计算机是怎样跑起来的——2.1　制作微型计算机所必需的元件

热身问答 在阅读本章内容前，让我们先回答下面的几个问题来热热身吧。 问题 初级问题 CPU 是什么的缩写？ 中级问题 Hz 是表示什么的单位？ 高级问题 Z80 CPU 是多少比特的CPU？ 怎么样？被这么一问，是不是发现有一些问题无法简单地解释清楚呢？下面，笔者就公布答案并解释。 答案 初级问题： CPU是Central Processing Unit（中央处理器）的缩写。 中级问题： Hz（赫兹）是频率的单位。 高级问题： Z80 CPU是8比特的CPU。 解释 初级问题： CPU是计算机的大脑，负责解释、执行程序的内容。有时也将CPU称作“处理器”。 中级问题： 通常用Hz来表示驱动CPU运转的时钟信号的频率。1秒发出1次时钟信号就是1Hz，所以100MHz（兆赫兹）的话就是100×100万 = 1亿次／秒。M（兆）代表100万。 高级问题： CPU上数据总线的条数，或者CPU内部参与运算的寄存器的容量，都可以作为衡量CPU性能的比特数。在Z80 CPU中，无论是数据总线的条数还是寄存器的容量都是8比特，所以Z80 CPU是一款8比特的CPU。而在Windows个人计算机中广泛使用的Pentium（奔腾） CPU则是32比特的CPU。 本章重点 要想彻底掌握计算机的工作原理，最好的方法就是自己搜集零件，试着组装一台微型计算机。微型计算机（MicroCom）是Micro Computer的缩写，字面含义是微小的计算机，但一般也可用于指代IC元件外露的、用于控制的计算机。因为要制作一台真正的微型计算机既花时间又花金钱，所以本章就在纸上体验一下微型计算机的制作过程吧。需要让诸位准备的只有如图2.1所示的电路图和一根红铅笔。将电路图复印下来后，请诸位一边想象着元件之间传输的信号的作用，一边用红铅笔描画出笔者所介绍的电路，以此来代替实际的布线环节。当所有的电路都描红了，微型计算机也就完成了。 别看只是描了描线，却一样能学到很多知识，甚至可以说不费吹灰之力就能了解计算机的工作原理。从此之后不但消除了对硬件的恐惧感，而且还会感到和计算机更加亲近了。请诸位一定要借此机会体验微型计算机的制作过程。 2.1　制作微型计算机所必需的元件 首先让我们来收集元件吧。制作微型计算机所需的基础元件只有3个，CPU、内存和I/O，每种元件都是作为一块独立的IC在市场上出售的。CPU是计算机的大脑，负责解释、执行程序。内存负责存储程序和数据。I/O是Input/Output（输入／输出）的缩写，负责将计算机和外部设备（周边设备）连接在一起。 这里我们使用Z80 CPU作为微型计算机的CPU、TC5517作为内存、Z80 PIO作为I/O。Z80 CPU是一款古老的CPU，在NEC的PC-8801、SHARP的MZ-80等8比特计算机广泛应用的时代，曾以爆炸般的速度普及过。TC5517是可以存储2K的8比特数据的内存。在计算机的世界里，K表示210 = 1024。TC5517的容量是8比特×2×1024 = 16384比特，即2K字节。虽然这点容量与诸位所使用的个人计算机比起来相差悬殊，但是对于用于学习的微型计算机来说是绰绰有余了。Z80 PIO作为I/O，经常与Z80 CPU一起使用。正如其名，PIO（Parallel I/O，并行输入／输出）可以在微型计算机和外部设备之间并行地（一排一排地）输入输出8比特的数据。在计算机爱好者们沉浸在制作微型计算机的那个年代，这些元件都是常见的IC。这里要先跟诸位事打声招呼，这里制作的微型计算机终归只是用于学习的模型，并没有什么实用的价值。 为了制作微型计算机，除了CPU、内存和I/O，还需要若干辅助元件。 为了驱动CPU运转，称为“时钟信号”的电信号必不可少。这种电信号就好像带有一个时钟，滴答滴答地每隔一定时间就变换一次电压的高低（如图2.2所示）。输出时钟信号的元件叫作“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（兆赫兹）的时钟发生器。 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，指拨开关是一种由8个开关并排连在一起构成的元件（如照片2.1(a)所示）。输出程序执行结果的装置是8个LED（发光二极管）。到此为止，主要的元件就都备齐了。 剩下的就都是些细碎的元件了。表2.1是所需元件的一览表，里面也包含了之前介绍过的元件。请诸位粗略地浏览一遍。所需元件表中的74367和7404也是IC，用于提高连接外部设备时的稳定性。 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，这里也会使用将8个电阻集成到1个元件中的集成电阻（如照片2.1(b)所示）。电阻的单位是Ω（欧姆）。电容是存储电荷的元件，衡量存储电荷能力的单位是F（法拉）。要让微型计算机运转起来，5V（伏特）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220V的交流电变成5V的直流电。