上一節中我們講到如何用邏輯門來構建一個ALU，它可以進行算術運算和邏輯運算，那麼如果将算出來的結果存起來呢？這就要講到今天的主角：「 内存 」了。

大家都有這樣的經驗，在計算機上進行文件編輯，或者正在看電視/電影，如果突然遇到斷電，那麼之前編輯的内容将沒有保存，因為這些内容存儲在内存中！電腦用的是"随機存取存儲器"，簡稱為"RAM"！遇到這種狀況，隻是郁悶的份了。

我們之前講過的電路都是單向的，就是說有輸入，經過電路運算得到輸出。現在假如我們将輸出連回輸入，有趣的事情将會發生！

讓我們拿一個 OR 門，将輸出傳回輸入，看看會發生什麼。

首先，兩個輸入都設為 0，電路輸出0；如果将 A 變成1，“1 OR 0”為 1，所以輸出 1；

一轉眼的功夫，輸出回到 B，OR門看到兩個輸入都是 1，“1 OR 1”仍然為1，所以輸出不變；

如果這時再将 A 變成 0，OR門依然輸出 1！并且無論怎麼試，都沒法再從 1 變回 0。

類似的方法，如果将OR門換成AND門，情況正好相反。

A 和 B 都設為 1，“1 AND 1”的輸出永遠是 1；如果之後 A 設為 0，由于是 AND 門，輸出會變成 0；就像之前，之後無論 A 設什麼值，電路始終輸出 0。

為了做出有用的存儲 (memory)，我們将兩個電路合起來，變成“AND-OR 鎖存器”。它有兩個輸入，“設置”( SET ) 輸入1，将輸出變成 1 ；"複位" ( RESET )輸入1，将輸出變成 0；如果“設置”和“複位”都是 0，電路會輸出最後放入的内容，也就是說，它存住了 1 bit 的信息！這就是存儲！

之所以叫“鎖存”，是因為它“鎖定”一個特定值并保持狀态，将數據放入叫“寫入”，将數據輸出叫“讀取”。

麻煩的是，用兩條線來輸入，也就是 SET 和 RESET，有點難理解，為了更容易用，我們希望隻有一條輸入線，将它設為 0 或 1 來存儲值，還需要一根線來“啟用”(enable) 内存，啟用時允許寫入，沒啟用時“鎖定”，這條線叫“允許寫入線”！

我們将整個電路抽象一下，輸入現在隻有“允許寫入線”和“數據線”，有1個數據輸出。如果将 "數據線" 從 0 換到 1 或 從 1 換到 0，什麼也不會發生 - 輸出依然是 0，因為“允許寫入線”是關閉的（0）來防止内容變化；

當“允許寫入線” 輸入 1，現在可以在“數據線”上放 1，将 1 存起來。注意輸出這時候會變成1了，然後可以關掉 “允許寫入線”，這樣輸出就會保持 1 而無論輸入端再輸入什麼！

隻能存1bit 沒什麼大用，但是如果我們并排放8個鎖存器，這樣就可以存8 位信息，比如一個8bit數字，一組這樣的鎖存器叫“寄存器”。寫入寄存器之前，首先要啟用裡面所有鎖存器，我們可以用一根線連接所有“允許輸入線”，然後設為1，然後用8條數據線發數據，然後将“允許寫入線”設回 0，現在 8 bit 的值就存起來了。

寄存器能存多少個bit叫“位寬”，早期電腦用8位寄存器，然後是16位，32 位。如今許多計算機都有64位寬的寄存器。

對于很少的 bit，并排放鎖存器勉強夠用。但是如果是64 位寄存器，要64 根數據線 64根連到輸出端，如果我們隻要1根線啟用所有鎖存器，但加起來也有129條線了；如果是256位寄存器，要513條線，解決這個問題的方法是用「矩陣」！

在矩陣中，我們不并列排放鎖存器，而是做成網格，這樣存256 位，我們需要用 16x16 的鎖存器，要啟用某個鎖存器，就打開相應的 行線和列線。

行選和列選總共有有 16 16 =32根線，再加上1條“數據線”，1條“允許寫入線”，1條“允許讀取線”，總共也隻需要35根線！

我們需要有一種方法來唯一指定這個交叉的點，這就是地址。比如一個bit 的地址是“12行 8列”，由于最多 16 行，用 4 個二進制 bit 就夠了，“12”用二進制表示為“1100”，“8”用二進制表示為“1000”，所以剛才說的地址可寫作“11001000”。

為了将地址轉成 行和列，我們還需要一個部件叫 “多路複用器”，多路複用器有不同大小，因為我們有 16 行，我們需要 1 到 16 多路複用器，它的工作方式是：輸入一個4bit數字，它會把那根線連到相應的輸出線，如果輸入 0000，它會選擇第一列；輸入 0001，則選擇下一列，依此類推。

一個多路複用器處理行(row)，另一個多路複用器處理列(column)。

我們将這個能夠存儲256 bit的内存經行抽象，它輸入一個 8 位地址：4 位代表列，4 位代表行，我們還需要 "允許寫入線" 和 "允許讀取線"，最後，還需要一條數據線，用于讀/寫數據。

如果我們将更多的這樣的單元連接在一起，就可以組成更大的存儲單元。

如果将8個這樣的256 bit 内存組在一起，就可以構建一個具有256 個地址，每個地址可以存儲1個byte的内存！

現代計算機的内存擴展到千兆字節（GB）的方式，和我們這裡做的一樣，就是不斷把内存打包到更大規模。如下是一條真的内存，上面焊了 8 個内存模塊，如果打開其中一個，然後放大，會看到 32 個内存方塊，放大其中一個方塊，可以看到有 4 個小塊，如果再放大，就可以看到存一個"位"的矩陣。

在這一期裡，我們從基本的鎖存器一步步構建出了寄存器，再到大型存儲器，就像計算機中的很多事情，底層其實都很簡單，讓人難以理解的，是一層層精妙的抽象！

那麼如何利用内存和上一期裡的ALU 來構建一個CPU呢？

關于這個話題，我們下一期再講~

PS：本系列文章首發于同名公衆号：「 三邵爺的夢呓 」，關注并回複關鍵字「 1024 」，你懂得！

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