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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 ( J, C. s6 I; Q9 }4 h. L$ D; S
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    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组

    ; e* W% n+ I" R6 ~+ w! w

    % x" o& K4 N' V( I9 `0 s, B

    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。


    ) D5 }! v) C5 K' C. S

    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 A8 y3 q0 k- R  E7 T9 x4 x1 C

    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。


    : v) X  Y5 T1 d3 Q3 z4 k

    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!


    ! R& G: s6 Y# H/ B$ n4 g

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?

    - n. V9 V: m$ e9 `6 l! J) ~

    7 R( Q# u) Y( U# T7 `( u4 o, r, Q& D8 q5 E+ j

    1 Y; `- Q5 C9 Z  X0 e8 d

    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。

    + f3 p' O" T! h: [$ _/ f/ X" i

    再来看看AND门


    , m3 F' {: |* P8 Y' u8 a( \
    , I" A3 }4 @4 z2 d- I. `

    8 r& L1 D8 p8 S3 h7 l1 H2 n3 H. ^$ u5 A) K4 f

    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。


    3 V/ q# b0 h  ?- R5 H

    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”

    : r$ G( [; T1 _; @2 w5 t6 j- z
    ! J$ g) P* k4 Z0 ^$ Q5 d' `& p
    & W7 Y* Q4 Q1 I, e

    3 j( F8 M8 p6 E% E

    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!


    3 e  d- q+ d6 p6 X% w

    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”。


    * ~; Y# W' A: p

    9 S$ ]/ l- Z5 T; ]7 y2 U3 o5 x
    4 i- Y" w- e  @( f+ T) g* _$ k8 Y3 \; ?7 M, {

    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。


    / j9 n$ R9 }1 U

    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”。

    1 @% m! D" s) o1 m

    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。


    ' N0 _; {+ c! E. T

    $ l% W% X9 Y: n7 b5 t# E
    : K; l7 U0 b) B' Y0 h' U& ]5 e7 d9 d8 P- y- g6 J' i

    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。


    , w- ]( J! V- }/ L& \

    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?


    ) M" K% O1 _3 U3 f0 \3 E* L4 a7 @& a

    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?

    " D; B% p& h6 A& X! Y& q0 W% f' a+ s# f

    % X0 G, N  ~0 J- y- o- A. Z7 g. R; u) A. X% A

    + Z) E: V. Z2 W) A: N& d) R

    解决方法就是用矩阵!


    : S* E4 Y2 Y$ s  ?

    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。


    ) ?2 N+ m" [! z8 B

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?


    . Z; B+ a4 k( [% m: B$ ]

    % U7 I, V9 X, u2 Y/ J
    2 ^7 q5 I5 y' _& k+ J$ a' o- u1 R; O# b1 H7 L- m! }

    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。


    8 d2 f4 k3 G% X* y- {" r8 u! N  V

    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。

    % h0 {$ X; V$ I5 R3 Q

    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。

    1 Z' I! Q! n( G0 H
    ; P, \7 c) y' S- [5 U

      D6 d4 L$ e, n/ \. R! D: j. u3 R1 K7 m+ r/ k

    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。

    , m0 `3 S$ z  s$ N8 ~3 \# Y1 m2 S, W

    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?


    % J- p5 r1 D! @0 W/ U) w5 `1 _0 {; N

    - e+ _! o: m- y$ @8 k% R# f& w

    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
    0 y  H% s( U' L/ s: P. a
    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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