上節中介紹的ALU進行計算后得到的結果需要對其進行存儲，可能還要進行多個連續操作，這就需要用到計算機內存了。計算機使用的是隨機存取存儲器（Random Access Memory, RAM），其只能在有電的情況下存儲東西。另一種存儲稱為持久存儲（Persistent Memory），電源關閉時數據也不會丟失，它用來存其他東西。

這一節中首先構建能夠存儲1位的存儲器，然后對其擴展來得到內存模塊。

之前構建的都是單向電路，我們同樣可以構建回向電路，把輸出連回輸入。

存儲1的電路

當將OR門構建成回向電路時，可以分析其電路特性

A和B初始為0時，輸出結果為0

將A修改為1時，輸出結果為1，此時B的輸入就變為了1。隨后輸出始終保持為1，不論A如何變化。

所以這個電路能夠永久記錄1，并且無法將1變回0。

存儲0的電路

同理可以分析下AND門構建成回向電路時的特點

A和B初始化為1，則輸出結果為1

將A修改為0時，輸出結果為0，此時B的輸入就變成了0。隨后輸入始終保持為0，無論A如何變化。

所以這個電路能夠永久記錄0，并且無法將0變回1。

所以我們就得到了能夠存儲1和0的電路，為了得到有用的Memory，需要將兩個電路結合起來，可以得到AND-OR鎖存器（AND-OR Latch），上方的是SET輸入，下方的是RESET輸入，當SET=1、RESET=0，就能將輸出設置為1，當RESET=1，就能將輸出設置為0，當SET=0、RESET=0，則輸出最后放入的內容。由此能夠存儲1位的信息（該信息存儲在OR門上方的輸入電極中）！

AND-OR 鎖存器技巧：當OR門其中一個輸入為0，或AND門其中一個輸入為1，則相當于另一個輸入直接穿過這個門。當OR門其中一個輸入為1，則直接輸出1；當AND門其中一個門為0，則直接輸出0。

這叫"鎖存", 因為它"鎖定"了一個值，放入數據的動作叫 "寫入" ，拿出數據的動作叫 "讀取"。

對其進行SET和RESET進行合并，并添加其他門控單元，可以得到一個門鎖（GATE LATCH）

門鎖

其中DATE INPUT表示數據輸入，WRITE ENABLE表示允許寫入線，用來控制是否保存當前輸入的數據。對這個電路進行分析。

當WRITE ENABLE=1時，電路可以化簡為以下形式。當數據輸入為0時，AND門可以忽略OR門的輸出，直接輸出0，并且OR門上方電極也將保存0。當數據輸入為1時，相當于忽略了AND門，OR門的輸出直接和OUTPUT相連，OR門輸出1，并且OR門上方電極也將保存1。所以，當WRITE ENABLE=1時，數據輸入會直接傳到輸出，而且數據輸入會保存在OR門的上方電極，進行數據存儲。

2. 當WRITE ENABLE=0時，電路可化簡為以下形式。此時能夠忽略AND門，直接將OR門的輸出當做OUTPUT，而OR門的輸出其實就是上方電極的數據，由于上方電極就是當前OUTPUT的數據，所以會保持OUTPUT不變。所以，當WRITE ENABLE=0時，會忽略數據輸入，保持OUTPUT不變。

可以將門鎖進行抽象，得到一個能夠存儲一個bit的部件。當允許寫入線為0時，輸出保持不變，當允許寫入線為1時，輸出就是數據輸入，并且能夠將數據輸入進行存儲。

門鎖的抽象

如果我們并排8個鎖存器，就能存儲8位信息。一組這樣的鎖存器稱為寄存器（Register），寄存器能夠存一個數字，這個數字的位數稱為寄存器的位寬（Width）。

寫入寄存器之前，要先啟動里面所有的鎖存器，可以將所有鎖存器的允許寫入線都連接在一起，把它設為1，然后用8條數據線發送數據，然后將允許寫入線設回0，就能將8位數據存儲在寄存器中。

但是通過這種形式排列鎖存器需要太多的線路，64位寄存器需要129條線，256位寄存器需要513條線，可以通過矩陣形式排列來進行化簡。我們可以構建16x16門鎖矩陣（Latch Matrix），其中一共有256個，通過打開相應的行線和列線來啟用某個鎖存器。

門鎖矩陣

局部更大的細節如下圖所示。首先，只有當行列都為1時，設置WRITE ENABLE和READ ENABLE才有用，否則這兩條線的經過AND門的輸出始終為0。當WRITE ENABLE=1時，輸入數據就會保存在門鎖中。當READ ENABLE=1時，就會連通晶體管，將存儲在門鎖中的數據輸出。這里添加了一個READ ENABLE線來控制讀取，同時將輸入輸入和數據輸出線合并，從3條線減少為2條。并且由于每次能夠控制唯一一個鎖存器，所以所有的數據線可以合并成一條。也就是說，對于256位存儲，只需要一條數據線，一條允許寫入線，一條允許讀取線和16行16列的線用來選擇鎖存器，一共35條線。

門鎖矩陣局部細節

由于16x16門鎖矩陣最多16行16列，所以可以分別用4位表示行和列的地址，就能用一共8位來定位一個鎖存器，比如“12行8列”可以表示為11001000。

為了將地址轉換成“行和列”，需要多路復用器（Multiplexer），多路復用器可以有不同的大小。當輸入一個4位數字，它就會將那根線連接到對應的輸出線，比如對列地址輸入0000，它就會選擇第一條線，輸入0001，就會選擇第二條線……有一個多路復用器處理行，一個多路復用器處理列，由此通過輸入行和列的坐標就能定位到對應的鎖存器了。

多路復用器

可以對256位寄存器進行封裝，它的輸入是一個8位地址，4位表示行，4位表示列，同時需要允許寫入線和允許讀取線，然后需要一條數據線用于讀寫數據。（注意：每次只能選擇一個鎖存器，所以數據線只能讀寫1bit數據）

256位內存

對其再進步一擴展，可以將8個256位內存拼在一起，這樣就能一次讀寫8bit數據，也就是一個字節數據。由于每個256位內存都使用相同的8位數據線，因此8位數據會存在每個256位內存的相同地址中，并且第一個256位內存存放第一位，第二個256位內存存放第二位，以此類推。這個模塊可以在256個地址中存儲256個字節。（由于這種設計，所以計算機中以一個字節為尋址的最小單位）

可以對其進行抽象，看成一個整體的可尋址內存，其中有256個地址，每個地址能讀寫一個字節的值。

RAM

現代計算機可以在此基礎上將內存擴展到MB和GB級別。我們這里使用8個16x16門鎖矩陣可以得到256字節的內存，然后可以用4位表示行4位表示列來進行尋址，由此可以將門鎖矩陣擴展到更大范圍，但是需要更多位來表示地址。所以對于nxn門鎖矩陣，存儲空間為

字節，需要的尋址空間為 。比如要給千兆字節的內存尋址，就需要32位的地址。

內存的一個重要特性是：能夠隨時訪問任何位置。所以稱為隨機存取寄存器（Random Access Memory, RAM）。RAM只記錄當前在做什么。

RAM中存儲的數據是保存在OR門其中一個電極上，所以斷電后就無法保存。

這一節用鎖存器做了一塊靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM），還有很多其他類型的RAM，比如DRAM、閃存和NVRAM，它們的功能和SRAM相似，但是使用不同的電路存放單個位。但是根本上，這些技術都是矩陣層層嵌套來存儲大量信息。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的SPI 读取不同长度 寄存器_[读书笔记]《计算机科学速成课》—6 寄存器和内存的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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