计算机如何存储1位二进制数？终于有人讲清楚了！
0 前言
本文将会以R-S锁存器为例，引出锁存器的核心和本质，之后再带你构建更多类型的锁存器，你能够：
- 感受到由浅入深的学习方式
- 体会到掌握核心本质的快感
- 深刻理解核心套外壳的设计理念（产品迭代1.0–>2.0–>3.0）
同时，强烈建议你使用logisim软件，边看文章边实践，这样能够加深理解，这款软件半小时即可入门，图形化的操作方式，简单又好用。
核心套外壳的思想，能够帮助你【区分表象与本质，抓住问题的核心，理解设计理念！】
1 确立一个目标，提升你的认知效率
点进这篇文章，我想你是非常想要学会锁存器相关知识的，那么，为了进一步提高你的认知效率，我先给你定下一个目标，带着这个目标，再去一步一步寻找和学习相关知识，并且，你应该使用软件，在实践中学习，这么一来，你的认知效率将会翻倍。
我们都知道计算机的硬盘和内存，我们也知道，这些设备能够存储数据，并且这些数据是二进制信息，也就是0、1的各种排列组合，那么，你是否曾经产生疑惑，4GB、16GB，乃至1TB的信息，是如何被存储的？
今天让我们来解答这个问题，我们先不管1TB的信息如何存储的，今天我们就谈：如何存储1位二进制信息，也就是如何存储一个0或者一个1。
我们需要制作一个器件，能够存储一个0或者一个1。这个器件，就是R-S锁存器，在通电状态下，它能够锁住（存储）1个二进制位，也就是1 bit。
让我们来一步步地揭开它的神秘面纱吧！
2 R-S锁存器
2.1 基本结构
我们来看一下他=它的结构，通常有两种描述方法：
- 描述1
- 描述2
这两种结构完全一样，只不过放置的方式不一样，通常我们会采用描述2的方式。
可以看到，R-S锁存器包含了2个或非门，2个输入端口，1个输出端口，这个结构真的简单至极。
如果你学过一点数字逻辑的知识，也许你会跟我争辩，R-S锁存器不是2个输出端口吗？先按照我说的继续往下听，之后会解释的。
2.2 如何锁住1-bit
那么，这样一个结构，如何锁住（存储）1-bit的？
为了方便描述，我们先为上面的结构命名一下。
- 2个输入端口分别命名为
R和S - 1个输出端口被命名为
Q
让我们记住这个初始状态
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
然后，我们将R置为1。
你会发现，此时的状态是
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 |
我们再将S置为1
此时的状态是
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 |
我们再将R置为0
此时的状态是
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 |
我们再将S置为0
此时的状态是
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
接下来，我们汇总一下上面的几种状态
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 |
我们可以看到，同样是0,0，但是输出却可能是0或1，这也就意味着，这不是组合逻辑，而是时序逻辑，输入的顺序会影响结果。
同时，我们再继续进行实验可以发现（此处请自行完成实验，亲自体验以下结论）
- 一旦置
R = 1，S = 0，S不变的情况下，无论R如何改变，Q都等于0 - 一旦置
R = 0，S = 1，R不变的情况下，无论S如何改变，Q都等于1 - 当
R = 0，S = 0的时候，Q的结果，取决于上一个状态。如果之前是因为R = 1，S = 0导致的Q = 0，则现在的Q依然0；如果之前是因为R = 0，S = 1导致的Q = 1，则现在的Q依然为1 - 一旦置
R = 1，S = 1，Q一定等于0，这种情况与我们的目标不符，我们需要禁止它
因此，我们得到了R-S锁存器特性表
| R | S | Q |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 和之前状态的Q一样 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 禁止使用 |
