矩陣鎖存器是如何工作的？

對(duì)于計(jì)算機(jī)我們肯定都很熟悉，它的內(nèi)部有ALU進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，可是他們運(yùn)算得出的結(jié)果怎么辦？扔掉嗎？那這個(gè)計(jì)算就沒(méi)有任何意義了。

因此，那些計(jì)算出來(lái)的結(jié)果就需要存起來(lái)，于是就有了計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

當(dāng)打游戲或者編輯某個(gè)文檔且進(jìn)入尾聲的時(shí)候，電源被切斷的慘痛經(jīng)歷大家應(yīng)該都經(jīng)歷過(guò)，再次打開(kāi)電腦的時(shí)候，上次的數(shù)據(jù)都沒(méi)了，這就是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱RAM，還有一種就是電源關(guān)閉了數(shù)據(jù)還在，這就是持久存儲(chǔ)。

上面的有沒(méi)有理解不重要，現(xiàn)在我們從簡(jiǎn)單的只能存1個(gè)bit電路開(kāi)始，來(lái)了解一下內(nèi)存的工作原理吧！

先看OR門(mén)，將輸出傳回輸入，看看發(fā)生了什么？

首先，將兩個(gè)輸入A、B均設(shè)為0，“0 OR 0”是0，輸出0；如果將A變成1“1 OR 0”為1，輸出1，輸出回到B，B變?yōu)?，后面再怎么改變A的值，輸出仍然為1，這個(gè)電路可以用來(lái)記錄1。

再來(lái)看看AND門(mén)

將A和B都設(shè)為1，“1 AND 1”的輸出是1；如果將A變?yōu)?，輸出0，輸出回到B，B變?yōu)?，后面再怎么改變A的值，輸出仍然為0，這個(gè)電路記錄0。

現(xiàn)在有了記錄1和0的電路，為了做出有用的存儲(chǔ)（memory），我們將兩個(gè)電路合起來(lái)，變成了“AND-OR鎖存器”

它有兩個(gè)輸入，“設(shè)置”（ SET ）和“復(fù)位” （ RESET ），如果“設(shè)置”和“復(fù)位”都是0，電路的輸出就是最后放入的內(nèi)容，它存住了1 bit的信息，這就是存儲(chǔ)！

注：之所以叫“鎖存”，是因?yàn)樗版i定”一個(gè)特定值并保持狀態(tài)不變。數(shù)據(jù)放入叫“寫(xiě)入” ，數(shù)據(jù)輸出叫“讀取”。

用兩個(gè)輸入SET和RESET有點(diǎn)麻煩，為了更方便，我們只用一個(gè)輸入線，將它設(shè)為0或1來(lái)存儲(chǔ)值，再加一根“允許輸入線”來(lái)“啟用”（enable）內(nèi)存，啟用時(shí)允許寫(xiě)入，未啟用時(shí)“鎖定”，再與一些額外邏輯門(mén)就可以組成一個(gè)叫“門(mén)鎖”（Gated Latch）的電路。

剛剛我們只存了1bit，沒(méi)什么大用，但如果我們并排放8個(gè)鎖存器，就可以存8位信息，這個(gè)8bit數(shù)字組的鎖存器叫“寄存器”，寄存器能存多少個(gè)Bit叫“位寬”。

早期電腦用8位寄存器，然后是16位，32位，如今大多計(jì)算機(jī)都是64位寬的寄存器。

在寫(xiě)入寄存器之前，要啟用里面所有鎖存器，我們可以用一根線連接所有“允許輸入線”，并設(shè)為1，然后用8條數(shù)據(jù)線發(fā)數(shù)據(jù)，最后將“允許寫(xiě)入線”設(shè)回0，8bit的值就存好了。

對(duì)于bit少的，這樣并排擺放鎖存器可以，可是對(duì)于64位寄存器要64根數(shù)據(jù)線，64根連到輸出端，這怎么辦？

幸運(yùn)的是，只要1根線啟用所有鎖存器，這樣加起來(lái)也要129根線；那存256個(gè)bit，要513根線，存放的數(shù)據(jù)越多，需要的線就越多，那有什么好的解決方法嗎？

解決方法就是用矩陣！

在矩陣中，我們將鎖存器做成網(wǎng)格，那么存256位只需要16x16的鎖存器。

讓我們看看矩陣鎖存器是如何工作的吧？

如果想打開(kāi)某個(gè)鎖存器，就打開(kāi)這個(gè)鎖存器交叉處的“允許寫(xiě)入線”，這種行/列配置方法，需要一根共享的“允許寫(xiě)入線”連接所有鎖存器，為了使鎖存器變?yōu)椤霸试S寫(xiě)入”狀態(tài)，行線、列線和“允許寫(xiě)入線”都必須為1，而且每次只能有1個(gè)鎖存器啟用并鎖存數(shù)據(jù)，這樣就可以用一根“數(shù)據(jù)線”連接所有鎖存器來(lái)傳數(shù)據(jù)。

這樣256位的存儲(chǔ)，只需要35根線——1根“數(shù)據(jù)線”，1根“允許寫(xiě)入線”，1根“允許讀取線”和16行16列的用于選擇鎖存器的線。

為了將地址轉(zhuǎn)成行和列，我們需要一個(gè)叫“多路復(fù)用器”的部件，它的工作方式是：當(dāng)輸入一個(gè)4 bit數(shù)字時(shí)，它會(huì)把那根線連到相應(yīng)的輸出線，如果輸入0000，它會(huì)選擇第一列；如果輸入0001，則選擇下一列，依此類推。

一個(gè)多路復(fù)用器處理行（row），另一個(gè)多路復(fù)用器處理列（column），那么把256位內(nèi)存當(dāng)成一個(gè)組件來(lái)看，它需要一個(gè)8bit地址：4bit代表哪一列，4 bit 代表哪一行，還需要“允許寫(xiě)入線”和“允許讀取線”，最后，還需要一條數(shù)據(jù)線，用于讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。

今天，我們用鎖存器做了一塊SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），還有其他類型的RAM，如DRAM，閃存和NVRAM，它們?cè)诠δ苌吓cSRAM相似，比如用不同的邏輯門(mén)，電容器，電荷陷阱或憶阻器等，但從根本上說(shuō)，所有這些技術(shù)都是用矩陣層層嵌套存儲(chǔ)大量信息的，有沒(méi)有覺(jué)得很不可思議呢？
責(zé)任編輯:pj