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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 % F; o8 Z% a. _$ I9 N! W9 y
    4 B& h6 v  V* A

    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组

    ; s4 D9 N1 s! z9 P  B

    % L2 \/ l8 R0 \7 B; y

    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。


    1 F7 r$ z0 Z) ~# E1 p) y

    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。


    1 Z- Y4 J9 y7 W+ r. A* _" c$ f

    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 D- P! v( e0 d7 E$ P; T

    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!


    6 `2 S3 M3 l' {8 Z- G

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?

    * [; v( M+ ?( i. Q" z  Z, l

    ' h9 Q, q# @+ S( b8 b$ \$ `- {+ ^. p5 Q' J! n

    2 I" X1 y0 b2 \. N) I) h

    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。

    - B! h5 [2 n% P* D$ s% a. M: @+ J

    再来看看AND门


    " Q9 b0 G9 W4 M1 _0 z

    3 b) {% H+ ?) e2 Q$ @. r% `+ l' l0 t, T! E

    8 F8 _( _6 U3 \& f7 r

    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。


    ( s1 m  ?5 `; ]+ g/ j

    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”

    ! U1 g. B! h+ u+ h  ^
    5 b* N* Y0 a: N' v! X% K. u5 m

    ! X6 S! Q# M0 S( b4 o: S) {. ?* ?7 u+ D& x

    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!

    & `7 K, r& ^- R2 x/ {3 Q* ^! l6 ]

    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”。


    # \5 Y. ^; B, r: b4 X. b) l8 k1 p

    - S8 r7 i- l/ u( o+ J. p
      t+ A0 p$ I3 a/ K3 I0 ~6 g5 N, I& k. X3 v! @% ]# b8 p* p0 q( K

    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。

    $ |- F, C! o8 {3 ~/ ]; X+ j

    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”。

    % h3 n1 M2 p4 i6 A

    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。

    2 m3 x1 {* H) e; d4 K
    0 ^# ^0 i0 g' u
    & o; N" v8 t3 |  W1 N( Y. g8 e

    6 W& U+ @% }3 S' Q2 u. h7 E

    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。


      X0 h9 Z# P( K/ P* P/ [

    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' b8 B! S. o' [

    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?


    / x6 k2 P+ k! @( j1 C) |

    - O: Y0 C2 U& y  a
    0 L( W# R9 ]9 N5 ~- P; c
    8 F' w( p6 `8 }5 ?

    解决方法就是用矩阵!

    ) F/ v% I( C' k

    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。


    , J9 M) ^6 C' J1 J

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?


    8 |" ?% A6 O& a2 v! E) d; j, m& V% j
    9 G' I( H7 v$ e& r8 E) i
    ! a# K1 J' s, q9 x) C) J

    $ H; h! U* r, ^

    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。

    0 r; o6 y- R+ z: W

    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。


    / x% M7 _1 Q% D, t6 f

    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。


    , V! b* P* r- \0 y& t$ z

    4 L3 I. Y* Q4 [2 b! j' c; M8 B3 G' m+ c2 V2 f
    2 K) t% ~7 t0 _- s- J3 g6 M

    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。


    ) ^3 u0 c5 j' ?5 W6 g  ^) I7 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?

    ) z& N( D0 m8 k+ F: z: K& _4 |

    ' I5 w% f' }) g1 w, u1 v; q

    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
    & b/ R5 d, X6 q7 ?
    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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