计算机组成原理唐朔飞第三章答案_计算机组成原理第五章

计算机组成原理：如何存储数据（数据存储）（五） 　　这是计算机组成原理系列文章的第5篇，欢迎持续！

　　：游戏服务器开发 　　上一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何输入数据（键盘输入）（四） 　　根据上一章的知识，我们有了第二层抽象的编码器这个好用的工具。可以简单地把键盘看作是编码器，因为我们输入数据几乎都是通过键盘来输入，无论我们输入的是数字，字母或者文字，本质上键盘都帮我们进行了编码，转换为二进制数值 　　现在我们要解决的问题是如何存储这些二进制数值？我们不想在每次需要数据的时候，再手动从键盘输入数据。或者说计算机程序在运行的时候才输入指令和数据，此时已经来不及了。所以我们需要一个跟编码器一样的工具，帮助我们记住这些数据，并且在需要的时候计算机自动地读取这些数据 　　注意：我们现在依然处于第一原则的输入数据部分 　　RS触发器 　　要做第二层抽象的存储器，我们需要先了解第一层抽象的工作原理，毕竟所有的实现都离不开第一层抽象的逻辑门，这就是最底层。我们先来看一个简单的图

　　注意图中奇特的连接方式： 　　左边或非门的输出是右边或非门的输入，记住或非门的口诀：有1出0，全0出1 　　右边或非门的输出是左边或非门的输入，记住或非门的口诀：有1出0，全0出1 　　我们先来看第一种情况： 　　闭合上面的开关，左边或非门的输出变为0 　　于是右边或非门的输出变为 1 　　灯泡被点亮

　　接着来看第二种情况 　　当断开上面的开关时 　　由于或非门的输入中只要有一个为 1，其输出就是 0 　　而左边或非门的输出不变，灯泡仍然亮着！！

　　我们需要注意到这个奇怪的现象： 　　根据以往的经验，我们拨动一个开关，必然会影响灯泡的亮与灭，而这次我们关闭开关或打开开关，竟然得到的是相同的结果：灯泡一直亮着！ 　　最后来看第三种情况： 　　闭合下面的开关 　　由于右边或非门的输入中有一个是 1，则其输出变为0，灯泡熄灭 　　左边或非门的输出此刻变为 1 　　此时，无论下面开关状态如何，灯泡都是不亮的！！

　　或者

　　总结起来就是： 　　闭合上面的开关使灯泡点亮，当再断开时，灯泡仍然亮着 　　闭合下面的开关使灯泡熄灭，当再断开时，灯泡仍然不亮 　　上面的电路，像是有了某一种“记忆”。我们可以根据灯泡的状态，推测出上一次开关的闭合是哪一个。如果灯泡是亮的，那么就是上面的开关关闭。如果是灯泡是熄灭的，那么就是下面的开关关闭的。 　　但是这并不是很直观，我们需要的是一个能存储数据的工具，这个电路好像并不能让我们简单的使用和操作 　　上面简单的电路其实就是我们说的RS触发器了，上面的开关就是置位器（Set），它可以把灯泡点亮，也就是置为1。下面的开关就是重置器（Reset），它可以把灯泡关闭，也就是置为0，等于重置电路。在重置器（Reset）为1时，外面的输入对置位器（Set）无效 　　让我们先把前面的RS触发器抽象画出来，如图：

