苹果cpu有几个寄存器（拆解苹果第一台电脑）

我是小七，好久不见。

今天是周一，还有四天就放假了，今天给大家分享的是 Apple-1计算机移位寄存器内部，相关原理讲解。（依旧来源于Ken Shirriff）

在之前给大家讲过苹果第一台电脑内部的时钟芯片，大家点击标题可以直接跳转，今天给大家讲一下苹果第一台电脑的内部移位寄存器芯片。

拆解苹果第一台电脑，没想到内部时钟芯片竟然是这样的？

苹果的第一款产品是 Apple-1 计算机，正好在 46 年前，也就是 1976 年 4 月 11 日推出。

这台早期的微型计算机使用一种不同寻常的存储方式来显示：移位寄存器存储器。它不是将数据存储在 RAM（随机存取存储器）中，而是存储在 1024 位移位寄存器中。

也就是说将一个位放入移位寄存器，1024 个时钟周期后，该位从另一端弹出。在随机存取存储器芯片的早期，移位寄存器存储器更便宜，因此许多系统都使用它。1当然，缺点是你必须在位可用时使用它们，而不是访问任意内存位置。

Signetics 2504 移位寄存器芯片的芯片图

上图显示了显微镜下的芯片。底层的硅是灰色的，顶部有白色金属布线。最粗的金属线为芯片供电。该芯片还具有由一种称为多晶硅的硅构成的布线和晶体管。照片中的多晶硅呈红色。大部分裸片被移位寄存器占据，排列成行来回蜿蜒。芯片边缘周围的方块是键合焊盘，键合线将芯片连接到芯片的外部引脚。

Apple-1 的显示屏

Apple-1 在显示屏上显示 24 行，共 40 个字符。与当时的大多数计算机一样，Apple-1通过存储字符而不是像素来减少内存。

字符生成 ROM在显示时将每个字符转换为 5×7 像素矩阵。为了进一步减少内存，显示器没有存储完整的字节，而是 6 位字符，支持大写字母、数字和一些符号。

Apple-1 计算机作为电路板出售。用户必须提供键盘、电源、显示器和外壳。

六位显示字符保存在六个 1024 位移位寄存器中，第七个移位寄存器跟踪光标位置。

下图显示了 Apple-1 电路板上的移位寄存器和时钟驱动器。这些芯片采用 8 管脚封装，因此两个芯片可以放入普通 TTL 芯片的空间。

Apple-1 电路板，展示了 1024 位移位寄存器芯片和时钟驱动芯片

下图显示了 2504 移位寄存器芯片在 Apple-1 原理图中的原理图。这些芯片仅使用 6 个引脚。每个芯片都有一个用于输入位的连接和一个用于输出位的连接。其余引脚提供两个时钟信号和 ±5 伏电源。与 RAM 芯片不同，这些芯片不占用地址。

显示两个移位寄存器芯片

PMOS集成电路

下图显示了 MOS 晶体管的结构。底部是硅，掺杂杂质形成p型硅。两个导电 p 型区域称为晶体管的源极和漏极。通道充当源极和漏极之间的开关，由上方金属栅极中的电压打开，薄绝缘氧化层将金属栅极与下面的硅隔开。这三层——金属、氧化物、半导体——为 MOS 晶体管命名。

P型MOSFET的结构

移位寄存器

接下来看看移位寄存器是如何构造？移位寄存器是位在阶段之间传递，由时钟脉冲控制。

移位寄存器有 1024 级，可容纳 1024 位。每个移位寄存器级使用两个晶体管和两个反相器，如下所示。

在第一个时钟阶段，第一个晶体管打开，允许输入位通过它和第一个反相器。在第二个时钟阶段，第二个晶体管开启，允许反相值通过它和第二个反相器，产生输出。因此，一个位需要两个时钟相位才能通过移位寄存器级。

在第一时钟阶段，输入通过第一晶体管。在第二个时钟阶段，输入由栅极电容保持并传递到输出。

该电路是一个动态移位寄存器。当第一个晶体管关闭时，该值保留在第一个反相器的输入端，由电路的电容保持。（对于第二个晶体管也是如此。）因为 MOSFET 的栅极几乎不使用电流，所以位值会在它耗尽之前保持几毫秒左右。（这与 DRAM 使用的原理相同，通过电容保持位。）只要时钟继续运行，每个阶段都会刷新位。

