六、寄存器 & 內存

一、背景

ALU能執行 算術和邏輯運算，算出來以後的結果須要存起來，可能還要進行多個連續操做，所以須要用到計算機內存。

二、內存分類

隨機存取存儲器：簡稱"RAM"，它只能在有電的狀況下存儲東西，好比遊戲狀態。
持久存儲：電源關閉時數據也不會丟失。

三、 製做只能存儲 1 位的電路

3.1 背景：
前幾集說過的電路都是單向的，老是向前流動，好比上集的 8 位 "脈動進位加法器"。但也能夠作迴向電路，把輸出連回輸入。

3.2 例子1：用一個 OR 門試試，把輸出連回輸入。
（1）兩個輸入（A，）都設爲 0，"0 OR 0" 是 0，因此電路輸出0。

（2）將 A 變成1，"1 OR 0" 爲 1，因此輸出 1。一轉眼的功夫，輸出回到 B，OR 門看到兩個輸入都是 1，"1 OR 1" 仍然爲1，因此輸出不變。


（3）若是將 A 變成 0，OR 門依然輸出 1。

（4）結果：
這個電路能記錄 "1"，並且是永久的，不管怎麼試，都無法從 1 變回 0。

3.3 例子2： AND 門
開始時，A 和 B 都設 1，"1 AND 1" 永遠輸出 1，若是以後 A 設爲 0，因爲是 AND 門，輸出會變成 0。
結論：這個電路能記錄 0，不管 A 設什麼值，電路始終輸出 0。

四、"AND-OR 鎖存器"

把能存 0 和 1 的電路結合起來作成AND-OR 鎖存器。

4.1 特色：
有兩個輸入。"設置"輸入, 把輸出變成 1， "復位"輸入, 把輸出變成 0。
若是"設置"和"復位"都是 0，電路會輸出最後放入的內容。也就是說，它存住了 1 位的信息！
放入數據的動做叫 "寫入" ，拿出數據的動做叫 "讀取"

4.2 缺點：

用兩條線 "設置"和"復位" 來輸入, 有點難理解。

4.3 優化：門鎖電路
爲了更容易用，咱們但願只有一條輸入線，將它設爲 0 或 1 來存儲值；還須要一根線（容許寫入線）來"啓用"內存，啓用時容許寫入，沒啓用時就 "鎖定。由於門能夠打開和關上，因此叫"門鎖"。

將"門鎖"抽象成組件：把 "門鎖" 放到盒子裏 - 這個盒子能存一個 bit。關掉容許寫入線,無論給 "數據線" 什麼值，輸出都不會變。

五、寄存器

5.1 定義：
若是並排放 8 個鎖存器，能夠存 8 位信息，好比一個 8 bit 數字，一組這樣的鎖存器叫 "寄存器"。
寄存器能存一個數字，這個數字的位數，叫"位寬"。早期電腦用 8 位寄存器，而後是 16 位，32 位， 64 位寬的寄存器。

5.2 原理設計

• 寫入寄存器前，要先啓用裏面全部鎖存器。能夠用一根線鏈接全部 "容許輸入線", 把它設爲 1。 而後用 8 條數據線發數據，而後將
• "容許寫入線" 設回 0，如今 8 位的值就存起來了。

5.3 並排放置鎖存器的缺點
若是隻有不多的位(bits)，把鎖存器並排放置，也勉強夠用，可是64 位寄存器要 64 根數據線，64 根"容許輸入線"和1 根線啓用全部鎖存器 ， 加起來也有 129 條線了。若是存 256 位要 513 條線。

改進：使用矩陣 排列鎖存器。

六、矩陣

在矩陣中，將鎖存器排列成網格。
存 256 位，咱們用 16x16 網格的鎖存器，有 16 行 16 列，要啓用某個鎖存器，就打開相應的 行線 和 列線。

6.1 特色：

• 用一根 "容許寫入線" 連全部鎖存器,爲了讓鎖存器變成 "容許寫入",行線，列線和 "容許寫入線" 都必須是 1。

  每次只有 1 個鎖存器會啓用，來存數據。其餘鎖存器會忽略數據線上的值，由於沒有 "容許寫入"。

• 用一根"容許讀取線"來讀數據,從一個指定的鎖存器，讀取數據
• 對於 256 位的存儲,只要 35 條"數據線", 1條"容許寫入線", 1條"容許讀取線"。還有16行16列的線用於選擇鎖存器 .
• 須要某種方法來 惟一指定 交叉路口---多路複用器

6.2 多路複用器：

原理：
須要某種方法來 惟一指定 交叉路口，好比說在城市中，你可能想和別人 在第 12 大道和第 8 街的交界碰面，這是一個交叉點的地址。反應到矩陣中是"12行 8列"。12 用二進制表示爲 1100，8 用二進制表示爲 1000。"12行 8列"能夠寫成 11001000，爲了將地址轉成行和列，咱們須要 "多路複用器。
即 使用二進制表示行和列，來惟必定位鎖存器。

工做方式：
輸入一個 4 位數字，它會把線連到相應的輸出線，若是輸入 0000，它會選擇第一列，若是輸入 0001，會選擇下一列。

一個多路複用器處理行(row) N 另外一個多路複用器處理列(column)。

七、概念抽象

7.1 256 位內存
能夠把 256 位內存當成一個總體。構成以下：

• 輸入一個 8 位地址：4 位表明列，4 位表明行。
• "容許寫入線"
• "容許讀取線"
• 一條數據線，用於讀/寫數據。

7.2 擴大規模，並排放置256 位內存。
一行8個，能夠存一個 8 位數字 ， 8 位也叫一個字節（byte）。
爲了存一個 8 位數字，咱們同時給 8 個 256 位內存同樣的地址，每一個地址存 1 位。這裏總共能存 256 個字節 （byte）。

7.3 當作一個總體的可尋址內存。
有 256 個地址。每一個地址能讀或寫一個 8 位值。

7.4
8 位最多能表明 256 個內存地址 ，（1111 1111 是255，0~255 一共 256 個數字）。要給千兆或十億字節的內存尋址，須要 32 位的地址。

八、 內存

內存能夠隨時訪問任何位置，所以叫 "隨機存取存儲器" ，簡稱 RAM。
RAM 就像人類的短時間記憶，記錄當前在作什麼事。

這節課 咱們用鎖存器作了一塊 SRAM（靜態隨機存取存儲器），還有其餘類型的 RAM，如 DRAM，閃存和 NVRAM。它們在功能上與 SRAM 類似，但用不一樣的電路存單個位，- 好比用不一樣的邏輯門，電容器，電荷捕獲或憶阻器。但根本上 這些技術都是矩陣層層嵌套，來存儲大量信息。