我带你分析完了这些，我们改回看主题，看一下它是如何锁住1-bit的。我们看一下刚才描述的状态：
- 一旦置
R = 1，S = 0，S不变的情况下，无论R如何改变，Q都等于0 - 一旦置
R = 0，S = 1，R不变的情况下，无论S如何改变，Q都等于1
我们观察后面加粗的句子，不难看出，1个二进制数被“锁在”了器件中，这也就是所谓的锁存器，它在功能上，实现了存储1个二进制位。
2.3 为什么可以锁住1-bit
刚才，我们知道了R-S锁存器能够存储1个二进制位，并且已经达成了目标，是的，我们成功存储了1个二进制位，但是，这还不够，我们应该保持好奇心，问一问自己，为什么能够锁住？
让我们来分析一下R-S锁存器的工作，以R = 1,S = 0为初态举例。
下面是初态，并且我在几个关键的地方做了标记。
之后，我令R = 0，我们来逐步地分析一下，到底发生了什么。
首先，0信号传到了a端，此时a = 0
然后，a和e进行或非运算，得到的结果传到了b端，此时b = 0
然后b端的结果，反馈到了c端，c = 0；之后，可以得到d = 1；之后，d端的结果又反馈到了e端，可以得知，e = 1并没有发生变化，就此，这个过程就稳定了下来，b端输出到Q的数据也就是最终结果了。
我们梳理一下这个过程，在令R = 0之后，只有a端的数据变为了0，其他端口的数据均没有变化，这样一来，也就产生了锁住数据的现象，产生这种现象的原因，是因为反馈回路的存在。
我们可以知道，bc锁住了0，de锁住了1，这二者正好相反，因此我们有时候也会将R-S锁存器设计为下面的样子，这样可以获得两个一直相反的输出结果
其中，上面读作输出Q，下面读作输出Q拔，二者的取值永远相反，你也能够理解，为什么之前我们禁止了R = S = 1的情况，因为这样输出就不相反了，与设计目标不符。
2.4 为什么叫“R-S锁存器”
为什么这个器件被命名为R-S锁存器呢？为什么不叫别的名字？
我们要知道，凡是命名，都有其含义，都能表达其意义，这样的命名才有价值，R-S锁存器也是如此。
它是英文名称是：Set-Reset latch，有被称为S-R Latch或者R-S Latch
我们来解释一下
- R就是
reset，重置、复位的意思，所以，当仅有它为1的时候，输出Q = 0 - S就是
set，设置、置位的意思，所以，当仅有它为1的时候，输出Q = 1 - Latch，锁存器的意思，它能够存储1个二进制位
2.5 R-S锁存器的功能
R-S锁存器，也可以被称为置位复位触发器，我想你明白这个含义了，现在我们只是总结一下。
| R | S | Q | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 和之前状态的Q一样 | 保持 |
| 0 | 1 | 1 | 置位 |
| 1 | 0 | 0 | 复位 |
| 1 | 1 | 禁止使用 | 非法 |
3 锁存器的核心和本质
通过R-S锁存器，我们可以理解锁存器的本质，掌握一类锁存器的核心，这才是我们要关注的重点内容，至于锁存器的设计和样子，不是最重要的，那只不过是在核心的基础之上，套上了外壳，从而让其拥有更广泛的的应用。
关于核心套外壳，我有必要进一步解释一下，我们知道，计算机领域又很多核心部件，例如CPU，这是被外国垄断的高科技器件，它是核心，而计算机其他的部分，内存、硬盘、显示器等等，都是外壳，我们给核心套上不同的外壳，就构成了不同的计算机，能够进行不同的应用；又比如富士康代工厂，他们做的就是给核心套上外壳的工作。
我想你应该能够理解核心的重要性了。
那么锁存器的核心是什么？
这就是锁存器的核心，原理方面，我之前已经详细讲解过，不再赘述，但是希望你认真对待那些看似简单容易的知识，因为它们可能蕴含着拥有无穷力量的核心思想。
3.1 核心套外壳的产品
那么核心套外壳之后，有那些产品呢？有很多，例如：
- 基本R-S锁存器
- 门控R-S锁存器
- D型锁存器
甚至，由此核心，还可以构成各种各样触发器。
