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数据是如何存入计算机的?

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    [LV.8]以坛为家I

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    1#
    发表于 2020-7-8 13:32 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    本帖最后由 alexwang 于 2020-7-8 13:35 编辑
    % [9 k/ S! N! G2 H) ?
    8 ]$ `: u# H# n$ T* ?4 U

    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组


    ! ?8 T8 E% J, G( Q

    1 L; e3 Z1 c- H. [

    对于计算机我们肯定都很熟悉,它的内部有ALU进行算术和逻辑运算,可是他们运算得出的结果怎么办?扔掉吗?那这个计算就没有任何意义了。

    3 H. e* U0 z0 _; I) G" M( e

    因此,那些计算出来的结果就需要存起来,于是就有了计算机内存。


    8 m' \3 \) Q& T( z/ N

    当打游戏或者编辑某个文档且进入尾声的时候,电源被切断的惨痛经历大家应该都经历过,再次打开电脑的时候,上次的数据都没了,这就是随机存取存储器,简称RAM,还有一种就是电源关闭了数据还在,这就是持久存储。


    5 W) ~. v: Z* y& g% L: h; B. U' }

    上面的有没有理解不重要,现在我们从简单的只能存1个bit电路开始,来了解一下内存的工作原理吧!

    " C9 \. ^8 S% ^" j1 K, q$ V) a

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?

    : H0 r2 u& L1 z* c3 b; d; U( |

    9 c- [( F5 u4 C, q$ v- \7 W7 ~: C9 g- }2 g+ h$ m8 n8 [
    5 E, H- ^! C% E( _( S* H6 @

    首先,将两个输入A、B均设为0,“0 OR 0”是0,输出0;如果将A变成1“1 OR 0”为1,输出1,输出回到B,B变为1,后面再怎么改变A的值,输出仍然为1,这个电路可以用来记录1。

    # W$ ]6 V3 W/ I

    再来看看AND门


    # e% |3 e" J8 m/ V; u
    1 Z1 _) C7 R9 B/ `4 o, G' d
    - r! M  _2 t8 M9 Z# y
    ' c% `9 @* R) g5 m2 z, K( J3 x

    将A和B都设为1,“1 AND 1”的输出是1;如果将A变为0,输出0,输出回到B,B变为0,后面再怎么改变A的值,输出仍然为0,这个电路记录0。

    1 Z; o1 \' v0 c& B- ~5 X6 p7 J2 r6 d

    现在有了记录1和0的电路,为了做出有用的存储(memory),我们将两个电路合起来,变成了“AND-OR锁存器”

    1 I/ E, a! E: |4 K6 o

    - R: B3 S7 [6 m/ ~% Q7 M$ `$ v5 \* K8 p9 o
    % I3 |0 u$ Q# a8 H% a3 @. a: K

    它有两个输入,"设置"( SET )和"复位" ( RESET ),如果“设置”和“复位”都是0,电路的输出就是最后放入的内容,它存住了1 bit的信息,这就是存储!


    8 @3 A+ E. t8 K% ^

    注:之所以叫“锁存”,是因为它“锁定”一个特定值并保持状态不变。数据放入叫“写入” ,数据输出叫“读取”。


    2 h, \: V0 s8 Y9 G' Z
    * G9 L7 K' o& |& s& R9 X

    , o) Q9 ^$ w1 J& S+ A$ @
      P( G; }& I, D2 g& S+ }2 f$ u

    用两个输入SET和RESET有点麻烦,为了更方便,我们只用一个输入线,将它设为0或1来存储值,再加一根“允许输入线”来“启用”(enable)内存,启用时允许写入,未启用时“锁定”,再与一些额外逻辑门就可以组成一个叫"门锁"(Gated Latch)的电路。


