计算机是怎么跑起来的
本章对读《计算机是怎么跑起来的》的读书笔记
计算机的三大原则
计算机三大原则
- 计算机是输入、运算、输出的机器
- 程序是指令与数据的集合
- 计算机的处理方式有时与人的思维习惯不同
输入、运算、输出时计算机的硬件基础
技术机通过外部设备进行输入，其内部IC对输入进行运算处理，最终返回到外部的输出，输出开始后必须经过运算，最后必须有输出。
软件是指令与数据的集合
对于软件，即程序的基础。所谓的程序，就是指令与数据的集合。无论程序如何复杂、高深，其内容都是指令与数据。所谓指令，就是控制计算机进行输入、运算和输出的命令。把计算机向计算机发出的指令一条条列出来，就得到了程序。
程序的数据分为两类，一类是作为指令对象输入的数据，一类是从指令执行的结果输出得到的数据，在编程是我们称为“变量”。
对计算机来说什么都是数字
计算机的硬件由大量的IC组成，每个IC都有许多引脚，而引脚通过电压高低（0，+5）来表示状态，因此计算机则通过0、1来表示电压状态，该物理特性则使计算机用二进制来表示所有的信息。
试着制造一台计算机
制作微型计算机所需的原件只有3个，CPU、内存和I/O。
- 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连接在一起
此处需要使用Z80 CPU作为微型计算机的CPU、TC5517作为内存、Z80 PIO作为I/O，同时还需要若干辅助原件，使用2.5KHz的时钟发生器来驱动CPU的运转，通过拨动指拨开关作为输出程序，输出程序执行结果使用LED来表示。
使用的元器件如图
电路图如图
连接电源、数据和地址总线
将+5V的电源连接到各个IC的Vcc引脚用于供电，将0V的电源连接到各个IC的GND引脚上，且将+5V与0V电源接到时钟发生器上，这样这些IC与时钟发生器就可以工作了
计算机以CPU为中心运转。CPU可以与内存或I/C进行数据的输入与输出。为了指定输入与输出的源头或目的地，CPU上备有“地址总线引脚”。Z80 CPU的地址总线引脚共有16个，用代号 A0A15 表示。用二进制表示的话就是 00000000000000001111111111111111 ，因此Z80 CPU可以指定65536个数据存取单元，进行输入输出。
指定存取数据的地址，就可以使用数据总线引脚进行数据的输入和输出。Z80 CPU的数据总线引脚共有8个用代号D0~D7表示。Z80 CPU可以一次性地输入或输出8比特的数据，这就意味着如果要输入输出位数大于8比特的数据，就要以8比特为单位切分这个数据。
作为内存的TC5517上也有地址总线引脚（A0A10）和数据总线引脚（D0D7）。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2048个8比特的数据。但由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，使用我们只使用TC5517的 A0~A7 这八个引脚，并将剩余的引脚地址接到0V上。
连接I/O
需要先了解作为I/O大的Z80 PIO的结构才能理解为什么要这么布线。寄存器是位于CPU和I/O中的数据存储器。Z80 PIO上共有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个寄存器分别叫做端口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。Z80 PIO有两个端口，端口A和端口B，最多可与连接2个用于输入输出8比特数据的外部设备。
了解大体结构后开始布线。因为Z80 PIO上也有D0~D7的数据总线引脚，所以先把他们和Z80 CPU中带有相同代号的引脚连接起来。这样就可以使用这8个引脚交换数据了。
接下来要把Z80 PIO的B/Ā 和C/D̄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，反之若没有横线则表示赋予该引脚该引脚该引脚1（+5V）可使之有效。因此若赋予B/Ā引脚1则表示选择B,反正赋予0则表示选择A。同样地，若赋予C/D̄引脚1则表示选中的是C（Control，表示控制模式）；反正赋予0则表示选中的D（Data，表示数据模式）。
通过Z80 CPU的A0A7地址总线引脚可以选择内存（TC5517）中的存储单元。同样地，使用Z80 CPU的A0A1地址总线引脚也可以选择I/O（Z80 PIO）中的寄存器。
连接时钟信号
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和Z80 PIO的CLK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。
连接用于区分读写对象是内存还是I/O的引脚
至此,我们已将Z80 CPU连接到TC5517和Z80 PIO上,这两次连接都使用到了地址总线引脚A0和A1.如果这样连接就会导致一个问题,当地址的最后两位是00、01、10和11时，CPU就无法区分访问的TC5517的存储单元，还是Z80 PIO的寄存器。
Z80 CPU上的-MREQ（即Memory Request，内存请求）引脚和-IORQ（即I/O Request，I/O请求）引脚解决了这个问题。当Z80 CPU和内存之间有数据输入输出时，-MREQ引脚上的值为0，反之为1。当Z80 CPU和I/O之间有数据输入输出时，-MREQ引脚上的值为0，反之为1。
若把TC5517的-CE引脚设为0，则TC5517在电路中被激活，若设成1则从电路隔离，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。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。
按照上面的讲解，下面需要把Z80 CPU的-MREQ引脚连接到TC5517的-CE引脚上，然后把Z80 CPU的-IORQ引脚连接到Z80 PIO的-CE引脚和-IORQ引脚上。
对内存和I/O而言，还需分清CPU是要输入还是输出数据。为此就要用到Z80 CPU的-RD引脚和-WR引脚，来区分输入与输出。需要将这两个引脚与TC5517上同名的引脚连接起来。Z80 PIO虽然只有-RD引脚但由于数字IC要么是0要么是1，因此只用一个-RD引脚也能表示输入与输出。
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，是因为这些引脚上输入输出的电信具有控制IC的功能。
首先把Z80 CPU的-M1引脚和INT引脚与Z80 PIO上标有相同代号的引脚连接起来。-MI是用于同步的引脚，-INT是用于从Z80 PIO向Z80 CPU发出中断请求的引脚。
一旦把Z80 CPU的-RESET引脚上的值先设成0再还原为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。
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（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。该行为称为DMA。
当Z80 CPU从电路中隔离后，-BUSAK引脚（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后，还要确认-BUSAK引脚上的值已经变成了0，然后才能进行DMA。请把-BUSAK引脚分别连接到4个74367的G1和G2引脚上。
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+5上。之所以要在连接时加入电阻，是为了便于在今后加入开关等原件。剩下的-HALT引脚和-ZASTB引脚什么都不接。
Z80 PIO的PA0PA7以及PB0PB7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。
到此为止，Z80 CPU、TC5517、Z80 PIO以及实在发生器上要用到的引脚就都接入电路了。这意味着计算机主机系统的功能完成了。