　　把输入端S（Set），即上面的开关，表示置位 　　把输入端R（Reset），即下面的开关，表示复位 　　把输出端Q（Output），即灯泡的亮灭，表示状态 　　把输出端-Q（Output），表示灯泡相反的状态 　　你可以把“置位”理解为把 Q设为1， 而“复位”是把Q设为0。当S为1时（对应于前面图中闭合上面开关的情况），Q变为1而-Q变为 0；当R为1时（对应于前面图中闭合下面开关的情况），Q变为0而-Q变为1。当S和R都为0时，输出保持Q原来的状态 　　以上就是我们所说的RS触发器，它的作用很简单：通过输入端S（Set）把电路置为1，然后无论你在输入什么（拨动开关），电路的输出都保持为1，电路“记忆”了输入的值为1。如果你需要重置电路到初始状态，你需要通过输入端R（Reset），把电路重置为0，然后无论你输入什么（拨动开关），电路的输出都保持为0，电路“记忆”了输入的值为0 　　RS触发器能够记住哪一个输入端最近被输入高电位，这确实很有趣。但更有用的电路应该能记住某个特定时间点上上一个信号是0还是1。简单来说就是：我想电路有个数据端和控制端。我可以通过控制端，控制数据端的输入是否写入电路。如果可以写入，那么电路就记录数据端的数据，并保存数据。如果不可以写入，那么电路就维持上一次记录的数据，无论数据端输入什么数据都不要理 　　D型触发器 　　为了实现上面所说的要求，我们需要构造一个电路，我们先来思考一下它的行为功能第一 　　它需要两个输入，其中一个称为数据端（Data），数据端输入可以是0或1 　　另一个输入称为保持位（Hold that bit），保持端输入可以是 0或1第二 　　通常情况下，保持位设为0，这时，数据端对电路没什么影响 　　当保持位置为1时，电路就反映出数据端的值 　　接着保持位又置为0，这时电路将记住数据端输入的最近一个值 　　在保持位置为0时，数据端信号的任何改变不会对电路再有影响 　　它的功能如果用如下的真值表来表达：

　　这个真值表有很清楚的表达： 　　当保持位为1的时候，输出就是数据端的输入 　　当保持位为0的时候，输出就是上一次的数据 　　在前两种情况下，保持位置为1，Q端输出和数据端输入相同 　　在后两种情况下，保持位置为0，Q端输出和它以前的值相同，即保持原状态 　　后两种情况中当保持位为0时，Q端输出不再受数据端输入的影响，功能表可以简化表示为

　　X表示不关心其取值情况，它的值对于电路输出没有影响 　　直接给出D型触发器的电路图，它由RS触发器改进而来，如图：

　　这个电路称为电平触发的D型触发器，D（Data）表示数据端输入。所谓电平触发是指当保持位输入为某一特定电平（本例中为“ 1”）时，触发器才对数据端的输入值进行保存。它表示电路锁存住一位数据并保持至将来使用，它也可以称为 1位存储器 　　通常情况下，当这样一个电路出现在书中时，输入并不被标为保持位，而是标为“时钟”。 当然，这个信号并不是一个真的时钟，但它有时却具有类似钟一样的属性，即在 0和1之是有规律地来回变化

　　重点是：现在时钟只是用来指示什么时候保存数据 　　把数据端简写为D，时钟端简写为Clk，真值表如图所示

　　当时钟输入为1时，Q端输出与数据端输入是相同的。但当时钟输入变为0时，Q端输出将 维持原来的数据端输入，再改变数据端输入不会影响Q端输出，直到时钟输入再次变为1为止 　　看上去现在构造了符合我们要求的电路，为了更加直观，让我们把它换个标注：

　　这是同一个触发器！更改标注后，我们能更直观地知道这个电路的作用了 　　现在Q输出端命名为数据输出（Data Out） 　　时钟输入端（之前名为保持位）命名为写入（Write） 　　数据输入端（之前名为数据端）命名为数据输入（Data In） 　　写入信号使得数据输入（Data In）信号写入或存储到电路中 　　若写入信号（Write）为0，则数据输入（Data In）信号对输出无影响 　　而当我们想在触发器中存储数据输入信号时，写入信号（Write）应先置1后置0 　　注意：我们现在依然处于第一原则的输入数据部分，因为存储数据也只是为了优化输入数据这个步骤，让我们在使用数据的时候能更加快速并自动的读取这些数据给CPU使用 　　8位存储器 　　以上的记忆电路是根据第一层抽象的逻辑门构造而成的，并且只能记忆1位数据，信息虽然有限，但是却非常有用。一个触发器可保存1位信息，保存1位信息当然并不代表保存全部信息，但这是一个开端。一旦我们知道了如何存储 1位信息，就可以容易地存储2位、3位或更多位信息 　　但我们并不希望每次都画出一个电路图出来，所以根据我们的惯例，我们抽象出来二级工具，而这个就是我们开头所说的需要的工具