    / A1 M) n+ J2 ?! R) G- Z

    刚刚我们只存了1bit,没什么大用,但如果我们并排放8个锁存器,就可以存8位信息,这个8bit数字组的锁存器叫“寄存器”,寄存器能存多少个Bit叫“位宽”。


    / j7 \4 l/ o; `5 W

    早期电脑用8位寄存器,然后是16位,32位,如今大多计算机都是64位宽的寄存器。


    % c: Z" r4 r) E) Z

    " ]' i1 n- C1 t
    4 C4 B+ ?! e5 c# P" |7 P+ Q) I; |4 ^6 ^

    在写入寄存器之前,要启用里面所有锁存器,我们可以用一根线连接所有“允许输入线”,并设为1,然后用8条数据线发数据,最后将“允许写入线”设回0,8bit的值就存好了。

    1 C  ?; U8 |9 L+ D0 f0 H2 h

    对于bit少的,这样并排摆放锁存器可以,可是对于64位寄存器要64根数据线,64根连到输出端,这怎么办?


    / [# j9 ?6 J% C5 a# i

    幸运的是,只要1根线启用所有锁存器,这样加起来也要129根线;那存256个bit,要513根线,存放的数据越多,需要的线就越多,那有什么好的解决方法吗?


    4 ]+ S) S% M9 q* w, g9 r; X8 m
    ! \# k" g' G8 [7 i) ]

    : X  W/ @4 H7 S( g. F# e
    5 `, R( v% ]7 e' x; ]' r

    解决方法就是用矩阵!

    / {2 v, n7 f, {# \- Z% n

    在矩阵中,我们将锁存器做成网格,那么存256位只需要16x16的锁存器。


    ; a! O* Q- X( C- {( c1 \

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?


    & S1 U' `- _3 E) c6 y* j5 r) q- i5 F

    0 D; C, `5 W, g, C% P
    $ ~( Q0 p" A: u& u$ j6 u7 L: c) {4 v# V) B

    如果想打开某个锁存器,就打开这个锁存器交叉处的“允许写入线”,这种行/列配置方法,需要一根共享的“允许写入线”连接所有锁存器,为了使锁存器变为“允许写入”状态,行线、列线和“允许写入线”都必须为1,而且每次只能有1个锁存器启用并锁存数据,这样就可以用一根“数据线”连接所有锁存器来传数据。


    2 W9 N, }' i( O& O# Z

    这样256位的存储,只需要35根线——1根“数据线”,1根“允许写入线”,1根“允许读取线”和16行16列的用于选择锁存器的线。


    0 h3 ?% j0 T: ]. k

    为了将地址转成行和列,我们需要一个叫“多路复用器”的部件,它的工作方式是:当输入一个4 bit数字时,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,则选择下一列,依此类推。

    ; K/ u5 M  }( y, O3 Q5 d  S

    + k! h8 D% ^. ?7 q- c4 g. _, {6 Q' U8 w
    $ G# q; l1 u: X$ `

    一个多路复用器处理行(row),另一个多路复用器处理列(column),那么把256位内存当成一个组件来看,它需要一个8bit地址:4bit代表哪一列,4 bit 代表哪一行,还需要“允许写入线”和“允许读取线”,最后,还需要一条数据线,用于读/写数据。

    4 H8 d% H( h1 b2 o2 M

    今天,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,比如用不同的逻辑门,电容器,电荷陷阱或忆阻器等,但从根本上说,所有这些技术都是用矩阵层层嵌套存储大量信息的,有没有觉得很不可思议呢?


    3 |. l7 y9 c9 `; l# U) R% |


      o3 v4 q% y4 R: ^+ p" c

    出品丨EDA365
    作者丨巢影字幕组
    排版编辑 | momo
    9 w- D" A  E$ T: |/ e; T& _3 E9 `8 j7 B' y2 C" j; S" g* ]  Y7 ~/ V  t% C' v  c7 x6 N0 f8 ^* {: K# N: n! w' e
    9 I$ c4 q" r; U/ y
    注:本文为EDA365电子论坛原创文章,未经允许,不得转载

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    发表于 2020-10-11 20:12 | 只看该作者
    介绍得很详细

    “来自电巢APP”

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    发表于 2020-8-4 10:01 | 只看该作者
    生动形象的教学,清晰明了的阐述,帮!

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    5#
    发表于 2020-10-11 22:05 | 只看该作者
    牛逼,讲的很好

    “来自电巢APP”

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    6#
    发表于 2021-8-17 17:33 | 只看该作者
    讲的好啊

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