计算机的制作（四）-存储器

admin · 发表于 2020-10-20 11:41:37

一、最小存储单元构造1、最小存储容量的存储器就是上升沿D触发器，它仅仅只能保存一位数据（1个比特）。但是，它是制造大容量存储器的基础。2、只能保存一位数据的存储器显然无意义。3、存储器最好能保存一大堆二进制数，而不是一大堆单个比特。4、就像你的书柜用来存放大量的书，而不是堆满没有装订在一起的纸。5、存储器应该只有一个出入口，而且必须使用传输门。如下图所示：                   ·<img class="" data-ratio="0.3638392857142857" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9kCiaoSickjlo9J0DHKicwLt5ZT8txP4pUxib1zf0XtL3kojibnKHRia05Iibg/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="448" style="" />介绍：1、上图的电路就是存储器的最基本组成单元。2、它的组成：1个上升沿D触发器、1个传输门G。3、传输门在这里作用：将上升沿D触发器的输出Q同外部接通或断开。4、工程师将保存一个数据到存储器称为“写”，从存储器取出一个数称为“读”。都称为“访问”(Access)。 原理：1、平时，W和R都为0，存储器什么都不做，既不能读出数据，也不能写入数据2、W=0时，触发器的CP端没有接到上升沿触发信号，该存储器不能写入数据3、R=0时，传输门G是断开的，该存储器不能读出数据4、当R=0使传输门断开,W从 0上升到1（上升沿）时，DB过来1比特数据被存储到触发器的输出Q上。然后再使W=05、当R=1使传输门G打开，触发器Q端的比特被送入DB总线。然后再使R=0注意：在存储器写入数据时，读R如果为1使传输门G打开的话，可能会短路烧毁存储器。6、上图称为一个比特单元，简化电路符号如下图所示：<img class="" data-ratio="0.8279569892473119" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9ujpoSQGmCy9wjcjemqmOZYlKSAw5F3CpGX3ok1JLMZ0E9yN05QXb3w/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="93" style="" /> 二、存取一个二进制数在上图比特单元的基础上可以制作能同时写入或读取5比特（如11010）的存储器，如下图所示：<img class="" data-ratio="0.31993006993006995" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib945kg0xw3UHC5VYQM6cI9jryxqFwXTdzxCkiamOib0tznibiaELFqRX1aXg/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="572" style="" />原理：1、当你要写一个5比特（如11010）的二进制数时，把它的每一位分别放到D0~D4这5根线上，保持“读”线=0不变，并通过“写”线发出一个上升沿脉冲，这时，它将分别被独立保存起来。2、当你要读出这个5比特（如11010）的二进制数时，只需要使“写”线=0不变，“读”线=1即可，它的每一位会自动出现在D0~D4上。 三、存取4个二进制数在上图存储器的基础上可以制作容量更大的存储器。能存储一个二进制的存储器很像一个楼层，那么只需要多盖几层就能存储更多的二进制数，如下图所示：<img class="" data-ratio="0.8505942275042445" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib96JCK2mOUKtzSIEhKHGd35RK2jgU09dugLNeURZtjhqxzaJtQB7icdBQ/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="589" style="" />原理：1、此存储器可以保存四个5比特的二进制数。2、如果你想保存更多的比特，可以多盖几层。3、现代存储器每一层存储8个比特、16比特、32比特甚至64比特4、1比特用1bit表示，称为一位5、计算机行业规定：1字节有8比特数据，用1Byte表示，简写为1B，称为1字节1 Byte = 8 bits；1 KB = 1024 Bytes；1 MB = 1024 KB；1 GB = 1024 MB；1 TB = 1024  GB。 四、大容量存储器数据的存取既然我们可以把存储器看作楼层，那么，为了指明把一个二进制数据存到第几层，或者从第几层读出来，需要给每一层编号，从0层开始编号。要是你想往第99999楼层写入或者读出一个数据的话，你得准备从十几万个开关中找到这个写入或者读取的开关，并对它进行操作。这种设计既占地方又费钱，而且效率很低。于是工程师对存储器进行了改进，如下图所示：<img class="" data-ratio="0.9088" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9VVgZe3sObOvbCHlpDVC356QKQic3Td4mVThzeMME5Ey3ICt6ccYx4BQ/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="625" style="" />1、假如我们有15个开关，就可以拼出任意15位的二进制数，从000000000000000到111111111111111，也就是十进制的0到32767。2、也就是15个开关可以控制32768个楼层中的任何一个，不需要每层都配一个开关了。3、几万层画不下，所以这里还是选择4层来进行分析。4、四个楼层，编号0，1，2，3，分别对应二进制数00、01、10、11，都是2比特的二进制数，正好需要2个开关就够了。5、发明一个逻辑电路就可实现上图的功能，该逻辑电路也叫作“地址译码器”。6、A0和A1共同指定一个楼层：A1A0=00，表示选择第0层，A1A0=11，表示选择第3层。7、A1A0=00时，那么当W=1时，W0=1;R=1时，R0=1;8、工程师一般将楼层称为“地址”。