计算机科学速成课 Crash Course Computer Science 第六集 寄存器&内存 Registers and RAM

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计算机科学速成课 Crash Course Computer Science

第六集 寄存器&内存 Registers and RAM

ALU计算后的结果若丢弃了则没有什么意义，所以需要找个方式进行存储，可能还需要进行多个连续操作，这就用到了计算机内存。

随机存取存储器RAM

由于断电而损失数据的原因是电脑用的是“随机存取存储器”（Random Access Memory），简称RAM。它只能在有电的情况下存储东西，比如游戏状态。另一种存储叫持久存储（persistent memory），电源关闭时数据也不会丢失，它用来存其他东西。

存储1位数据的电路：锁存器

需要回向电路，即把输出连回输入。

OR门：两个输入分别为A和B，将输出连回输入B。首先两个输入都设为0，0 OR 0 是0，所以电路的输出为0，如果将A变为1，1 OR 0 为1，所以输出为1，输出回到B，OR门的两个输入都是1，1 OR 1 仍然为1，所以输出不变，此时该电路能记录“1”，但是问题是这个记录是永久的，无论怎么改变输入A都没办法从1变回0。

AND门：两个输入分别为A和B，将输出连回输入B。开始时将A和B都设为1，1 AND 1 输出1，之后将A设为0，由于是AND门，输出会变成0，这个电路能记录0，并且无论A设为什么值该电路都始终输出0。

AND-OR 锁存器

有了能存0和1的电路，为了做有效的存储可以将两个电路结合起来，称为“AND-OR 锁存器”（AND-OR latch）。它有两个输入，“设置”（SET）输入把输出变成1，“复位”（RESET）输入把输出变成0，如果SET和RESET都是0，电路会输出最后放入的内容，即存储了1位的信息。这叫“锁存”（latch）是因为它“锁定”了一个值，放入数据的动作叫“写入”（writing），拿出数据的动作叫“读取”（reading）。

门锁

为了方便使用，增加逻辑门将AND-OR 锁存器改为“门锁”（Gated Latch），两个输入为数据输入（data input）和允许写入线（write enable），一个输出为数据输出（data output）。

将门锁抽象化（不关心内部的逻辑门实现），初始化数据输入和允许写入线都是0，数据输出也是0，此时数据输入从0换到1或从1换到0什么也不会改变——输出依旧为0，这是因为允许写入线是关闭的，所以内容不会变化。将允许写入线输入为1，此时数据输入设为1，1就能存起来，数据输出此时为1，现在关闭允许写入线，输出会保持1，不管数据输入怎么变化，数据输出都不会改变。

寄存器

如果并排放8个锁存器将可以存储8位信息，比如一个8bit数字。一组这样的锁存器叫“寄存器”（register），寄存器能存一个数字，这个数字有多少位叫做“位宽”（width）。早期电脑用8位寄存器，然后是16位，32位，如今许多计算机都有64位宽的寄存器。

在写入寄存器之前需要先启用里面所有的锁存器，可以用一根线连接所有“允许写入线”，把它设为1，然后用8条数据线发数据，然后将“允许写入线”设回0，这样8位的数据就存储完成。

若只有很少的位，把锁存器并排放置可以勉强解决问题，64位寄存器需要64根数据线，64根连到输出端，1根线启用所有锁存器，加起来需要129根线。如果存256位就需要513根线？！解决线过多的方法就是使用矩阵。

矩阵技巧实现寄存器

在矩阵中不并列排放锁存器，而是做成网格。可以用16*16网格的锁存器存储256位，要启用某个锁存器时就打开相应的行线和列线，需要打开交叉处锁存器的“允许写入线”，所有其他的锁存器保持关闭，所以可以用AND门，只有行线和列线都是1时AND门才输出1，用于选择单个锁存器。这种行列排列法用一根“允许写入线”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，并且每次只有一个锁存器会启用，这代表我们可以只用一根数据线连接所有锁存器来传数据，因为只有一个锁存器会启用，只有它会存数据，其他锁存器由于没有允许写入所以会忽略数据线上的值。我们可以使用类似的技巧做“允许读取线”来从一个指定的锁存器读取数据。

所以对于256位的存储只要35条线，1条“数据线”，1条“允许写入线”，1条“允许读取线”，还有16行16列的线用于选择锁存器。

多路复用器

需要某种方法来唯一指定存储位置——地址（memory address），为了将地址转成行和列，需要“多路复用器”（multiplexer）。多路复用器有不同大小，因为以上例子有16行，所以需要1-16多路复用器，工作方式是输入一个4位数字，它会把那根线连到相应的输出线，如果输入0000，它会选择第一列，如果输入0001，会选择下一列，以此类推。一个多路复用器处理行，另一个多路复用器处理列。

把256位内存抽象化：它输入一个8位地址，4位代表列，4位代表行，需要允许写入线和允许读取线，还需要一条数据线用于读写数据。

扩大规模，将多个256位内存并排放置，类似寄存器，一行8个就可以存一个8位（一个字节byte）数字，为了存一个8位数字，我们同时给8个256位内存一样的地址，每个地址存一位，意味着这里总共能存256个字节。

可以抽象化为一个整体的可寻址内存，有256个地址，每个地址能读或写一个8位值。

现代发展

现代计算机的内存扩展到上兆字节（MB）和千兆字节（GB）的方式，随着内存地址的增多，内存地址也必须增长，8位最多能代表256个内存地址，要给千兆或十亿字节的内存寻址则需要32位地址。内存的一个重要特性是可以随时访问任何位置，因此叫随机存取存储器（RAM）。

如今用锁存器做了一块静态随机存取存储器（SRAM），还有其他类型的RAM，如DRAM，闪存和NVRAM，它们在功能上与SRAM相似，但是用不同的电路存单个位，比如用不同的逻辑门，电容器，charge traps或忆阻器，但根本上这些技术都是矩阵层层嵌套来存储大量信息。