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》

引言

在计算机领域，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。为了实现这一功能，我们需要开发新的内存芯片家族。此前构建的芯片，如第1章和第2章中最终完成的ALU，都是与时间无关的组合芯片。而本章将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，我们要先学会用逻辑来模拟时间的推进，这可通过时钟来实现，时钟会产生一系列二进制信号，我们将其称为“滴答”和“嗒嗒”，一个“滴答”开始到下一个“嗒嗒”结束的时间称为一个周期，这些周期将用于调节计算机中所有内存芯片的操作。

内存设备

计算机程序使用变量、数组和对象等抽象概念来持久存储数据，硬件平台通过提供能维持状态的内存设备来支持这一能力。然而，经典逻辑既不考虑时间也不考虑状态，因此要实现内存功能，需先找到模拟时间推进的方法，并赋予逻辑门维持状态和响应时间变化的能力。

我们引入时钟和一个基本的、与时间相关的逻辑门——数据触发器（DFF），它能在表示0和表示1的两个稳定状态之间切换。DFF是构建所有内存设备的基本构建块，尽管它在计算机架构中扮演着核心角色，但它并不显眼，通常作为低层级的芯片部件嵌入在其他内存设备中。

我们将展示如何使用DFF创建1位寄存器，以及如何将n个这样的寄存器组合成一个n位寄存器。接下来，我们将构建包含任意数量此类寄存器的随机存取存储器（RAM）设备，并开发一种寻址方法，以便直接、即时地访问RAM中任意选定的寄存器。

时序逻辑

时间的重要性

在之前的学习中，我们假设芯片能即时响应输入，但实际上，输出总会有延迟。这主