CPU的工作原理5——如何存儲數(shù)據(jù)

上一節(jié)我們創(chuàng)建了算術(shù)邏輯單元ALU，它可以進行算術(shù)、邏輯運算，但計算出來的結(jié)果如何保存呢？這就需要用到存儲單元，接下來我們看看用什么電路能夠保存數(shù)據(jù)。

由淺入深，我們先來存儲1位二進制數(shù)。先看這個改造過的或門電路。

它的特殊之處在于其輸出信號會作為輸入信號之一，看起來很奇怪是吧。一開始A、B都為0，輸出=0，當A=1時或門輸出=1，那么B=1，這時A、B都是1，輸出還是1，保持不變，接下來即使將A設為0，輸出依然是1。于是這個電路可以保存信號1。但我們也會發(fā)現(xiàn)一個問題，即這個保存是永久性的，不論A的值是什么，輸出都是1，這顯然不符合實際需求，保存的數(shù)據(jù)應該可以修改才對，這個問題暫時放一放，后面再解決。

接下來我們再看這個改造過的與門電路，同樣它的輸出信號也作為輸入信號之一。

一開始將A、B都設為1，輸出=1，當A設為0時，輸出=0，進而B=0，輸出還是0，保持不變。接下來不論A如何變化，輸出始終保持為0，所以這個電路可以保存0。

然后我們開始著手解決如何修改保存內(nèi)容的問題，設計如下電路：

其中“輸入”端的信號就是這個電路要保存的值，“允許寫入”代表是否可以修改保存值，如果是0，代表不能修改，如果是1，代表可以修改，“輸出”端的信號就是保存的值。這個電路大家可以自行分析，我將四種不同的情況列在下面供大家參考。

允許寫入情況，輸入端信號1會保存起來

允許寫入情況，輸入端信號0會保存起來

禁止寫入情況，電路原本保存1，不論輸入端是什么都沒有影響

禁止寫入情況，電路原本保存0，不論輸入端是什么都沒有影響

我們用一個簡化的符號代替這個電路，這個電路可以保存1位二進制數(shù)，并且可以隨意修改，我們把它叫做鎖存器。

當我們將8個鎖存器放在一起，就可以保存8位二進制數(shù)了，這樣一組鎖存器被稱為寄存器。早期電腦使用8位寄存器，即由8個鎖存器組成，能保存8位二進制數(shù)，后來出現(xiàn)了16位寄存器、32位寄存器，到現(xiàn)在的電腦基本都是64位寄存器了。

接下來我們設計一個能存儲256位二進制數(shù)的電路，如下圖：

我們共需要16*16=256個鎖存器，將他們設計成16行16列的矩陣，為了能準確存取數(shù)據(jù)，我們需要知道每個鎖存器的位置，所以需要一個額外的電路確定要操作的鎖存器的地址。如果要確定地址，必須知道行數(shù)、列數(shù)，一共16行、16列，所以行和列各用4位二進制數(shù)表示就行（0000代表第1行，0001代表第2行……，1111代表第16行，列也是一樣的），這樣就需要8位的地址輸入信號。受篇幅所限，細節(jié)的電路不再畫了，最終我們有了一個能存取256位二進制數(shù)的電路，用這個圖形表示。

“8位地址”用于定位鎖存器的位置，“允許寫入”=1時，“數(shù)據(jù)”被存入某個鎖存器，“允許讀取”=1時，某個鎖存器的數(shù)據(jù)可以被讀取出來。

一個這樣的電路還是沒什么卵用的，還需要繼續(xù)擴大規(guī)模，我們將8個相同的電路如圖所示連接在一起。

這樣我們一次就可以讀寫8位二進制數(shù)了，8位也叫做一個字節(jié)（Byte，簡稱B）。同樣，我們簡化一下，使用下圖表示。

這個電路有256個地址，每個地址可以讀寫一個8位二進制數(shù)，一共可以保存256個字節(jié)（256B）的數(shù)據(jù)。這個容量的存儲空間能夠保存什么呢？很遺憾，現(xiàn)在的文檔、圖片動輒以KB、MB為單位，似乎什么也干不了。

補充一下小知識，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B。

至此我們使用多個鎖存器構(gòu)建出了可以存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存，雖然只有256B，更大的內(nèi)存也是同樣的原理，下節(jié)我們就開始打造完整的CPU了！