　　这个就是一位锁存器。DI是数据输入，W是写入控制，DO是数据输出 　　把多个1位锁存器连成多位锁存器是相当容易的，只需连接好写入信号

　　让我们再做个跟编码器一样的二级抽象工具：

　　现在我们有了一个可以存储8位数据的存储器，我们只需要发出写信息，并且把数据输入到该锁存器，并且再把写信号置为0，就轻松实现了我们保存数据的目的。当我们需要读取数据的时候，只需要把写信号置0，那么我们就能从数据输出端得到我们上次存储的数据 　　我们现在实现的存储器还是非常低级和简单的，现实中存储器还要加上读写信号的控制，数据线和地址线等情况。这个存储器还只是单独存储8个比特的信息，如何存储大量数据，如何组织利用这些存储空间，以及如何读取数据等问题，还需要文件系统的支持。这些我们不用深究这么深，对我们的编程和理解计算机结构影响不大 　　当然，可能编程需要考虑存储的字大小，内存对齐，数据存取的效率问题，但一般我们遇不到这些问题，遇到了再查找资料即可，并不会很复杂，这里不再叙述 　　我们需要记住，计算机中处处是分层，我们要充分相信上层的工作 　　我们需要明确理解的概念是：什么是存储器。存储器帮我们记录上一次写入的二进制信息数据，方便我们读取和使用。这里算是进行了第二层抽象，我们利用第一层抽象（逻辑门电路），组成了一个第二层抽象（存储器）。现在，我们就拥有了第二个神奇的工具：存储器 　　只要发出对应的控制信号，它就能帮助我们把二进制数据存储进电路，例如我们存416，它自动会帮我们在电路中存储为，下次再发出读取的信号，就会返回具体的二进制数据给我们 　　内存和磁盘 　　需要说明的一点是，以上的数据存储电路，都是需要有电的情况下才能实现的。就好比你要灯泡亮，无论你开关怎么处理，都是需要通电灯泡才会亮。存储器也是同样的道理，存储器的电路之所以能记忆电路，也是需要在通电的情况下才能“记忆”0和1的状态，一旦断电，那么是没办法保持“记忆”的 　　这就是我们日常生活中所说的内存，是一种易失性的存储器。但是电脑中还有另一种永久存储数据的器件，就是硬盘。硬盘的原理这里不再细说，只需要记住：硬盘能够把这些二进制数据永久地存储在磁盘里面，不受供电的影响。当我们需要这些数据的时候，就给磁盘通电，读取磁道上磁性，转换为电路上的0和1，并把这些0和1作为输入数据，传给我们的内存，也就是传给我们存储器中的数据输入端，我们因此读取了数据。这个过程也叫做加载数据。可以搜索学习“硬盘的工作原理” 　　反过来也一样，当我们计算完数据，需要永久存储数据时，我们把数据输入给磁盘，文件系统会根据文件名，磁道，数据大小等规则，通过电流，把数据0和1在磁盘的磁道上刻下对应的磁极，从而永久保存数据 　　最后，上面的存储器是属于最简单的电路实现，我们现在用的内存或者存储器都是更加复杂和快速的，是经过十几年的研究和改进，才形成今天的内存条，但这并不影响我们对存储器底层实现逻辑的理解。我们应该把存储器抽象出来，作为一个可信任的工具，不用事无巨细地思考实现的细节，我们应该充分信任研发存储器的人员，他们能够准确迅速安全地存储我们给存储器的每一位比特，而我们只需要根据使用规则，正确使用存储器就可以了 　　现在，我们依然处在输入数据这个原则中，并且拥有了2个有用的工具：编码器（键盘）+ 存储器（内存&硬盘） 　　如果这篇文章对你有帮助，就点个赞，反正你们收藏了也不看的 　　上一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何输入数据（键盘输入）（四） 　　下一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何读取数据（地址选择）（六） 　　：游戏服务器开发