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暫存器（Register）和記憶體（RAM）的介紹

Last Updated on 2021-10-21 by Clay

  • 之前已經簡單記錄過算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU）。不過若計算出結果卻不儲存，則沒有意義：我們需要計算機的記憶體（memory）
  • 使用電腦玩著 RPG 遊戲、或是寫程式，若是突然拔掉了電源，則意味著你損失了你的工作進度（遊戲的話，則是從你上一個存檔的地方開始）：這是因為你的電腦使用 RAM（Random Access Memory）儲存當前工作的所有資訊
  • 其他種類的記憶體，比方說持續性記憶體（persistent memory）則不倚賴電源

要如何『記憶』資訊（暫存器）

  • 眾所皆知，電腦中的資訊都是由 0 和 1 所組成
  • 若要儲存資訊（bit），則需使用 AND-OR LATCH（AND-OR 鎖存器）


儲存 1 的情況

使用 OR Gate 並加上回傳路徑（feedback），可以讓電路記憶 1 的情況。

OR 的真值表如下：

INPUT AINPUT BOUTPUT
000
011
101
111

可以發現，只要輸入中有 1 ，則輸出無論如何都是 1。透過這個特性，我們設計一個回傳路徑（feedback），則可以讓此電路保持為 1、也就是記憶 1 的情況。

之後，即便我們更改輸入，也無法改變輸出結果為 1。這也就是記憶 1 的情況。


儲存 0 的情況

與之相對的，要儲存 0 的話，就必須使用 AND Gate。

AND 的真值表如下：

INPUT AINPUT BOUTPUT
000
010
100
111

可以發現，唯有 INPUT A 及 INPUT B 皆為 1 的時候，其輸出 OUTPUT 才為 1。

利用這樣的特性，我們設置回傳路徑（feedback）給 INPUT B，使其保持 0 的狀態。

我們會發現，不論怎麼修改 INPUT A，其輸出結果保持為 0。這就是記憶 0 的情況。


AND-OR 鎖存器（AND-OR LATCH）

利用以上兩種 Gate 的特性，我們便可以設計出 AND-OR 鎖存器（AND-OR LATCH）來儲存 0 或 1。鎖存器的輸入只有 SET 和 RESET 兩種。


儲存 1 的情況

AND-OR 鎖存器

若是設定 SET 輸入為 1，便會看到整個鎖存器最終的輸出為 1。

這時候，將 SET 以及 RESET 都設為 0（這是很重要的步驟），便會看到鎖存器同樣輸出為 1。


儲存為 0 的情況

若是將 RESET 設定為 1，則鎖存器無論如何都會輸出 0。

這時候，再次將 SET 及 RESET 都設定為 0（這同樣是重要的步驟），鎖存器的輸出恆為 0。


結論

無論鎖存器最終的輸出為何，只要將 SET 及 RESET 同時設為 0，鎖存器便會儲存最後的『輸出狀態』，也就是所謂的記憶（memory）。這也就是儲存位元（bit）的方法。

實際上還有所謂的 GATED LATCH，不過我今天畫的圖已經夠多了 ......（MacBook 的觸控鍵盤超難畫圖的）所以詳細的電路結構就容我跳過了，抱歉。

簡單來說，GATED LATCH 是剛才 AND-OR LATCH 的進階版、也是更複雜一點點的電路結構。它有兩個輸入：輸入資料（data-in）及寫入許可（write-enable）。

輸入資料可以為 0 或 1，但是若寫入許可為 0，則資料無法寫入；反之，若寫入許可為 1，則輸入資料不論是 0 或 1，都會被輸出資料（data out）儲存。

而一組（group）運行的鎖存器（latches）被稱為暫存器（register），也就是我們今天的主題。

早期電腦從 8-bit （暫存器的位數）開始，一直到今天為大宗的 64-bit（64 位元），其『位元』的意義就是由暫存器的儲存位元數量決定。

隨機存取記憶體（Random Access Memory, RAM）

隨機存取記憶體（Random Access Memory, 以下簡稱 RAM）是電腦設備中的硬體，用於儲存當前使用的作業系統（OS）、應用程式（applications）、資料（data）。最大的用途為讓處理器（processors）能快速取得這些資料。

RAM 是電腦中主要的記憶體，跟 HDD 和 SSD 相比，讀寫速度都快上許多。

當我們開機時，資料將會由 HDD 或 SSD 將作業系統、開機程式、文件寫入 RAM 當中；而一但電腦關閉，則 RAM 中的資料則會消失。

References

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