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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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    x
    本帖最后由 alexwang 于 2020-7-8 13:35 编辑
    . v6 T) T: @9 A2 D& A  q* w8 o# N4 q7 x9 s

    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组

    9 T  a' \  s' j1 [% O: U


    ! a: K" ~4 w! H7 [( A3 S

    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。

    $ a0 s6 @  ?9 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。

    - `$ d" C) z1 `( l! f$ J- g2 X

    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。


    % `' {! H6 _( l! w' `: \+ 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!


    3 r/ L2 a- Z% V/ l9 t4 h

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?

    ; v0 w& x2 o; B! Z9 j, d
    ' _. B4 Y, e2 A+ j

    " D2 r" C) U% e/ R: m3 L+ x
    ; g# w2 U; k5 T

    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。


    # c' P& K  G: W& L" j, g( h

    再来看看AND门

    2 M' o6 Z: n2 V: Z5 ~4 f3 V! A5 i

    6 n3 K, l" y% k+ c4 W' J7 \' Q
    ' ]; m7 Y5 f( ?0 G& C. N
    # k. H+ H  j) p! C7 u

    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。


      x4 M0 e  ~/ q( |; j& f5 P- O

    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”

    6 T# |; X' b6 @4 P- P

    + F9 x. S% V0 m
    0 d7 X$ \' ?* B7 V$ ?1 H1 f, G# @8 Q- Z* O/ B3 ~

    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!

    + N" X2 ?9 B+ j! F) 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”。

    ! l6 o4 h3 D- w: Z4 M

    & @' W! y" H& Z& `) Z
    ) s8 L4 N6 `: G" j  g4 L8 }8 y% W  ~" I# b# Y) Z; L, [

    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。

    8 N. j1 b8 E, o6 E/ _& N# b

    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”。


    $ J! h9 Y7 f. U3 c" K, l

    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。

    " f; L5 \' X& h& @
    5 F& q& W) R% m0 v6 L
    7 W( a9 t, |7 V: P

    1 n  t5 \. G7 g

    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。


    . R! M5 j. Z4 [& A

    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?


    5 N$ D2 J4 ]) [: t. R6 E$ Z$ N

    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?

    . [- q) }6 O; z) O7 A" {
    : S, R0 N* ?5 Z% h+ X

    . [% Z$ j' }; U( _/ d# x1 q0 B4 t" a# q" D

    解决方法就是用矩阵!


    ) O* W; k% |6 V1 G7 @

    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。

    + e1 P" t7 n, a3 @' P2 r" t0 y

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?


    0 i8 j) `& t4 P+ t6 b

    4 D4 [! O- I1 E: }- }) y4 t+ I' }+ U( Z

    ( O1 |" t* ?2 E. i1 c

    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。

    . C4 J- n" E- N' P. u

    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。

    ) D6 C: t. C8 @# c  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。

    8 x* q$ H& M! R( V) o3 [

    # f1 P5 i2 m+ H, h. T. {* Y' H+ }& C. }, v9 E. Y, n$ {6 A
    # \- M7 H/ f) [/ m% B; k; K0 q* w

    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。


    & C0 T* K0 H' _8 F2 f

    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?

    * M1 M. H) f6 C8 q8 P, d5 l


    . u+ P% y5 H! 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: ]" K: t. }' Z7 x" Y
    注:本文为EDA365电子论坛原创文章,未经允许,不得转载

    该用户从未签到

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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!

    该用户从未签到

    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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