数设定地址总线引脚和数据总线引脚上的数据了。设定完后按下按键开关，数据就会被写入 TC5517 中。

但是如果这些开关直接连接到了 TC5517 的各个引脚上，在程序执行时，开关的状态就会对电路产生影响。因此要使用 74367，在程序执行时把开关从电路中隔离出来。74367 是一种叫作“三态总线缓冲器”的 IC。在这个 IC 的电路图符号中，有用三角形标志代表的缓冲器，表示使电信号从右向左直接通过。但是，只有在 74367 的 G1 引脚和 G2引脚同时为 0 的时候，电信号才能通过。而当 G1 引脚和 G2 引脚同时为 1 时，74367 就会与电路隔离。

一旦打开了 Z80 CPU 的 BUSRQ 引脚连接着的开关，就可以通过 BUSAK 引脚输出 0 得知 CPU 进入了 DMA 状态。因此只要把 BUSAK引脚连接到 4 个 74367 的 G1 引脚和 G2 引脚上，就可以实现通过DMA 向内存写入数据了。

2.9 连接用于输入输出的外部设备

下面轮到把指拨开关和 LED 连接到 Z80 PIO 上了， 当微型计算机运行起来后， 指拨开关可用于从外部输入数据， LED 可用于向外部输出数据。

用于输入数据的指拨开关， 要连接到 Z80 PIO 的 PA0 ~ PA7 引脚上。 连接时没有使用 74367 是为了在程序运行中可以通过 Z80 PIO 从指拨开关获得输入的数据。

表示输出数据的 LED 要通过电阻连接到 +5V 上， 依据惯例， 输入 0V 点亮 LED ， LED 要通过 7404 这样的 IC 连接到 Z80 PIO 的 PB0 ~ PB7 引脚上， 在 7404 的电路图符号上， 末端带有一个小圆圈的三角形符号表示反相器，作用是将左侧输入的电信号反转后（即 0 变 1、1 变 0）输出到右侧。通过这样的设计，当Z80 PIO 的 PB0～PB7 引脚上的值为 0 时 LED 就会熄灭，为 1 时 LED就会点亮。


74367 和 7404 上也都有 Vcc 引脚和 GND 引脚。请将它们分别连接到 +5V 和 0V 上。对于 74367 和7404 中未使用的引脚（标有 NC 的引脚），或者什么都不连接，或者将它们连接到 GND 上。

2.10 输入测试程序并进行调试

微型计算机尽管硬件组装好了， 但若没有输入软件， 计算机还是不能工作的， 所以即使为微星计算机接通了电源， 它也什么都执行不了。

下面编写一段测试程序。 编写时应该使用哪种编程语言呢？ BASIC ？ C 语言？ Java？ 其实这些语言都无法使用， 因为作为计算机大脑的 CPU 只能解释一种编程语言， 那就是靠罗列二进制数构成的机器语言（原生代码）。
如下展示了一段用机器语言编写的测试程序。 程序是指令和 数据的集合， 表示指令或数据的数值是以 8 比特为一个单位存储到内存中的， 这段程序只实现了一个简单的功能，那就是通过拨动连接到 Z80 PIO上的指拨开关控制LED的亮或灭。

接通了微型计算机的电源后，请按下 Z80 CPU 上的 DMA 请求开关。在这个状态下，拨动用于输入内存程序和指定内存输入地址的两个指拨开关，把代码清单 2.1 所示的程序一行接一行地输入内存。

先来输入第一行代码，拨动用于指定地址的指拨开关，设定出第一行代码所在的内存地址 00000000，然后拨动用于输入程序的指拨开关，设定出程序代码 00111110。再然后按下用于向内存写入程序的按键开关。

接下来输入第二行代码，设定出内存地址 00000001，设定出程序代码11001111，再次按下按键开关。反复进行这三步操作，直至输入完程序代码的最后一行。

所有的指令都输入完成后，按下用于重置 CPU 的按键开关，控制 DMA 请求的快动开关就会还原成关闭状态，与此同时程序也就运行起来了。（如照片 2.2 所示）。程序一旦运行起来，就可以用第 3个指拨开关控制 LED的亮与灭， 只要拨动指拨开关， LED的亮灭就会随之改变。 LED并不会只亮一下， 而是一直亮着， 时刻保持指拨开关上的状态。

在单片机广泛应用的今天，CPU、I/O、内存都被集成到了一块 IC 上。

来源：CSDN

作者：芒骁

链接：https://blog.csdn.net/qq_44587855/article/details/104225165