每个反相器使用两个 MOS 晶体管实现。高输入打开晶体管，将输出拉低。低输入关闭晶体管，允许上拉电阻将输出拉高。因此，电路将其输入反相。

逆变器使用左侧的电路，该实现使用右侧的电路

该电路实际上是用晶体管代替电阻实现的，如图所示，因为晶体管比电阻更紧凑。上部晶体管的高输入将其打开，导致上拉电流流动。

在标准逆变器中，晶体管将始终处于开启状态。但是，反相器的输出仅在一个时钟阶段使用。为了降低功耗，晶体管连接到时钟，因此它仅在需要时用作上拉电阻。

芯片上的移位寄存器级

下图显示了移位寄存器级是如何在裸片上构建的。图像的第一部分显示了电路在显微镜下的外观，这是一个由硅、多晶硅和金属电路组成的复杂混杂的电路。在中间，用绿色突出了掺杂的硅，用红色突出了多晶硅。

在多晶硅与硅交叉的地方形成晶体管栅极（黄色），源极和漏极在两侧。（水平金属布线应清晰，无需突出显示。）

多晶硅和晶体管的复杂、优化形状。最后，黑点表示连接两层的触点。在图像的下半部分，位向右移动，而在上半部分，位向左移动。

移位寄存器的一级

在右下角，移位寄存器的一级由底层电路顶部的示意图表示。如上面说的，该阶段是用六个晶体管实现的。要注意连接至 Vdd 的上拉晶体管又长又细，从而降低了它们的电流。

另一方面，Vcc 的反相晶体管很宽，因此它们提供大量电流。图像上半部分的电路相同，但旋转了 180°。注意两排移位寄存器共享时钟相位线和Vdd，使布局更有效率。

芯片拓扑

该芯片具有一种不同寻常的拓扑结构，使其能够以双倍速度运行：每个时钟相位一位而不是每个完整时钟周期一位。

它通过一个简单的技巧实现了这一点：它实际上是两个并行操作的 512 位移位寄存器。第一个在时钟相位 1，相位 2，相位 1，...上运行，而第二个则相反：相位 2，相位 1，相位 2，...结果是一半会在相位 1 中产生比特，而另一个将在第 2 阶段产生比特。输出电路将这些比特合并成一个单一的输出流。

从外面看，它看起来像一个 1024 位移位寄存器，运行速度是原来的两倍。

另一个复杂之处在于，用相同的硅布局可以生产三个 1024 位移位寄存器芯片：2502（组织为四个 256 位移位寄存器）、2503（512×2）和 Apple-1 的 2504（1024×1 ）。不同的芯片是通过在制造过程中改变芯片的金属布线来创建的，这比构建完全不同的芯片要容易得多。为了支持这一点，移位寄存器被分成八个 128 位段，如下所示。

在 1024×1 芯片中，四个 128 位段组成的两个链并行运行（在相反的时钟相位上）以产生一个 1024 位移位寄存器。第一条链使用浅色链段 A、B、C、D，而第二条链使用深色链段。

这些段通过沿管芯侧面的金属布线连接。芯片边缘周围的焊盘被标记，该芯片中未使用灰色的。输出引脚上方的大电路块将两条链组合成一个输出。

该芯片由 8 个移位寄存器链组成，每个 128 位长。它们以不同的方式连接，形成不同的移位寄存器芯片。

该芯片的其他变体以不同的方式连接移位寄存器段，并使用额外的输入和输出引脚。512×2 2503 芯片使用四个 256 位链以及两个输入和输出电路。2502B芯片使用全部8个128位链并行组成一个256×4的移位寄存器，具有四个输入和输出电路。10

下图显示了其中一个未连接的输出：红色多晶硅线的一端未连接。对金属层稍作改动，就可以断开两个段之间的金属布线，而将段连接到此输出。

中间的多晶硅线断开了。

时钟驱动器

最后简要介绍驱动移位寄存器的时钟驱动芯片。由于 PMOS 电路，移位寄存器存储器芯片需要具有高电流和异常电压的时钟脉冲：从 5 伏到 -11 伏。这些脉冲由特殊芯片 DS0025 两相 MOS 时钟驱动器提供。

下面的芯片照片显示了该芯片。芯片由四个产生 1.5 安培脉冲的功率晶体管控制。

DS0025 时钟驱动芯片的模具照片。

以上就是关于苹果第一台内部移位寄存器的一些原理讲解，希望大家多多支持我哦。

图片来源于小红书

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