我是小七，好久不見。

今天是周一，還有四天就放假了，今天給大家分享的是 Apple-1計算機移位寄存器内部，相關原理講解。（依舊來源于Ken Shirriff）

在之前給大家講過蘋果第一台電腦内部的時鐘芯片，大家點擊标題可以直接跳轉，今天給大家講一下蘋果第一台電腦的内部移位寄存器芯片。

拆解蘋果第一台電腦，沒想到内部時鐘芯片竟然是這樣的？

蘋果的第一款産品是 Apple-1 計算機，正好在 46 年前，也就是 1976 年 4 月 11 日推出。

這台早期的微型計算機使用一種不同尋常的存儲方式來顯示：移位寄存器存儲器。它不是将數據存儲在 RAM（随機存取存儲器）中，而是存儲在 1024 位移位寄存器中。

也就是說将一個位放入移位寄存器，1024 個時鐘周期後，該位從另一端彈出。在随機存取存儲器芯片的早期，移位寄存器存儲器更便宜，因此許多系統都使用它。1當然，缺點是你必須在位可用時使用它們，而不是訪問任意内存位置。

Signetics 2504 移位寄存器芯片的芯片圖

上圖顯示了顯微鏡下的芯片。底層的矽是灰色的，頂部有白色金屬布線。最粗的金屬線為芯片供電。該芯片還具有由一種稱為多晶矽的矽構成的布線和晶體管。照片中的多晶矽呈紅色。大部分裸片被移位寄存器占據，排列成行來回蜿蜒。芯片邊緣周圍的方塊是鍵合焊盤，鍵合線将芯片連接到芯片的外部引腳。

Apple-1 在顯示屏上顯示 24 行，共 40 個字符。與當時的大多數計算機一樣，Apple-1通過存儲字符而不是像素來減少内存。

字符生成 ROM在顯示時将每個字符轉換為 5×7 像素矩陣。為了進一步減少内存，顯示器沒有存儲完整的字節，而是 6 位字符，支持大寫字母、數字和一些符号。

Apple-1 計算機作為電路闆出售。用戶必須提供鍵盤、電源、顯示器和外殼。

六位顯示字符保存在六個 1024 位移位寄存器中，第七個移位寄存器跟蹤光标位置。

下圖顯示了 Apple-1 電路闆上的移位寄存器和時鐘驅動器。這些芯片采用 8 管腳封裝，因此兩個芯片可以放入普通 TTL 芯片的空間。

Apple-1 電路闆，展示了 1024 位移位寄存器芯片和時鐘驅動芯片

下圖顯示了 2504 移位寄存器芯片在 Apple-1 原理圖中的原理圖。這些芯片僅使用 6 個引腳。每個芯片都有一個用于輸入位的連接和一個用于輸出位的連接。其餘引腳提供兩個時鐘信号和 ±5 伏電源。與 RAM 芯片不同，這些芯片不占用地址。

顯示兩個移位寄存器芯片

下圖顯示了 MOS 晶體管的結構。底部是矽，摻雜雜質形成p型矽。兩個導電 p 型區域稱為晶體管的源極和漏極。通道充當源極和漏極之間的開關，由上方金屬栅極中的電壓打開，薄絕緣氧化層将金屬栅極與下面的矽隔開。這三層——金屬、氧化物、半導體——為 MOS 晶體管命名。

P型MOSFET的結構

接下來看看移位寄存器是如何構造？移位寄存器是位在階段之間傳遞，由時鐘脈沖控制。

移位寄存器有 1024 級，可容納 1024 位。每個移位寄存器級使用兩個晶體管和兩個反相器，如下所示。

在第一個時鐘階段，第一個晶體管打開，允許輸入位通過它和第一個反相器。在第二個時鐘階段，第二個晶體管開啟，允許反相值通過它和第二個反相器，産生輸出。因此，一個位需要兩個時鐘相位才能通過移位寄存器級。

在第一時鐘階段，輸入通過第一晶體管。在第二個時鐘階段，輸入由栅極電容保持并傳遞到輸出。

該電路是一個動态移位寄存器。當第一個晶體管關閉時，該值保留在第一個反相器的輸入端，由電路的電容保持。（對于第二個晶體管也是如此。）因為 MOSFET 的栅極幾乎不使用電流，所以位值會在它耗盡之前保持幾毫秒左右。（這與 DRAM 使用的原理相同，通過電容保持位。）隻要時鐘繼續運行，每個階段都會刷新位。

