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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 0 S) z2 S+ n. Q  ?

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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

    & j1 G9 r- q! {3 Z


    + `( F- U$ ~4 p- r5 x0 C

    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。

    5 ?) \7 w7 S8 H7 i( e: F3 O  m2 j( L

    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。


    7 C0 Z$ o& O9 E3 `- m

    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。


    . k2 T* b/ B+ `4 [( d

    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!

    " y7 I9 J9 ~5 C7 I2 M- b: s$ Q

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?


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    + S# n& \  l; B$ c  f$ W- I4 v: f( d
    5 V8 C4 G" f# n& \8 L  {

    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。


    ' O3 ]/ j! R" w# Y* C

    再来看看AND门


    0 P$ ?) Y# B5 V- x. Q8 S
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    - r" q* s& u8 l

    6 b% _0 ^3 R# Z) y) U  U- x8 N

    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。

    $ o' i, O7 H. W  Y' u7 z& w1 m

    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”

    & r1 t- m7 }* F8 i
    ( e, U7 x: \; G2 a. x# g7 P7 J5 h

    $ n( K8 U9 c& \! K) V8 [# d8 q+ P. Q$ ?* j

    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!


      a, p- @; _/ N1 n' {

    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”。


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    & E8 y$ l# u- \) e7 O
    9 Z8 I" C! m' r1 k

    ) o  p# G. H& B5 b% U  N" 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。


    " P* p7 T6 _! y

    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”。


    2 h9 ^9 S& b5 F6 S+ O9 V  q  P2 Z

    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。


    4 }  f/ D% m  v0 u: }
    : m2 H* V8 S9 C- S2 o# e+ m& K, ]0 \
      M0 C5 }* U7 i0 K
    6 x/ ^" m5 G0 \) W% `

    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。


    - p) F8 p) H6 a1 j" M0 l' 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?


    0 a$ [  {6 f5 _( g' Q) ]

    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?

    + v+ ~9 |$ v3 h) w# T# R' S$ X
      r8 G: q# r) B) q

    8 O6 F. h. p) t3 g* f6 o" p
    , j3 `  j7 N! j& b0 K, l

    解决方法就是用矩阵!


    - v' W& W5 y( N, L- e

    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。

    5 H5 u' b( j4 W8 I

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?

    ) r5 E. F$ ?8 H$ B0 R; M
    / y" G0 @) h, i5 q" ^
    6 |. c4 G. L* Q! T; X* E; D% U$ U
    1 `- u; h# b2 y" u

    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。


    2 O1 s. T, O' \0 a& a

    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。


    " a$ S) u+ {$ O3 N" X

    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。

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    1 `3 D0 m; P# a: {0 p( \$ |  Y6 Y: n& U2 K
    $ D( @* f" \( I; x/ g

    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。

    1 Y1 Z: e6 R$ Y: x* |; Z

    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?


    , m, A0 M4 D$ W$ g$ i

    9 x) f, \/ k, M0 |& e( {

    出品丨EDA365
    作者丨巢影字幕组
    排版编辑 | momo
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    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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