# 1.6 寄存器 & 内存（Registers and RAM）

计算机的存储器（Memory）可分为两种类型：

1. 随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）：仅在有电的情况下存储内容，常用作内存。
   * SRAM( Static Random Access Memory，静态随机存取存储器）：“静态”是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持（接下来用锁存器做的就是它）。
   * DRAM( Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器)：“动态”是指所储存的数据需要周期性地更新。
   * Flash：允许多次写入的非易失性存储器。
   * NVRAM( Non-Volatile Random Access Memory）：非易失性随机存取存储器。
2. 持久存储器（Persistent Memory）：电源关闭时，数据也不会丢失。

## 1.6.1 AND-OR 锁存器

用 OR 或门可以记录 1，用 AND 与门可以记录 0：

![记录 0 或 1](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FNHUCDK6b0tqLpuXdu53v%2F0.png?alt=media)

将两者如下图所示连接则构成 AND-OR 锁存器，可以锁定（latch）一个值来存储 1 位信息，故有此名。其有两个输入：「设置」为 1 则输出为 1，「复位」为 1 则输出为 0，两者均为 0 则输出最后记录的数字。

![AND-OR 锁存器](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FuP52UYATArr2FqnrPQl6%2F1.png?alt=media)

另，通常将放入数据的动作称为「写入」（writing），拿出数据的动作称为「读取」（reading）。

## 1.6.2 门锁（Gated Latch）

AND-OR 锁存器需要用两个输入记录一个数字，使用起来较为麻烦，因此引入可以控制读写的「门锁」（Gated Latch）来存储 1 bit。门锁在输入输出之外，添加了一条允许写入线（Write Enable）——启用时允许写入数据，反之锁定（locked）。

![门锁](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FKEl8CL9KH36VSPaMwPRI%2F2.png?alt=media)

## 1.6.3 八位锁存器（8-bit Latch）

将 8 个门锁用 1 根允许写入线连接，构成八位锁存器，可用于存储 8 位信息。先将允许写入线置 1，写入数据后将其置 0 则可完成存储。

![八位锁存器](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FxL0Q8FdngdzigEmh8kak%2F3.png?alt=media)

## 1.6.4 锁存器矩阵（Latches Matrix）

### 连接

使用 16 × 16 个可存储 1 bit 的锁存器矩阵来存储 256 位，当需要启用某个锁存器时就打开相对应的行线、列线和允许写入线。

![锁存器矩阵](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FysM190qbBRv1u2SFKeYH%2F4.png?alt=media)

在交叉处使用 AND 与门连接，当且仅当行线、列线、单个锁存器的允许写入线均为 1 时，才允许该锁存器进行写入。

![\[使用与门连接](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FYdK5zWiBHXNVbFnmQgsh%2F5.png?alt=media)

这也意味着可以使用 1 根数据线来连接矩阵中的所有锁存器用于传输数据，因为可根据行列线进行需要开启的锁存器。类似地，可以使用 1 根允许写入线来控制从矩阵中的某个锁存器读取数据。

因此，256 位的锁存器矩阵仅需 35 条线连接—— 1 条数据线、1 条允许写入线、1 条允许读取线以及 16 行、16 列用于选择锁存器的线。

### 选择

4 位二进制数可表示的最大数字为 16，刚好足够满足对 16 × 16 的矩阵进行行数、列数的地址编码。

可以使用 8 位二进制数来唯一标识行列交叉处的锁存器，比如第 12 行第 8 列的锁存器可以表示为 1100 1000，这就是前文 1.4.4 节中提过「位址」（memory addresses）。

为了使机器读懂这个位址，需要使用 2 个支持 16 路的「多路复用器」（multiplexer）来分别处理行列地址，输入 4 位的数字后，多路复用器会连通相应的行/列线。

![多路复用器](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FdCQbY2fD8Zuvdiqy1UNs%2F6.png?alt=media)

16 × 16 的单位锁存器矩阵可以存储 256 个 bit，将 8 个 256-bit 的存储器连接起来构成大小为 256Bytes 的存储器。

![256Bytes 的存储器](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2F0KQdnR7BpK4XrHywehPk%2F7.png?alt=media)

在 256Bytes 存储器中，一个八位数字是将每位各自存储在一个 256-bit 内存中，1 个 256-bit 存储器中的某位比特与其余 7 个 256-bit 存储器中的某 7 位比特共享同一个地址。因此，256Bytes 内存中也只有 256 个地址，各自代表 1Byte 的大小，可读写 8bit 值。

简单起见，将这个 256Bytes 的存储器当作整体抽象为一个可寻址存储器。

![8 位可寻址存储器](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FTxCddExkjSPIiYWZ2kA0%2F8.png?alt=media)

## 1.6.5 RAM

8 位位址最多可以表示 256 （0\~255）个地址，想要对 TB 或是 GB 级别的存储器寻址则更高位的数字表示地址（比如 16/32 位）。

![1980s 的 1MB 内存条](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2Fb9wqyZkCRDsrFWaslPXI%2F9.png?alt=media)

上图是 1 MB 大小的 RAM 内存条（1980s），通常是由 8 个内存模块（memory modules）构成，1 个内存模块里有 32 个内存方块（squares of memory），1 个内存方块中有 4 个小块（block），1 个小块中有 128 × 64 位的矩阵，单个小块是 8192bits 大小。

因此，1 个内存方块中有 8192 × 4 = 32768 bits，总共有 32 个内存方块，单个内存模块大约在 100w bits 大小，有 8 个内存模块，总共是 800w bits 约等于 1 MB 大小。