锁存器原理/门电路/寄存器

大一小菜鸟还没学过模电数电，对电路的理解过于肤浅，对计算机存储特性的本质也是懵懵懂懂。看完B站上这期视频（哔哩哔哩计算机科学速成课06寄存器），感觉自己对计算机的存储原理又有了进一步的理解。
锁存器，门关时输出上次的结果，门开时输出=输入端。
但是究竟最开始发明这种神奇好用的元件时是怎么想的呢？
本文尝试以逻辑门一步步剖析RAM的创造原理。（纯理论无软件要求，本文验证结果使用的是Multisim 14.0）

最原始的电路仅仅是AND和OR两个逻辑门

AND门

A	B	C
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

当AC相连：

以下是两个重点：
1）不论之前两端是什么只要B一朝变为0则之后再改变B值out始终为零，B低电平触发使这个逻辑门输出结果始终为0，可以说，AND逻辑门“锁住”表格中粗体的三个状态。
2）静态分析：我们试着保持B=1，将目光放到输出。由AND逻辑门特性可以认为当B=1时的输出全靠之前的输出决定

OR门

A	B	C
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

同样的，当AC相连

1）OR逻辑门使得1被“锁住”当B端一朝为1，输出就一直为1
2）静态分析：我们试着保持B=0，将目光放到输出。又由OR电路特性可以认为B=0时，输出靠之前的输出决定

AND和OR合体

就成了AND-OR锁存器

这个“AND-OR锁存器”怎么实现锁存？
A=0,B=0的情况下，B取反后过AND门为1。所以AND门后即是OR电路输出结果相同。
回顾之前OR门的静态分析。
也就是全靠上一次输出结果决定本次输出结果，实现了锁存
验证逻辑关系

A	B	C
0	0	保存上次输出结果
0	1	0（复位）
1	0	1
1	1	0

但是这些规则使用起来未免太不方便
我们想要一个输入In和一个门锁Door，使得Door=1时OUT=In，Door=0时保存上次输入的内容。

也就是说In Door经过一系列变换达到下表的结果.
我们看到上面的AND-OR锁存器有两个输出结果为0的情况:分别是A=0 B=1和A=1 B=1我们选择哪个进行转换呢？别急稍微分析一下就能得到最优解

In	Door	A	B	out
-	0	0	0	上次输出结果
1	1	1	0	1
0	1	0	1	0
0	1	1	1	0

只考虑前半部分转换，则In door看成输入，A、B看成两个输出
先分析没有争议的前两行：
In Door 对A是不是很像AND门的输入与输出？如果我们使用第四行刚好能配合AND门的结果皆大欢喜，电路元件的使用能大大减少之后也更好维护和查错，故我们在In Door选择AND门连接再好不过。

In	Door	A	B	out
-	0	0	0	上次输出结果
1	1	1	0	1
0	1	0	1	0

如下图：

In Door 对B

In	Door	B
0	0	0
1	0	0
1	1	0
0	1	1

看B和AND门两输入的输出结果好像，把In取反刚好和两输入AND门电路一毛一样
所以是In先取反再与Door并。
如图：

使用Multisim验证
发生器和示波器演示
蓝色是门
可见蓝色为高时，out=In
蓝色为低out=最后的In

如图就构造了一个最最简单的可以锁存1bit的锁存器。
当然这么小的锁存器是远远不够我们使用的
我们将八个锁存器并排放到一起，用一根线控制Door线，就成了寄存器，寄存器能存储的数的位数叫做位宽。当寄存器位宽不大时可以采用这种并行连接的方法，当位宽变大，并行连接就显得过于浪费线了。
我们通过矩阵来实现。
之后的实现从锁存器到到RAM的变换。移步哔哩哔哩计算机科学速成课06寄存器
5：30之后的内容，实现了基于锁存器的更高一级抽象。