1 前言

本文是基于《编码》、《穿越计算机的迷雾》两部著作进行读后整理的记录性博客。对书中较为重要的内容进行归纳整理进行二次创作，略去了繁琐的讲述细节，力求简明扼要。

编码：一种由若干符号和规则组成的系统，用来向计算机表述指令。

2 正文

2.1 总线

在前面介绍自动加法机时，我们针对当时的电路设备说过，为了简化电路，针对电路中各个位置的指令控制电路进行了省略。本文中我们着重解决两个问题：通过怎样的方法才能把指令加载到 RAM 中？怎样才能把程序的结果变得可见呢？

在前面介绍 RAM 阵列时，我们了解到：RAM 是易失性存储器——当掉电的时候其中的内容就会丢失。所以，长期存储设备也是一台计算机必不可少的部件，只有这样，代码和数据才能够被永久保存，不会因为掉电而丢失重要的数据。

搭建一台完整的计算机还需要很多集成电路，这些集成电路都必须挂载（mounted）到电路板上。在一些小型的机器中，一块电路板足以容纳所有的集成电路，但这种情况并不常见。我们通常所看到的是另一种情况：计算机中各部件按照功能被分别安装在两个或更多的电路板上。这些电路板之间通过总线（bus）通信。如果对总线做一个简单的概括，可以认为总线就是数字信号的集合，而这些信号被提供给计算机上的每块电路板。通常把这些信号划分为如下四类。

地址信号。这些信号是由微处理器产生，通常用来对 RAM 进行寻址操作，当然也可以用来对连接到计算机的其他设备进行寻址操作。
数据输出信号。这些信号也是由微处理器产生的，用来把数据写入到 RAM 或其他设备。这里特别要注意区分术语输入和输出，来自微处理器的数据输出信号会变成 RAM 和其他设备的数据输入信号。
数据输入信号。这些信号是由计算机的其他部分提供的，并由微处理器读取。通常情况下，数据输入信号由 RAM 输出，这就解释了微处理器是怎样从内存中读取内容的。其实，其他部件也可以给微处理器提供数据输入信号。
控制信号。这些信号是多种多样的，通常与计算机内所用的特定的微处理器相对应。控制信号可以产生于微处理器，也可以由与微处理器通信的其他设备产生。比如，当微处理器要把一些数据写入到特定内存单元时，它所使用的信号就是控制信号。

计算机上的各种不同的部件是如何工作的呢？为了能更好地理解，让我们再次回到 20 世纪 70 年代中期去看一看。想象一下，我们正在为 Altair 设计电路板，或者是在为自己设计的 8080 或 6800 计算机做这样的事情。我们不仅要考虑为计算机设计一些存储器，用键盘作为输入，用电视机作为输出；还要考虑关上计算机时，如何把存储器中的内容保存下来。如何把这些部件添加到计算机中呢？下面就来看看能实现这个功能的各种接口（Interface）。

现在回想一下前面所介绍的 RAM 阵列，RAM 阵列有地址输入、数据输入，以及数据输出信号，另外还有一个用来把数据写入存储器的控制信号。RAM 阵列能存放的数据的数量是和地址输入信号的个数有关的，它们之间有着 2 的幂次的关系。

20 世纪 70 年代中期，2102 是用于家用计算机的一款流行的存储器芯片。其管脚分布如下图所示。

这款芯片与 8080 和 6800 微处理器所采用的技术相同。它的存储容量可以达到 1024 位，这个数值可以根据地址信号（A0～A9）、数据输出（DO）和数据输入（DI）信号（输入和输出复用一个信号线）的数目计算出来。使用 2102 芯片型号不同，访问时间（read access time，指从芯片接收到地址信息到输出有效数据所需的时间）也是各有差异，从 350 ns～1000 ns 不等。当需要从存储器中读取数据时，R/ $\overline{W}$ （读/写）信号置 1；当向芯片中写入数据的时候，这个信号要置 0，而且至少要持续 170～550 ns 的时间，也是由所使用的 2102 芯片的型号决定的。

这里我们不得不提到的一个信号就是 $\overline{CS}$ 信号，也称片选信号。该信号置 1 时，芯片不被选中，意思就是说，不会响应 $\overline{CS}$ 信号。

如果想存储整个字节，则至少需要 8 个这样的 2102 芯片。具体的做法就是，把 8 个芯片对应的地址信号、R/ $\overline{W}$ 及 $\overline{CS}$ 信号连接起来，如下图所示。

实际上，这是一个 1024×8 位的 RAM 阵列，或者说是容量为 1 KB 的 RAM。

把存储器芯片安装在一块电路板上，这是很符合实际的做法。那么，到底一块电路板上能安装多少块这样的芯片呢？我们可以选择将它们紧密排列在一起，但一般我们不这么做，更合适的方法是用 32 个芯片组成一个 4 KB 的存储器。这种为了存储完整的字节，而连接在一起的芯片的集合，称为存储体（bank）。例如，一个 4 KB大小的存储器板就由 4 个存储体组成，而每个存储体又包含 8 个芯片。

8 位微处理器，例如 8080、6800，有 16 位地址，可用来寻址 64 KB 的存储空间。存储器板上的 16 位地址信号就有如下所示的功能：

下面详细解释一下这 16 位地址信号。A0～A9 直接与 RAM 芯片相连接；A10 和 A11 用来选择 4 个存储体中要被寻址的那一个；A12～A15 确定哪些地址申请用这块存储器板，换言之，就是这块存储器板响应哪些地址。

微处理器整个存储空间的大小是 64 KB，被划分成 16 个不同的区域，每个区域的大小是 4 KB，我们设计的 4 KB 存储器板占用了其中一个区域。这16个区域划分情况如下：0000h～0FFFh、1000h～1FFFh、...、F000h～FFFFh。

在一种称为比较器（comparator）的电路中，你可以把这个开关和总线上地址信号的高4位连接起来，就像下面这样。

异或（XOR）门电路在两个输入端中只有一个是高电平时，输出才为高电平；当两个输入端同时为低电平或高电平时，输出是低电平。

例如，如果把 A13 和 A15 对应的开关闭合，就意味着让存储器板能响应存储器空间 A000h～AFFFh。若总线上的地址信号 A12、A13、A14 和 A15与开关上设置的值相同的话，四个异或（XOR）门的输出都是 0，或非（NOR）门的输出为 1，如下图所示。

接下来我们把 Equal 信号和一个 2-4 译码器联合起来使用，就能为四个存储体中的每一个都产生一个 $\overline{CS}$ 信号，便于对存储体进行选择。具体连接图如下图所示。

例如，若想选择第三个存储体，把 A10、A11 分别置 0 和 1 就可以了。

[了解] 存储器
在将存储体构成存储器时，可以选择将存储体按照矩阵的形式进行排列：

矩阵式排列

要启用某个存储体，就可以选择启用存储体所在位置的行线和列线：

单个存储器
这里的行线和列线对应着存储体的读写操作，我们可以利用行线和列线对存储体进行读写。而针对每个线的操作需要用到一种叫做多路复用器的设备。
多路复用