需要注意的是，这些外壳，并不是死板的，你完全可以根据需要，灵活地变化他们，不必拘泥于某种特定的形式，不过前提是，变化之后的产品真的很好用，否则，你更应该直接使用封装好的产品。
后面的小节，我会为你详细讲解核心套外壳的产品。
3 外壳一：基本R-S锁存器
嘿！一个新的目标出现了，之前我们为了存储1位数据，制作了R-S锁存器，现在，我们需要存储一位数据，并能够让他输出存储的数据，以及和存储数据互补（0和1在二进制下是互补的）的数据。
这个产品我不再分析，因为你之前见过了：
现在我们将其封装一下，让它更像一个产品。
至于它的功能，我想你已经知道了，基本R-S锁存器，增加的外壳是一个输出端口。
4 外壳二：门控R-S锁存器
现在，新的任务又下达了，我们的基本R-S锁存器，可以随意被使用，这可不好，现在我们需要增加一个开关，只有开关打开的时候，基本R-S锁存器才可以被使用。
我们考虑一下，看看上面封装好的基本R-S锁存器，我们可以加的外壳是：在进入R、S输入端口之前，增加2个与门，这样就可以控制输入信号的有效、无效。
你可以试一试这个电路，这就是门控R-S锁存器。
名称的含义，门控，就是加一个开关，它被称为使能端（Enable terminal），简写EN。
我们将它封装一下：
5 外壳三：D型锁存器
全新的任务
- 彻底禁止掉
R = S = 1的情况，对于任何输入的数据，使其，不可能存在这种情况，保证安全，完全避免非法状态。 - 让这个器件能够实现数据0和1的写入，并且能够控制是否写入。
我们由门控R-S锁存器开始思考，既然R和S不能相同，那就只能相反了，这样虽然会舍弃掉R = S = 0的情况，不过，既然这种情况会与上一个状态相同，而上一个状态R和S一定相反，所以，舍弃掉又有何妨呢？因此，我们的思路就有了，让R和S永远相反，我们怎么做呢？我想你应该知道了，使用1个输入端和1个非门！
就像下面这样，加缓冲器是为了让数据流动时间和加了非门的线路同步
那么第二个目标如何达成?显然我们已经完成了一部分，1个输入端和1个开关我们已经有了，我们只需要，去掉Qbar即可。
你会发现，这里有了较大的变化，我的节奏加快了，如果你前面认真实践了的话，我想你是适应这种变化的。
我来解释一下这些变化
- 为了达成目标，我们要让R和S的值一直相反，因此我们加了一个非门和缓冲门，用一个输入端操控它，注意，不要将非门放错位置，你仔细想一下会明白怎么放置的（举一个例子就好，例如
DI = 0的时候，如何让DO = 0）。 - 我们将开关作为写入端
- 我们不使用Qbar端口
我来解释一下端口名称的变化
- DI：数据输入端，可以控制输入的数据是0还是1
- DO：数据输出端，可以读取存储在锁存器中的数据
- W：写入端，可以控制是否将数据写入端的数据写入到锁存器中
- 若
W = 1，则DI中的数据会被写入到锁存器中，并且存储起来，此时，DO读取的数据是和DI一样的 - 若
W = 0，则DI中的数据不会被写入到锁存器中，此时，DO将会读取锁存器中存储的数据，与DI的数据无关
- 若
我们封装一下这个器件
6 一点注意
这里器件的存储，不是永久保存，因为它的本质是电子器件，电是难免会泄露的，我们还需要对其做一些补充，这里不深入展开。
另外，对于门控R-S锁存器中的开关，也被称为保持位（Hold That Bit），当它为0的时候，无论R、S怎么变，锁住的数据也不会改变，这也就是所谓的保持。
7 思考题&预告
我留下思考题和预告，请你仔细思考并认真实践
- 最初，我们使用或非门构造了R-S锁存器，事实上，与非门一样可以完成这件事情，我在3.1节提过，产品的设计的不能死板，它是灵活的，请你思考一下如何设计。
- 请思考一下，具体讲解的几种外壳，有没有感受到，外壳的设计也又核心思想支撑？ 之后我们会揭秘。
- 核心套外壳的产品，也完全可以作为新的核心，为他们再赋予外壳，做出更多有用的产品。
- 我们的目标是构建一个RAM存储器，以R-S为锁存器的RAM产品，随着时代的发展，它的性能提升进入了瓶颈期，这个时候，人们的最佳选择是优化核心，这也由RAM存储器，转变成了SRAM、DRAM等类型的存储器，这些后面也会提及（也可以按照此思路，去想一想：算盘–>计算器–>电子计算机–>量子计算机）。