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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 - X- o. i- M7 n& R7 M) n

    $ {0 P* r+ g, X2 `2 ], H$ m

    数据是如何存入计算机的?

    EDA365原创   作者: 巢影字幕组


    . z$ \9 @/ }& N2 a( V


    " q0 @9 m$ r/ 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。

    4 }! G2 `8 ~- K. W* a2 y! L! t! N2 D

    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。


    . c# n; ^9 r  L9 U% J

    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。


    6 \3 A' h! _, h9 `8 R4 ]' P) A

    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!


    1 f  a/ n) i% o

    先看OR门,将输出传回输入,看看发生了什么?

    2 v0 y- ~5 k& h2 F$ a

    ! C% X# B( L7 [" T% l
    0 a; B$ C0 L* @0 s" ?/ I9 Z8 Z6 i& q0 V% 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。

    $ W' h3 X3 t+ S( e+ n

    再来看看AND门

    : B' M$ w. M3 g! B

    ! X2 R' C& Y9 K  z% _
    6 R9 _1 C/ j) ]( y% v
      R; X0 D" C/ e( F8 s

    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。


    % P. ]0 R9 ~6 a$ i7 g! S# P

    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”


    5 \% {6 u# {+ A& U! L; E& f+ @
    2 W0 H/ N' `  k$ X+ h& A, }5 J
    . l& j* k8 t/ @
    / D, B' M7 e5 ~* W

    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!

    9 |+ e2 f" r) b! N4 M

    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”。

    " d2 K. ?' E3 @& E

    # N" l5 N% L& ~7 R5 `
    : S# I. P: M$ V; G; y( L- K, G7 R/ 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。


    5 m4 A3 X1 f/ I9 U  x

    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”。

    3 ~' N. L2 Q2 ?3 y5 U, @( S; w

    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。


    / K. g2 `$ |5 z8 h" H

    # C3 C5 g6 c8 f, Z" r
    , I# m* O! T+ l! f8 w, s5 p8 R1 L" e! r2 p

    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。

    2 C2 @. N& W- s& M# D4 f2 L

    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 m" G  N' J+ }# L: }

    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?


    : d  K  i& o  S: y% H" g  x3 p
    # d6 g  E$ Y9 {1 W" h( H8 }, C+ {( S# E

    3 X9 r1 o. L  l8 l- o6 k9 Y% N5 P/ d1 x) {/ R0 ^6 e4 p

    解决方法就是用矩阵!


    . p, Z1 r+ D, Z$ p

    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 Z% p' [4 |" i" I% S% k

    让我们看看矩阵锁存器是如何工作的吧?


    / z1 N: d& C8 J. v, u8 i0 V8 L
    $ k- b- j6 _& s. i; s/ [9 {

    8 q& x" N: H9 G3 ]. ]" G- N2 F; K4 r9 `; m1 B

    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。

    & p+ E; ^) Z0 u( Z7 R9 R4 n

    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。


    : F# S* X/ ^3 t1 S1 j6 \% r

    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。

    ! Q6 j; f1 v1 W- m% \. h; W
    * o* G& z. _2 i8 l2 {
    ' Q' b/ ]* |: k+ e) w! v( v( a) S' ~9 Q1 i
      g& v: U9 N$ u( x

    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。


    % F4 \6 `$ o+ A1 M3 X5 x) [9 `, H- }

    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?


    " a; X; Z- Y8 A" t% R. p' P; ~+ ]6 m! E" O

    ' z& _; q4 |0 ]: ~

    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* ^: n8 h8 `! Q$ b5 h
    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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    发表于 2021-8-17 17:33 | 只看该作者
    讲的好啊

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