Registers and RAM: Crash Course Computer Science #6

CrashCourse

29 Mar 201712:16

Summary

TLDR在这个视频中，我们深入了解了计算机内存的工作原理。首先，通过逻辑门构建了一个简单的电路，能够存储单个比特的信息。然后，我们学习了如何通过组合这些电路来创建一个存储模块，最终与算术逻辑单元（ALU）结合，构建出我们自己的中央处理器（CPU）。视频中介绍了不同类型的内存，包括易失性随机存取内存（RAM）和持久性内存，并解释了它们的用途。我们探索了如何通过逻辑门和电路设计来实现数据的读写操作，以及如何通过增加抽象层次简化复杂的电路设计。最后，视频还展示了现代计算机如何通过不断打包内存模块来扩展到数百万兆字节的内存容量。

Takeaways

📘 计算机内存的作用是存储计算结果，以便进行连续的多个操作。
🔌 RAM（随机存取存储器）是易失性存储，需要电源来保持数据。
🔒 持久性存储器可以在断电后保存数据，用于不同的应用。
🛠️ 通过逻辑门的组合，可以构建一个简单的电路来存储单个比特的信息。
🔄 利用OR门和AND门的特性，可以创建能够记录0和1的电路。
🔩 AND-OR锁存器是将AND门和OR门结合起来，通过设置和复位输入来存储一个比特。
🔐 门控锁存器通过一个写使能线来控制数据的写入，简化了输入线的使用。
💾 通过将多个锁存器并排放置，可以形成一个寄存器，寄存器的宽度指的是其包含的比特数。
📊 通过矩阵布局，可以使用更少的连线来激活和选择特定的锁存器。
🏢 地址用于唯一指定内存中的特定位置，类似于城市中的街道地址。
🔄 多路复用器允许使用一个输入来选择多个输出中的一个，用于行和列的选择。
📦 现代计算机通过将内存模块打包成越来越大的组来扩展到兆字节和吉字节的内存。
📈 为了表示更大的内存地址，需要使用更多的比特，例如32位地址用于吉字节的内存。
🧠 RAM类似于人类的短期或工作记忆，用于追踪当前正在进行的事物。
🔗 存储器的不同类型（如SRAM、DRAM、Flash和NVRAM）使用不同的电路来存储比特信息。

Q & A

什么是ALU，它在计算机科学中的作用是什么？
-ALU，即算术逻辑单元，是计算机处理器中执行所有算术运算（如加法、减法）和逻辑运算（如AND、OR）的部件。它是计算机的中央处理单元（CPU）的核心部分，负责执行程序中的指令。
为什么我们需要计算机内存来存储计算结果？
-计算机内存用于存储计算结果和程序运行状态，这样即使在断电后也能保留数据。如果没有内存，每次计算后的结果都会丢失，导致无法连续执行多个操作或保存进度，这会极大地限制计算机的实用性。
RAM和持久性内存有什么区别？
-RAM（随机存取存储器）是一种易失性存储器，意味着它依赖电力来保持数据。当电源关闭时，RAM中的数据会丢失。而持久性内存能够在断电的情况下保持数据，因此它用于存储需要长期保留的信息。
如何构建一个能够存储单个比特信息的电路？
-可以通过创建一个带有反馈的逻辑电路来存储单个比特信息。例如，将一个OR门的输出反馈到其一个输入端，可以形成一个简单的锁存器，能够存储一个二进制值（0或1）。
什么是AND-OR锁存器，它是如何工作的？
-AND-OR锁存器是一种数字电路，它结合了AND门和OR门来存储一位信息。它有两个输入：一个用于设置输出为1的“设置”输入，和一个用于将输出重置为0的“重置”输入。如果设置和重置输入都为0，电路就会输出最后输入的值，即它记住了一个单一的比特信息。
门电路是如何通过添加额外的逻辑门变成门控锁存器的？
-通过添加额外的逻辑门，如AND门和OR门，可以创建一个门控锁存器。这种锁存器使用一个写使能线来控制数据是否可以写入，从而简化了输入，只需要一个数据线和写使能线即可。
什么是寄存器，它是如何组成的？
-寄存器是一组协同工作的锁存器，能够存储一个数字（如8位数字）。寄存器的宽度指的是它包含的位数。寄存器用于存储单个数值，并可以通过一个使能线来统一写入所有锁存器。
如何通过矩阵形式来减少连接大量锁存器所需的电线数量？
-通过将锁存器排列成行和列形成的矩阵，可以显著减少所需的电线数量。在这种矩阵中，通过激活对应的行线和列线来选择特定的锁存器。这样，可以使用单个共享的数据线和使能线来控制整个矩阵。
为什么计算机内存被称为随机存取存储器（RAM）？
-计算机内存被称为随机存取存储器（RAM），因为可以随机地访问任何内存位置，而不必按照特定的顺序。这意味着可以快速地读写任何位置的数据，为计算机提供了灵活性和效率。
现代计算机如何扩展到拥有数百万甚至数十亿字节的内存？
-现代计算机通过将小的内存模块打包成越来越大的组合来扩展内存。随着内存位置数量的增加，地址也必须增长，例如，使用32位地址可以提供对千兆字节（十亿字节）内存的寻址能力。
SRAM、DRAM、Flash和NVRAM这些不同类型的RAM有什么共同点和不同点？
-SRAM（静态随机存取存储器）、DRAM（动态随机存取存储器）、Flash和NVRAM（非易失性随机存取存储器）都是用于存储计算机中的信息的内存技术。它们的共同点是都使用大规模嵌套的存储单元矩阵来存储信息。不同之处在于它们用来存储单个比特的电路和组件不同，例如SRAM使用锁存器，DRAM使用电容器，而Flash和NVRAM使用不同的存储技术如电荷陷阱或膜变电阻器。