Intel 4004微处理器与内存如何协同工作？

Intel 4004本身没有内置内存，它是一个中央处理器，负责执行指令和处理数据，它的内存是外部的，需要通过专门的地址总线和数据总线与外部的存储芯片（主要是只读存储器ROM和随机存取存储器RAM）进行通信。

第一部分：Intel 4004 微处理器

历史地位与意义

• 第一款商用微处理器：1971年由Intel公司推出。
• 划时代的产品：它将计算机的核心部件——中央处理器，集成在了一块芯片上，开启了“芯片上的计算机”时代。
• 诞生背景：为日本Busicom公司的一款可编程计算器而设计，这个历史背景决定了它的初始设计目标。

主要技术规格

• 架构：4位
• 时钟频率：740 kHz
• 晶体管数量：2,300个
• 速度：约 60,000 条指令/秒
• 寻址空间：4KB (4096 x 4 bits) - 这是理解其内存的关键！
• 指令集：46条指令
• 封装：16针双列直插式封装

架构特点

• 4位数据总线：意味着它一次只能处理4位（半个字节）的数据。
• 4位内部结构：其通用寄存器也是4位的。
• 堆栈：内部有一个8层深、4位宽的硬件堆栈，用于子程序调用。

第二部分：Intel 4004 的内存系统

这是问题的核心,4004的内存系统完全由外部芯片组成，其设计遵循了Intel为它配套推出的MCS-4（Micro Computer Set 4位）架构。

内存寻址空间

4004的地址总线是12位的,这意味着它可以寻址 2^12 = 4096个不同的内存位置，这个空间被统一编址，CPU并不区分指令和数据，它们都存在于这4KB的连续地址空间中。

内存类型与功能

这4KB的地址空间被两种主要的内存类型所瓜分：

A. 只读存储器 - 用于存储程序

• 作用：存储计算机的程序指令和固定不变的数据（如查找表），ROM是非易失性的，断电后数据不会丢失。
• 型号：Intel 4001 芯片。
• 容量：每片 256 x 8 bits (即 256字节)。
• 工作方式：
  • 4004通过12位地址总线寻址。
  • 当CPU从ROM读取指令时,4001芯片会将4位数据放到4位数据总线上。
  • 关键点：4001是8位的芯片，但4004是4位的，一个4001芯片需要被“拆开”使用，其高4位和低4位可以被CPU分别访问，这被称为“位切片”（Bit Slicing）技术。
• 最大容量：要填满4KB的寻址空间，理论上需要 (4096 * 4 bits) / (256 * 8 bits) = 8 片4001 ROM芯片。

B. 随机存取存储器 - 用于存储数据

• 作用：存储程序运行过程中产生的临时数据、变量和堆栈，RAM是易失性的，断电后数据会全部丢失。
• 型号：Intel 4002 芯片。
• 容量：每片 80 x 4 bits (即 40字节)。
• 工作方式：
  • 4002芯片也通过12位地址总线寻址。
  • 它是一个4位的RAM芯片,正好与4004的数据总线宽度匹配，可以直接进行数据交换。
  • 它有一个独特的“刷新”周期，需要CPU周期性地访问它来保持数据。
• 最大容量：要填满4KB的寻址空间，理论上需要 (4096 * 4 bits) / (80 * 4 bits) = 51.2 片4002 RAM芯片，系统会根据需求配置。

内存映射

CPU看到的整个4KB地址空间是统一编址的，这意味着，地址 0x000 到 0xFFF 既可以指向ROM中的指令，也可以指向RAM中的数据，程序员需要自己规划好哪些地址分配给ROM，哪些分配给RAM。

辅助芯片

除了内存,MCS-4架构还包括其他关键芯片：

• 4003: 移位寄存器/输出扩展器，用于驱动LED数码管等外部设备。
• 4008: 地址锁存器，用于扩展地址总线。
• 4009: 读/写时钟发生器/输入输出接口，用于控制与内存和I/O设备的时序和数据流。

总结与现代对比

Intel 4004的内存系统是一个分立、外部的架构，它本身不包含内存，而是通过一套简洁的总线系统，与专门的外部ROM和RAM芯片协同工作，共同构成了一个完整的微计算机系统，这种设计虽然原始，但它清晰地定义了CPU、内存和I/O之间分离和协作的基本原则，这个原则至今仍是计算机体系结构的基础。