8.4 KiB
寄存器和内存
:::tip 前去观看第六集 :::
计算机中的存储器
当我们在使用电脑时，突然断开计算机电源时，再次打开电脑，会发现，之前所有未保存的进度全部丢失了。
这是因为电脑使用的是 随机存取存储器 简称 RAM 。
它只会在通电的情况下才会存储东西，一旦断电，存储在 RAM 中的数据将会 全部清除!
另一种存储叫 持久存储（如硬盘，U 盘，光盘等），即使断开电源，存储的数据也不易丢失
存储器的原理与制作
存 1 电路
目前为止，我们所说的电路都是单向的，比如 8 位加法器，但是，我们也可以把输出连回输入，如下图所示：
当 A 端输入 0 时，将会输出 0，B 端将会输入 A 端的值。
当 A 输入 1 时，将会输出 1，B 端这时也会输入 A 端的值。
但如果这时再次输入一个 0，结果将会是输出 1，B 端这时输入的值为 1。
但是问题是，即使尝试再多次，也无法将 1 变回 0！
这是一个 或门 电路。
存 0 电路
如下图所示，当把 或门 换成 与门 时，当 A 端与 B 端相同时将会输出结果，如果当 A 端与 B 端都为 1 时，则会输出 1，当 A 端与 B 端都为 0 时，将会输出 0，如下图所示：
这时如果将 A 端的值设置为 1，B 端的值设置为 0 时，将会是 0，如下图所示：
锁存器与门锁
锁存器
现在，我们有了存 0 锁存器和存 1 锁存器，我们可以把它利用起来，相结合成为「AND-OR 锁存器」
如下图所示：
上方的是 SET 输入，下方的是 RESET 输入:
当 SET=1、RESET=0，就能将输出设置为 1。
当 SET=1、RESET=1，就能将输出设置为 0。
当 SET=0、RESET=0，则会输出 最后放入的内容。
这就是说它存住了一位的信息，这就叫「锁存」，因为它锁住了一个值。
放入数据的操作叫做「写入」，拿出数据的操作叫「读取」。
:::tip 当 OR 门其中 一个 输入为 0 或 AND 门其中 一个 输入为 1，则相当于另外一个输入会直接被输出。
当 OR 门其中一个输入为 1，则 直接输出 1。
当 AND 门其中一个输入为 0，则 直接输出 0。 :::
门锁
用 两条 SET 和 RESET 输入线来控制，有点难理解，为了更容易用，我们希望 只有一条输入线。
因此 将两条线 SET 和 RESET 变为 允许写入线 和 数据写入线，变为仅仅 一条线控制，另一条线输入数据，因此需要 添加其他门控单元，可以得到一个 门锁
通过门锁，将值锁起来。
门锁关闭，锁定原有值，当输入数据发生改变时，输出值不再发生变化。
门锁打开，输入值会写入到输出值。
如下图所示：
寄存器
虽然一个门锁只能存储一位数字，但是我们并排放 8 个锁存器，就可以存储 8 位信息，一组这样的锁存器叫「寄存器」，寄存器能够 存一个数字，这个数字的位数就称为寄存器的 位宽
写入寄存器之前，要先 启动里面所有的锁存器，可以将所有的锁存器的允许写入线 都连接在一起，并把它设为 1，然后用 8 条数据线 发送数据，然后将允许写入线 设为 0，就能将 8 位数据 存储在寄存器中
矩阵网络优化门锁放置
如果只有 很少的位，把锁存器并排放置，也 勉强够用了。
如果是 64 位寄存器，那么要 64 根数据线和 64 根连到输出端的线，以及 1 根启用寄存器的线，那么这样一个 64 位寄存器就需要 129 根线，256 位寄存器就需要 513 根线了，非常耗材。
可以通过 矩阵形式排列来进行化简。在矩阵中，不并列排放锁存器，而是做成表格，存 256 位，我们用 16*16 的网格锁存器，有 16 行 16 列，要 启用某个锁存器，就打开 相应的行线和列线
打开交叉处，更多的细节如下：
用一根行线和列线相并，只有他们都为 1 时才有效，AND 门才会输出 1，我们可以使用 单个锁存器。
这种排列法，用一根 允许写入线(WRITE ENABLE) 连所有锁存器。为了让锁存器变成「允许写入」，行线、列线和「允许写入线」都必须是 1。每次只有 1 个锁存器会这样，代表我们可以只用一根「数据线」连所有锁存器来传数据。其他锁存器会忽略数据线上的值，因为没有「允许写入」。
设置 WRITE ENABLE 和 READ ENABLE 才有用，否则这两条线的经过 AND 门的输出始终为 0。
当 WRITE ENABLE=1 时，输入数据就会 保存在门锁中。
当 READ ENABLE=1 时，就会连通晶体管，将 存储在门锁中的数据输出。
这里添加了一个 READ ENABLE 线来 控制读取，同时将 输入输入和数据输出线合并，从 3 条线减少为 2 条。
并且由于 每次能够控制唯一一个锁存器，所以所有的数据线可以合并成一条。也就是说，对于 256 位存储，只需要一条数据线，一条允许写入线，一条允许读取线和 16 行 16 列的线用来选择锁存器，一共 35 条线。
多路复用器
为了将 地址 转换成 行和列，需要用到 多路复用器，它能够连通输入对应的线，若输入「0001」那么多路复用器就会把第 1 路连通，达到选路的目的。
用 一个多路复用器 处理 行，一个多路复用器 处理 列，由此通过输入行和列的坐标就能定位到对应的锁存器了。
256 位寄存器
可以对 256 位寄存器 进行封装，他输入的是一个 8 位的地址：
4 位表示行，4 位表示列。
同时需要允许写入线和允许读取线，
然后需要一根数据线用于读写数据。
再进一步拓展，可以将 8 个 256 位内存拼在一起，这样就能够一次读写 8bit 数据也就是一个字节数据
由于每个 256 位内存都使用相同的 8 位数据线，因此 8 位数据会存在每个 256 位内存的相同地址中，并且第一个 256 位内存存放第一位，第二个 256 位内存存放第二位，以此类推。
这个模块可以在 256 个地址中存储 256 个字节。
可以对其 进行抽象，看成一个整体的 可寻址内存，其中有 256 个地址，每个地址 能读写一个字节的值。
寻址地址
现代计算机可以在此基础上将内存扩展到 MB 和 GB 级别。
我们这里使用 8 个 16x16 门锁矩阵 可以得到 256 字节的内存，然后可以用 4 位表示行 4 位表示列来进行寻址。
随着内存地址增多，内存地址也必须增长。8 位最多能代表 256 个内存地址
0000 0000 ~ 1111 1111（0~255）一共 256 个数字
要给千兆或者十亿字节的内存寻址，需要 32 位的地址
随机存储器
内存的一个 重要特性 是：能够 随时访问任何位置，所以称为 随机存取寄存器（RAM）
RAM 只记录当前在干什么
RAM 中存储的数据会随着断电而消失！
这次，我们做了一个 SRAM（静态随机存取存储器），还有其他比如 DRAM、闪存等等，他们在功能上与 SRAM 相似，但用不同的电路存单个位，比如用不同的逻辑门、电容器、电荷捕获或忆阻器等等。但根本上，这些技术都是矩阵层次嵌套，来存储大量信息。
接下来
了解了寄存器和内存，那么我们就离计算机的核心 —— CPU 不远了。