地址代表二进制在存储器里面的位置。为方便画图，将具有4个地址引线A0~A3，可以访问0000~1111这16层，每层存储5比特D0~D4数据的存储器的电路符号简化成如下图所示：<img class="" data-ratio="0.37817258883248733" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9xWrNKuuKFjypNoyH2hicPEVGGR44h30JLYrmVkN3zDiaUCwIArfbhezg/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="394" style="" />9、上面结构的存储器你可以随机的、任意的决定访问哪个地址的数据，所花时间都一样，和地址没有关系。因此称为“随即访问存储器”，简称RAM(Random Access Memory)。10、由于它是由触发器组成的，只要一断电所有的数据就会丢失，属于易失性存储器。 五、大容量SRAM存储器的制作1959年，有人发明了一种新的工艺，可以在一块本征硅上制造大量晶体管。经过几十年的技术改进，到了现在，可以在指甲大小的硅片上集成几千万、几亿个晶体管。晶体管是构建触发器的材料，然后大量的触发器又可以形成大容量的存储器。传统上，这就是静态存储器，简称SRAM(Static Random Access Memory)。触发器的工作速度很快，所以静态存储器是计算机存储器的首选。采用触发器构建大容量存储器需要集成太多的晶体管（基本上5~6个晶体管才能保存1个比特），不利于提高集成度，也无法降低成本。 六、大容量DRAM存储器的制作由于SRAM的缺点，之后工程师想到用1个晶体管和一个电容就实现了存储一个比特。这种就是动态存储器，简称DRAM(Dynamic Random Access Memory)。虽然DRAM的集成度高很多，价格偏宜，但是这里面微小的电容器会在几个到几十毫秒内漏得一干二净。因此，这种存储器需要以极快的速度定时重写，称为刷新。这也是其名字的由来。 七、ROM（只读存储器）Read Only Memory半导体存储器还有一对兄弟，除了RAM，还有ROM，意思是只能读的存储器。除了无法把数据写入每个存储单元以外，它和RAM一样，可以通过给出地址而读出任何一个存储单元的内容。ROM即使去掉电源，也能一直保持它所保存的内容。早期的ROM是永久不能擦除重写数据的，它的内容在当初制造时就已经固化到里面了。后来又发展出来可编程ROM,用户可以对里面的内容重写一次。再往后，又发展出可擦除可编程ROM，可随时擦除重写，写完后不会因断电丢失数据。典型应用产品是：快闪Flash存储器、MP3和手机里的存储卡、U盘等。 八、ROM代替逻辑电路只读存储器ROM的用处很大，可以用它来代替那些复杂的逻辑电路，以实现相同的功能。最大的好处就是，如果计算机设计发生变化，也能很方便的修改它的功能，而不会又拆掉所有的零件然后重新组装的麻烦。逻辑电路可以根据不同的输入产生不同的输出比如全加器，当输入不同的三个比特时，就会在另一端输出一个“和”及一个进位。传统上，所有的逻辑电路都是由与、或、非门构建的。对于一个特定的逻辑电路来说，每一组输入都会在它的另一端产生你所期望的、设计好的输出。如果把所有不同的输入看成是存储器地址，同时把它们对应的输出固化在存储单元里，就可以取代传统的逻辑电路。一个全加器就可以设计成具有8个存储单元、每个单元2位的只读存储器，如下图所示：<img class="" data-ratio="0.4557823129251701" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9BznicOickYScky1Uzrria2bzFseCvISiapyoTGEeL9nsj5Zia7UfxbzEzEw/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="588" style="" /> 计算机内部的控制器是非常复杂的，因为要应付一大堆指令，为这些指令产生一大堆的操作序列。最早的控制器全部采用逻辑门搭建而成后来，在许多计算机上开始舍弃了这种方法，转而采用ROM，也就是”微代码ROM“,如下图所示。它比上面全加器的例子复杂千万倍。<img class="" data-ratio="0.46329113924050636" data-s="300,640" src="http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/LKgI6UN8ElZiaPB7vPOSM00tSzUq5WZib9K44qCOF4TluK4No932MzCYwMIV55QcCqVHKRMwKOBIY2IAlpQ03FeA/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="395" style="" />传统上，硬件就是制造出来并定型了的逻辑门组合，软件就是驱动这些硬件的指令。在集成电路时代，尤其是在可编程逻辑器件大行其道的现在，软件和硬件之间的界限变得越来越模糊了。通过对ROM编程，可以根据需要改变它的输出，使它的功能发生变化，这就是可重构硬件。<hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box !important;word-wrap: break-word !important;" /><hr style="font-size: 16px;white-space: normal;max-width: 100%;color: rgb(62, 62, 62);background-color: rgb(255, 255, 255);box-sizing: border-box 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border-box !important;word-wrap: break-word !important;visibility: visible !important;width: auto !important;" /> 笔记内容来自《穿越计算机的迷雾》，作者：李忠

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