每個反相器使用兩個 MOS 晶體管實現。高輸入打開晶體管，将輸出拉低。低輸入關閉晶體管，允許上拉電阻将輸出拉高。因此，電路将其輸入反相。

逆變器使用左側的電路，該實現使用右側的電路

該電路實際上是用晶體管代替電阻實現的，如圖所示，因為晶體管比電阻更緊湊。上部晶體管的高輸入将其打開，導緻上拉電流流動。

在标準逆變器中，晶體管将始終處于開啟狀态。但是，反相器的輸出僅在一個時鐘階段使用。為了降低功耗，晶體管連接到時鐘，因此它僅在需要時用作上拉電阻。

下圖顯示了移位寄存器級是如何在裸片上構建的。圖像的第一部分顯示了電路在顯微鏡下的外觀，這是一個由矽、多晶矽和金屬電路組成的複雜混雜的電路。在中間，用綠色突出了摻雜的矽，用紅色突出了多晶矽。

在多晶矽與矽交叉的地方形成晶體管栅極（黃色），源極和漏極在兩側。（水平金屬布線應清晰，無需突出顯示。）

多晶矽和晶體管的複雜、優化形狀。最後，黑點表示連接兩層的觸點。在圖像的下半部分，位向右移動，而在上半部分，位向左移動。

移位寄存器的一級

在右下角，移位寄存器的一級由底層電路頂部的示意圖表示。如上面說的，該階段是用六個晶體管實現的。要注意連接至 Vdd 的上拉晶體管又長又細，從而降低了它們的電流。

另一方面，Vcc 的反相晶體管很寬，因此它們提供大量電流。圖像上半部分的電路相同，但旋轉了 180°。注意兩排移位寄存器共享時鐘相位線和Vdd，使布局更有效率。

該芯片具有一種不同尋常的拓撲結構，使其能夠以雙倍速度運行：每個時鐘相位一位而不是每個完整時鐘周期一位。

它通過一個簡單的技巧實現了這一點：它實際上是兩個并行操作的 512 位移位寄存器。第一個在時鐘相位 1，相位 2，相位 1，...上運行，而第二個則相反：相位 2，相位 1，相位 2，...結果是一半會在相位 1 中産生比特，而另一個将在第 2 階段産生比特。輸出電路将這些比特合并成一個單一的輸出流。

從外面看，它看起來像一個 1024 位移位寄存器，運行速度是原來的兩倍。

另一個複雜之處在于，用相同的矽布局可以生産三個 1024 位移位寄存器芯片：2502（組織為四個 256 位移位寄存器）、2503（512×2）和 Apple-1 的 2504（1024×1 ）。不同的芯片是通過在制造過程中改變芯片的金屬布線來創建的，這比構建完全不同的芯片要容易得多。為了支持這一點，移位寄存器被分成八個 128 位段，如下所示。

在 1024×1 芯片中，四個 128 位段組成的兩個鍊并行運行（在相反的時鐘相位上）以産生一個 1024 位移位寄存器。第一條鍊使用淺色鍊段 A、B、C、D，而第二條鍊使用深色鍊段。

這些段通過沿管芯側面的金屬布線連接。芯片邊緣周圍的焊盤被标記，該芯片中未使用灰色的。輸出引腳上方的大電路塊将兩條鍊組合成一個輸出。

該芯片由 8 個移位寄存器鍊組成，每個 128 位長。它們以不同的方式連接，形成不同的移位寄存器芯片。

該芯片的其他變體以不同的方式連接移位寄存器段，并使用額外的輸入和輸出引腳。512×2 2503 芯片使用四個 256 位鍊以及兩個輸入和輸出電路。2502B芯片使用全部8個128位鍊并行組成一個256×4的移位寄存器，具有四個輸入和輸出電路。10

下圖顯示了其中一個未連接的輸出：紅色多晶矽線的一端未連接。對金屬層稍作改動，就可以斷開兩個段之間的金屬布線，而将段連接到此輸出。

中間的多晶矽線斷開了。

最後簡要介紹驅動移位寄存器的時鐘驅動芯片。由于 PMOS 電路，移位寄存器存儲器芯片需要具有高電流和異常電壓的時鐘脈沖：從 5 伏到 -11 伏。這些脈沖由特殊芯片 DS0025 兩相 MOS 時鐘驅動器提供。

下面的芯片照片顯示了該芯片。芯片由四個産生 1.5 安培脈沖的功率晶體管控制。

DS0025 時鐘驅動芯片的模具照片。

以上就是關于蘋果第一台内部移位寄存器的一些原理講解，希望大家多多支持我哦。

圖片來源于小紅書

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