5、计算机内存芯片：原理、设计与实现

计算机内存芯片：原理、设计与实现

1. 引言

在计算机系统中，逻辑门不仅可用于表示数字和计算简单算术表达式，还能用于存储值。此前构建的芯片（如 ALU）是时间独立的组合芯片，而现在我们要引入并构建时序芯片，其输出不仅取决于当前输入，还与之前处理的输入和输出有关。在探讨内存之前，需先解决如何用逻辑建模时间进程的问题，这可通过时钟实现，时钟产生的二进制信号“tick”和“tock”构成的周期用于调节计算机中所有内存芯片的操作。

2. 内存设备

计算机程序借助变量、数组和对象等抽象概念来持久保存数据，硬件平台则通过提供能维持状态的内存设备来支持这一能力。然而，经典逻辑既不知晓时间也不了解状态，难以实现这种持久记忆能力。为解决这一问题，我们引入时钟和数据触发器（DFF）。DFF 是一种基本的、与时间相关的逻辑门，能在代表 0 和 1 的两个稳定状态之间切换，它是构建所有内存设备的基础。尽管 DFF 地位核心，但它并不显眼，通常作为低层级芯片部件嵌入其他内存设备内部。

我们可以用 DFF 创建 1 位寄存器，再将多个 1 位寄存器组合成 n 位寄存器，进而构建包含任意数量此类寄存器的随机存取存储器（RAM）设备，同时还会开发寻址方法，实现对 RAM 中任意寄存器的直接、即时访问。

3. 时序逻辑

3.1 时间的重要性

在实际中，芯片输出总是存在延迟。一方面，芯片的输入信号从其他芯片输出端传输过来需要时间；另一方面，芯片进行的计算也需要时间，芯片的逻辑越复杂，输出完全形成所需的时间就越长。

传统上，时间常被视为连续向前的隐喻箭头，但这种概念对计算机科学家来说过于深奥和神秘。因此，我