计算机怎么做到存储内容的（二）

寄存器

寄存器能存一个数字，这个数字有多少位，叫"位宽"，早期电脑用 8 位寄存器，然后是 16 位，32 位，如今许多计算机都有 64 位宽的寄存器。写入寄存器前，要先启用里面所有锁存器，我们可以用一根线连接所有 "允许输入线", 把它设为 1，然后用 8 条数据线发数据，然后将 "允许写入线" 设回 0，现在 8 位的值就存起来了。

如果只有很少的位(bits)，把锁存器并排放置，也勉强够用了。64 位寄存器要 64 根数据线，64 根连到输出端，幸运的是，我们只要 1 根线启用所有锁存器 但加起来也有 129 条线了，如果存 256 位要 513 条线！

解决方法是矩阵！在矩阵中，我们不并列排放锁存器，而是做成网格，存 256 位，我们用 16x16 网格的锁存器，有 16 行 16 列。要启用某个锁存器，就打开相应的 行线 和 列线，放大看看怎么做的，我们只想打开交叉处 锁存器的 "允许写入线"，所有其他锁存器，保持关闭，我们可以用 AND 门！只有 行线和列线 均为 1 ，AND 门才输出 1，所以可以用选择单个锁存器。

这种行/列排列法，用一根 "允许写入线" 连所有锁存器，为了让锁存器变成 "允许写入"，行线，列线和 "允许写入线" 都必须是 1。每次只有 1 个锁存器会这样，代表我们可以只用一根 "数据线" ，连所有锁存器来传数据。因为只有一个锁存器会启用，只有那个会存数据，其他锁存器会忽略数据线上的值，因为没有 "允许写入"。

我们可以用类似的技巧, 做"允许读取线"来读数据，从一个指定的锁存器，读取数据。所以对于 256 位的存储，只要 35 条线 ，1条"数据线", 1条"允许写入线", 1条"允许读取线"，还有16行16列的线用于选择锁存器 （16+16=32, 32+3=35），这省了好多线！

但我们需要某种方法来 唯一指定"交叉路口”。我们可以想成城市，你可能想和别人 在第 12 大道和第 8 街的交界碰面，这是一个交叉点的地址，我们刚刚存了一位的地址是 "12行 8列"，由于最多 16 行, 用 4 位就够了，12 用二进制表示为 1100，列地址也可以这样： 8 用二进制表示为 1000，刚才说的"12行 8列"可以写成 11001000，为了将地址转成行和列，我们需要 "多路复用器"，这个名字起码比 ALU 酷一点，多路复用器有不同大小。因为有 16 行，我们需要 1 到 16 多路复用器，工作方式是：输入一个 4 位数字，它会把那根线，连到相应的输出线，如果输入 0000，它会选择第一列，如果输入 0001，会选择下一列，依此类推。

一个多路复用器处理行(row) ，另一个多路复用器处理列(column)，好吧，开始有点复杂了，那么把 256 位内存当成一个整体好了，又提升了一层抽象！它输入一个 8 位地址：4 位代表列，4 位代表行，我们还需要 "允许写入线" 和 "允许读取线"。最后，还需要一条数据线，用于读/写数据。

不幸的是， 256 位的内存也没法做什么事，所以还要扩大规模，把它们并排放置，就像寄存器一样，一行8个，可以存一个 8 位数字 ， 8 位也叫一个字节（byte）。为了存一个 8 位数字，我们同时给 8 个 256 位内存一样的地址，每个地址存 1 位，意味着这里总共能存 256 个字节 （byte）。再次，为了简单，我们不管内部，不看作是一堆独立的存储模块和电路而是看成一个整体的可寻址内存，我们有 256 个地址，每个地址能读或写一个 8 位值。

我们下节做 CPU 时会用到这个内存，现代计算机的内存， 扩展到上兆字节（MB）和千兆字节（GB）的方式，和我们这里做的一样。不断把内存打包到更大规模，随着内存地址增多，内存地址也必须增长，8 位最多能代表 256 个内存地址（1111 1111 是255，0~255 一共 256 个数字），只有这么多。要给千兆或十亿字节的内存寻址，需要 32 位的地址。

RAM

内存的一个重要特性是：可以随时访问任何位置，因此叫 "随机存取存储器" ，简称 RAM。当你听到有人说 RAM 有多大，他的意思是内存有多大。RAM 就像人类的短期记忆，记录当前在做什么事。比如吃了午饭没，或有没有交电话费。这是一条真的内存，上面焊了 8 个内存模块，如果打开其中一个，然后放大，会看到 32 个内存方块，放大其中一个方块，可以看到有 4 个小块，如果再放大，可以看到存一个"位"的矩阵。这个矩阵是 128 位 x 64 位，总共 8192 位。每个方格 4 个矩阵， 所以一个方格有 32768 个位 （8192 x 4 = 32768），而一共 32 个方格。

总而言之，1 个芯片大约存 100 万位，RAM 有 8 个芯片，所以总共 800 万位，也就是 1 兆字节（1 MB），1 MB 如今不算大， 这是 1980 年代的 RAM，如今你可以买到千兆字节（GB）的 RAM，那可是数十亿字节的内存。

今天，我们用锁存器做了一块 SRAM（静态随机存取存储器），还有其他类型的 RAM，如 DRAM，闪存和 NVRAM，它们在功能上与 SRAM 相似，但用不同的电路存单个位，比如用不同的逻辑门，电容器，电荷捕获或忆阻器，但根本上 这些技术都是矩阵层层嵌套，来存储大量信息。就像计算机中的很多事情，底层其实都很简单，让人难以理解的，是一层层精妙的抽象，像一个越来越小的俄罗斯套娃。