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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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    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 i, l8 j) m4 ]1 A( m4 M$ e; J
    / \2 L, d- q3 m" G

    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组

    3 ~9 f) `  ?& H

    ; `0 ~3 Q; C( k, n& N

    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。

    - `( H5 }/ j5 ?8 L/ Z: 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。


    ; j' T+ W! W* _- z

    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。

    2 G& z  w. |2 d, A% ^2 b' D8 @3 F! N

    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!

    ' _2 n( t6 `; W

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?


    # [5 W* E# {* D! C# Z4 V, N+ a
    ' y. ?7 v8 {8 c9 b
    8 t% q4 A: b5 J6 Y* B

    ( ]( j( |, A9 Q. r, A

    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。


    * r. e1 T3 {# V8 v8 y

    再来看看AND门


    9 p( C! G* I7 c# j8 V6 s
    ! E7 A2 c$ k( G+ F
    ) |6 V$ }" }& z- K* u* q8 c
    / w  h# {' N% U* v$ v

    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。


    * i; q  D1 @. u, i

    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”


    . _$ z+ W' c: P2 w) r9 |1 ]

    9 E- K: [, `4 w. c+ R: k% J
    3 X+ |( S8 v- |7 Z8 Z0 K4 f4 {" z+ F: q+ `

    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!

    # k, O* Z3 a2 W, _+ B7 Y

    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”。


    4 e5 r, _. U2 i+ m( w( L
    3 p( f4 G( f/ ~: o. g; `+ N  }

    % `+ ~! c' R$ Z. U: u. D; \+ Y) D2 K$ b# p

    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。


    9 n+ u% L' d( T

    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”。


    0 e4 W- G. {( D0 }, u

    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。

    - a2 [3 G; V, Z1 v5 _, I7 y. ?
    0 f: ~, d' G3 {/ e

    / }  Z! B* m* a0 t+ }; ?& |1 v  Q& Z# T, _! g- N

    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。

    " C6 _! \) Z" S. e8 G. ^

    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# @0 i" }" \2 }

    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?

    # a1 X( n: Z) [- {  B$ w
    * K6 h- h& N. v# w  I' X% C8 a/ V

    3 g& G: k$ O( ?9 U3 I
    8 X* n0 t! a5 H% k' ^. c- `2 c

    解决方法就是用矩阵!

      o# e* x7 R& M  q

    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。


    - P8 j/ [& P3 \/ X

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?

    ! }  E) @% E+ S$ k# G5 v
    2 B( \8 Q0 J4 _/ T9 O% w/ r9 R- V( S

    $ e  Z: l+ M6 a- w, n+ J$ _5 l* U; G# B9 a6 d: J1 }

    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。


    1 v' Y" j' |; C6 f2 L

    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。

    4 j) G4 I1 M7 n0 u; v

    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。

    $ s, A/ g7 |! d- L# P& P) [

    + l  j* s2 J; T1 u- n# I5 R, H$ T) g, j8 O4 e7 [: [) L
    7 D5 ~3 ]3 `, D/ W# }% P5 q

    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 @8 b% F' S& @5 j' f+ S) q( x

    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?


    5 F6 X, t/ N) |+ z! m( V5 [


    ; N% U; r) Q" I* T" f

    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
    1 A9 ?; g0 C; J% C- Z) B: z" c, t
    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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