【科普】存储器

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继续前面的文章【科普】二进制和加法器

双稳态电路Bistable Circuit

先看一下之前文章【科普】晶体管-2中介绍过的Flip-Flop正反触发器电路图，左图是我画的简化版，右图是更加科学的版本，其中的R1和R2相当于左图的灯泡。

FF正反触发器电路

• 首先，这是一个带供电的回路；
• 其次，回路可以有两个状态：左边灯亮或者右边灯亮，这也可以视为两种输出；
• 最后，它有两个开关，每次按下其中一个就能改变回路状态。

注意，即使开关弹起之后这种状态也能保留，直到下一次另外一个开关按下。看上去像是这个电路具有记忆功能。

可以通过一个或多个施加在控制输入端的信号来改变自身的状态，并会有1个或2个输出的电路，叫做双稳态电路，也叫做双稳态多谐振荡器Bistable Multivibrator，也就常说到的正反触发器电路。

触发器电路的功能看上去就像一个现实里的电灯开关，按一下，就会一直是被按下状态，直到下次按了另一边才会改变。但触发器与现实的开关不同，它是电子的，而电灯开关是机械的，改变电流总是比实现机械运动简单容易，读取电流也比用眼睛观察开关状态容易很多。

两个非门构成双稳态

如果我们把两个非门收尾相连会怎样？

两个非门构成的双稳态回路

如上图所示，左右两种状态都可以使回路处于稳定状态。

我们给双非门构成的双稳态前面加一个非门来控制输入，就得到下图。

双稳态记忆示意

如上图，改变双非门右侧输出的值分为三步：

• 设定要修改的数字Data为0，按下按钮；
• 新的数字在回路中震荡，形成新的状态，右侧输出变为0；
• 弹开按钮，回路中仍然保留新的状态不变。

如果我们把左侧输入Data换为1，然后按一下开关也可以把回路记录的数字改为1。这个电路智能记录两种情况，0或1，也就是可以存储1比特的信息。关于比特和信息熵可以参考这篇文章【科普】什么是熵。

锁存器SR Latch

最常用的双稳态存储器是Set-Reset latch，锁存器，它是由两个异或门构成的交叉回路，如下图所示：

锁存器RS Latch的两种状态

如上图所示，R=0，S=0，可以对应两种不同的状态，至于具体是哪种，完全取决于上一次RS的输入。如下图所示，我们可以用临时电压永久改变锁存器的状态：

改变Set临时电压实现存储修改

如上图，我们临时提高R的电压为1，这时候Q被强制变成0，0或S=0结果为0，取反为1，即~Q为1。

另外两种修改数字的情况如下图所示：

RS Latch的另外两种情况

左图Reset=1的情况用于将Q设置为1，~Q为0；而右边这种RS都是0的情况应该避免出现，因为它会导致Q和~Q都是0。

R和Q总是相反，如果觉得这是个问题，解决方法也很简单，那就是在R和S的左边连接一个非门就可以了。

另外一种常用的双稳态1比特存储器是用两个NAND与非门组成的，这里就不重复讲解了，有兴趣的读者可以自己画一下试试看。

经过上面的了解，大家可以知道无论是CPU芯片还是内存，本质是都是数量庞大的晶体管组成的电路，所以我们常说计算机芯片和内存都是大规模晶体管集成电路实现的，这些晶体管不停地通断电，实现了我们手机和电脑的数据运算与存储。

芯片内部电路示意

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