从寄存器到存储器

复习

• 一个寄存器可以保存一个多位数字
• 时序逻辑用寄存器保存数据和状态
• 数据一多，就不能再为每个寄存器单独拉一套接口

TL;DR

• 把许多寄存器排在一起，再为每格编号，就得到存储阵列
• 地址说明这次访问哪一格
• 译码器选择写入位置，多路选择器选择读取位置

正文

　　一个 8 位寄存器能记一个数。要记 16 个数，可以摆 16 个寄存器；可若每个都单独拉出读线、写线和开关，机器很快会被线淹没。

　　老办法又来了：给每一格编一个号，对外只留一组公共入口。

给格子编地址

　　假设先摆 4 个 8 位寄存器：

　　两位地址有 4 种组合，刚好选中 4 格。一般来说，n 位地址可以区分 2ⁿ 个位置。

写入时只开一扇门

　　写入时，所有寄存器都能看到公共数据线，但地址译码器只打开其中一格的写使能。因此只有被选中的寄存器会在时钟边沿更新，其余继续保存原值。

　　读取时，所有寄存器都输出自己的内容，多路选择器再根据地址，只把其中一格送到公共出口。

　　无论里面有 4 格还是 1024 格，对外操作都只有两种：

读：给地址 → 得到该地址的数据
写：给地址和数据 → 发出写入信号

这就是存储器

　　继续扩展行列、地址和选择电路，这排有编号的抽屉就成了真正的存储器。站在机器其他部件的角度，它只暴露几样东西：

• 地址线：打开哪个抽屉
• 数据线：放进去或拿出来的内容
• 读写控制线：这次是读还是写

　　地址不是数据本身，只是数据所在的位置。就像“12 号抽屉”并不是抽屉里的纸条。

临时存储与长期存储

　　用来临时保存程序和计算数据的通常是 RAM。它能按地址访问任意位置，但常见 RAM 断电后会丢失内容。

　　机器启动时最先执行的程序不能随着断电消失，因此会放进 ROM 或其他非易失存储。ROM 的名字来自“只读存储器”；现实中的许多实现也能通过特殊方式改写，只是不会像 RAM 那样被日常运算随手覆盖。

　　寄存器很快，却昂贵；存储器能保存更多数据，也为程序和中间结果提供了统一的地址。现在，会算的运算器和会记的存储器都准备好了。下一章，把它们接成一台需要人手控制、但已经能读取、计算和写回的小计算机。

思考题

　　要区分 256 个位置，地址至少需要多少位？如果每格保存 8 位，总容量是多少？

小结

知识点

• 地址为多个存储位置编号
• 译码器负责写入选择，多路选择器负责读取选择
• 存储器通过地址、数据和读写控制线工作
• RAM 与非易失存储承担不同任务

思考题答案（仅供参考）

　　需要 8 位地址，因为 2⁸ = 256。每格保存 8 位，也就是 1 字节，因此总容量为 256 字节。

协议

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设计师 | 南国微雪