模拟Intel 4004 CPU第一部分

模拟Intel 4004 CPU第一部分

目录

1. 引言
2. Intel 4004 CPU的历史背景
3. Intel 4004 CPU的架构
   • 3.1 4位架构
   • 3.2 内部寄存器
   • 3.3 指令集和控制指令
4. Intel 4004 CPU的支持集成电路
   • 4.1 4001只读存储器
   • 4.2 4002随机存储器
5. Intel 4004 CPU的连接与通信
   • 5.1 外部通信端口
   • 5.2 时钟连接
   • 5.3 存储器控制和选择
6. Intel 4004 CPU的数据存储和输入输出
   • 6.1 内存和数据存储
   • 6.2 输入输出端口
7. Intel 4004 CPU的仿真方法
   • 7.1 仅CPU仿真
   • 7.2 CPU和支持集成电路仿真
8. Java实现的Intel 4004仿真
9. 结论
10. 参考资料

引言

大家好，欢迎来到这个关于模拟计算机的视频，今天我们要讨论的是如何模拟内部的Intel 4004 CPU。在之前的视频中，我们已经谈到了有关CPU模拟的一般内容，以及模拟CPU和整个系统的区别。如果你还没有看过那些视频，请务必去看一下。关于Intel 4004 CPU，它通常被认为是第一款微处理器，这并不意味着之前没有CPU存在，但之前的CPU是使用多个集成电路实现的，并且通常需要一个将不同的集成电路组合起来执行CPU功能的CPU板。然而，随着4004，所有的功能都被集成到了一个芯片中，这是一个重大的突破，为构建今天的计算机奠定了基础，这也是为什么它被认为是第一款微处理器的原因。虽然它还需要一些支持的集成电路，但我们很快就会看到。该芯片于1971年问世，它采用了4位架构，这意味着内部数据以4位寄存器的形式存储，外部数据总线也是4位的，因此实际上只有四根引脚可以传输地址、指令或数据。然而，CPU支持12位地址，这意味着这四根引脚在三个时钟周期内用于发送地址。指令是8位的，实际上还有一些16位的指令，数据是4位的。CPU假设有单独的程序存储和数据存储，并且最大的时钟速率是740千赫。我在这里提供了一些链接，里面包含了关于这个CPU的更多信息。今天的演示中，我只会描述一些对于模拟来说比较重要的特性。

Intel 4004 CPU的历史背景

在介绍Intel 4004 CPU之前，让我们先了解一下它的历史背景。在这之前，计算机的CPU是使用多个集成电路（Integrated Circuits，IC）来实现的，并且通常需要一个CPU板来组合不同的集成电路以执行CPU的功能。然而，Intel 4004 CPU是第一款将所有功能集成到一个芯片中的微处理器。它的出现在1971年，标志着构建现代计算机的重大突破。尽管它需要一些支持的集成电路，但这并不能改变它是第一款微处理器的事实。

Intel 4004 CPU的架构

Intel 4004 CPU采用了4位架构，这意味着内部数据以4位寄存器的形式存储，外部数据总线也是4位的。实际上只有四根引脚可以传输地址、指令或数据。然而，CPU支持12位地址，这意味着这四根引脚在三个时钟周期内用于发送地址。Intel 4004 CPU具有累加器、16个4位寄存器和地址栈等组成部分。累加器是一个4位寄存器，用于存储和操作数据。16个4位寄存器用于存储数据和地址。地址栈用于存储程序计数器，以便程序中的过程调用和返回操作。Intel 4004 CPU支持46个指令，其中41个为8位指令，5个为16位指令。

Intel 4004 CPU的支持集成电路

Intel 4004 CPU需要一些支持的集成电路来完成其功能。其中最重要的两个集成电路是4001只读存储器和4002随机存储器。4001只读存储器用于存储指令，它以256个8位字组织，每个字都用于存储指令。4001只读存储器还提供了一个4位的输入输出端口。4002随机存储器用于存储数据，它以320位的内存组织，分为四个20个4位字符的寄存器。其中16个寄存器用于存储主内存，另外四个寄存器被称为状态寄存器。4002随机存储器还提供了一个4位的输出端口。这些集成电路可以实现多个I/O端口和多个只读存储器的扩展。

Intel 4004 CPU的连接与通信

Intel 4004 CPU通过引脚进行外部连接和通信。它具有四个通信引脚，用于传输数据、指令和地址。除此之外，它还有时钟连接和内存控制电路。内存控制电路用于选择内存块，并且还有一个引脚指示CPU是与只读存储器还是与随机存储器进行通信。当这个引脚选择了只读存储器时，CPU将从只读存储器中读取程序；而当选择了随机存储器时，通常随机存储器中将存储数据。需要注意的是，Intel 4004 CPU只支持直接寻址，即地址直接对应内存或I/O端口，没有其他信号可以选择I/O端口。

Intel 4004 CPU的数据存储和输入输出

Intel 4004 CPU具有有限的数据存储空间。它可以直接寻址的8位指令存储器的容量为4KB，随机存储器存储空间的容量为5120字节。需要记住的是，数据是以4位字的形式存储的，而不是字节，所以如果要以字节为单位来计算，则相当于640字节。另外，Intel 4004 CPU还支持直接寻址的最多16个4位输入端口和16个4位输出端口。

Intel 4004 CPU的仿真方法

对于Intel 4004 CPU的仿真，有两种方法可供选择：仅仿真CPU或同时仿真CPU和支持集成电路。如果选择仅仿真CPU，需要模拟每个通过引脚传输的信号。首先需要写入程序计数器的地址，然后通过三个时钟周期来执行这一步骤。然后需要读取指令，为此还需要模拟只读存储器中的内容。接下来需要解码指令，如果指令需要访问随机存储器，则需要激活存储器选择电路和选择信号，并写入随机存储器的地址。仿真还需要模拟只读存储器和随机存储器中的数据读取和写入，以及更新内部寄存器，最后才完成指令的执行。对于同时仿真CPU和支持集成电路的方法来说，相对来说更简单一些，因为我们可以在一个步骤中读取地址和指令，并且不需要模拟其他集成电路。

Java实现的Intel 4004仿真

为了实现对Intel 4004 CPU的仿真，我们可以使用Java编程语言。在Java中，我们可以将CPU和支持集成电路组合在一个仿真程序中，并使用相应的代码和逻辑来模拟它们的功能。通过这种方式，我们可以更快地进行仿真和调试，同时也能更容易地扩展和修改仿真程序。

结论

通过对Intel 4004 CPU的仿真，我们可以更好地理解其内部工作原理和功能。尽管它是第一款微处理器并且已经过时，但它在计算机技术的发展中起到了重要的推动作用。现代计算机的很多原理和概念都可以追溯到Intel 4004 CPU的设计和实现。通过深入研究和仿真，我们可以更好地了解计算机的发展历程，并在构建和优化新的计算机系统时受益。

参考资料

• Intel 4004 CPU
• Java System Simulator