6、寄存器 & 内存

1、背景

ALU能执行 算术和逻辑运算，算出来之后的结果需要存起来，可能还要进行多个连续操作，因此需要用到计算机内存。

2、内存分类

随机存取存储器：简称"RAM"，它只能在有电的情况下存储东西，比如游戏状态。
持久存储：电源关闭时数据也不会丢失。

3、 制作只能存储 1 位的电路

3.1 背景：
前几集说过的电路都是单向的，总是向前流动，比如上集的 8 位 "脉动进位加法器"。但也可以做回向电路，把输出连回输入。

3.2 例子1：用一个 OR 门试试，把输出连回输入。
（1）两个输入（A，）都设为 0，"0 OR 0" 是 0，所以电路输出0。

（2）将 A 变成1，"1 OR 0" 为 1，所以输出 1。一转眼的功夫，输出回到 B，OR 门看到两个输入都是 1，"1 OR 1" 仍然为1，所以输出不变。


（3）如果将 A 变成 0，OR 门依然输出 1。

（4）结果：
这个电路能记录 "1"，而且是永久的，无论怎么试，都没法从 1 变回 0。

3.3 例子2： AND 门
开始时，A 和 B 都设 1，"1 AND 1" 永远输出 1，如果之后 A 设为 0，由于是 AND 门，输出会变成 0。
结论：这个电路能记录 0，无论 A 设什么值，电路始终输出 0。

4、"AND-OR 锁存器"

把能存 0 和 1 的电路结合起来做成AND-OR 锁存器。

4.1 特点：
有两个输入。"设置"输入, 把输出变成 1， "复位"输入, 把输出变成 0。
如果"设置"和"复位"都是 0，电路会输出最后放入的内容。也就是说，它存住了 1 位的信息！
放入数据的动作叫 "写入" ，拿出数据的动作叫 "读取"

4.2 缺点：

用两条线 "设置"和"复位" 来输入, 有点难理解。

4.3 优化：门锁电路
为了更容易用，我们希望只有一条输入线，将它设为 0 或 1 来存储值；还需要一根线（允许写入线）来"启用"内存，启用时允许写入，没启用时就 "锁定。因为门可以打开和关上，所以叫"门锁"。

将"门锁"抽象成组件：把 "门锁" 放到盒子里 - 这个盒子能存一个 bit。关掉允许写入线,不管给 "数据线" 什么值，输出都不会变。

5、寄存器

5.1 定义：
如果并排放 8 个锁存器，可以存 8 位信息，比如一个 8 bit 数字，一组这样的锁存器叫 "寄存器"。
寄存器能存一个数字，这个数字的位数，叫"位宽"。早期电脑用 8 位寄存器，然后是 16 位，32 位， 64 位宽的寄存器。

5.2 原理设计

• 写入寄存器前，要先启用里面所有锁存器。可以用一根线连接所有 "允许输入线", 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，现在 8 位的值就存起来了。

5.3 并排放置锁存器的缺点
如果只有很少的位(bits)，把锁存器并排放置，也勉强够用，但是64 位寄存器要 64 根数据线，64 根"允许输入线"和1 根线启用所有锁存器 ， 加起来也有 129 条线了。如果存 256 位要 513 条线。

改进：使用矩阵 排列锁存器。

6、矩阵

在矩阵中，将锁存器排列成网格。
存 256 位，我们用 16x16 网格的锁存器，有 16 行 16 列，要启用某个锁存器，就打开相应的 行线 和 列线。

6.1 特点：

• 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。

  每次只有 1 个锁存器会启用，来存数据。其他锁存器会忽略数据线上的值，因为没有 "允许写入"。
  

• 用一根"允许读取线"来读数据,从一个指定的锁存器，读取数据
• 对于 256 位的存储,只要 35 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 .
• 需要某种方法来 唯一指定 交叉路口---多路复用器

6.2 多路复用器：

原理：
需要某种方法来 唯一指定 交叉路口，比如说在城市中，你可能想和别人 在第 12 大道和第 8 街的交界碰面，这是一个交叉点的地址。反应到矩阵中是"12行 8列"。12 用二进制表示为 1100，8 用二进制表示为 1000。"12行 8列"可以写成 11001000，为了将地址转成行和列，我们需要 "多路复用器。
即 使用二进制表示行和列，来唯一定位锁存器。

工作方式：
输入一个 4 位数字，它会把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。

一个多路复用器处理行(row) N 另一个多路复用器处理列(column)。

7、概念抽象

7.1 256 位内存
可以把 256 位内存当成一个整体。构成如下：

• 输入一个 8 位地址：4 位代表列，4 位代表行。
• "允许写入线"
• "允许读取线"
• 一条数据线，用于读/写数据。

7.2 扩大规模，并排放置256 位内存。
一行8个，可以存一个 8 位数字 ， 8 位也叫一个字节（byte）。
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 1 位。这里总共能存 256 个字节 （byte）。

7.3 看成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。

7.4
8 位最多能代表 256 个内存地址 ，（1111 1111 是255，0~255 一共 256 个数字）。要给千兆或十亿字节的内存寻址，需要 32 位的地址。

8、 内存

内存可以随时访问任何位置，因此叫 "随机存取存储器" ，简称 RAM。
RAM 就像人类的短期记忆，记录当前在做什么事。

这节课 我们用锁存器做了一块 SRAM（静态随机存取存储器），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。但根本上 这些技术都是矩阵层层嵌套，来存储大量信息。