3.2　內存組織和尋址

我們已經看到，觸發器在需要記住一個位時很有用，寄存器在需要記住一組位時很方便。可當我們需要記住更多的信息時，應該使用什么呢？例如，如果我們希望存儲幾個不同的加法結果呢？

我們可以使用一大堆寄存器。但是現在我們遇到了一個新問題：如何指定要使用的寄存器，如圖3-19所示。

解決這個問題的一種方法是為每個寄存器分配一個編號，如圖3-19所示。我們可以根據第2.5.2節中的標準構件解碼器使用編號或地址指定寄存器。解碼器的輸出與寄存器上的使能輸入連接。

接下來，我們需要從寄存器中挑選出一個輸出。幸運的是，第2.5.4節中已經介紹了如何構建選擇器，這正是我們所需要的。

系統通常包括多個連接在一起的內存組件。現在來介紹另一個標準構件：三態輸出模塊。

把寄存器、選擇器、解碼器三者組合在一起即為一個內存組件，如圖3-20所示。

內存組件有很多電氣連接。如果想處理32位數字，我們需要輸入和輸出各32個連接，加上地址、控制信號和電源的連接。程序員不必關心如何將電路裝入軟件包或如何布線，但硬件設計師卻需要關心。認識到一點：很少需要同時讀取和寫入內存，我們就可以減少連接的數量。我們可以簡化為一組數據連接加上一個控制。圖3-21為一個簡化的存儲芯片的示意圖。使能控制可以打開和關閉整個設備，以便多個存儲芯片可以連接在一起。

你會注意到，圖3-21中地址和數據使用了大而粗的箭頭，而不是使用單個指示符號。我們把一組相關的信號稱為總線，因此存儲芯片有一個地址總線和一個數據總線。

封裝存儲芯片的一個挑戰是當內存大小增加時，需要連接大量地址位。回顧第1章的表1-2，對于一個4GiB內存組件，我們需要32個地址連接。

內存設計者和道路規劃師一樣需要處理類似的交通管理問題。許多城市按網格規劃，存儲芯片內部布局的方式也是如此。在圖2-3所示的CPU顯微照片中可以看到幾個矩形區域，它們是內存塊。地址被分成兩塊：行地址和列地址。內存位置使用行和列的交集進行內部尋址，如圖3-22所示。

顯然，我們不需要擔心圖3-22所示的16位內存中地址行的數量。但如果有更多的地址行數量呢？我們可以通過多路復用行地址和列地址將地址行數減半。我們需要的只是用存儲芯片上的寄存器保存它們，如圖3-23所示。

由于地址分為兩部分，因此如果只更改一部分，例如先設置行地址然后改變列地址，性能會更好。我們可以發現如今的大型存儲芯片確實是這樣的。

存儲芯片的大小是以深度×寬度來描述的。例如，一個256×8的芯片有256個8位寬的內存位置，一個64 Mib×1的芯片有64個兆比特寬的內存位置。

3.2.1　隨機存取存儲器

到目前為止，我們所討論的內存稱為隨機存取存儲器（Random-Access Memory, RAM）。使用RAM，任何內存位置的整個寬度可以以任何順序讀寫。

靜態RAM或SRAM雖然成本很高但速度很快。每個位需要6個晶體管。因為這些晶體管占用不少的空間，SRAM并不是存儲數十億或萬億位的好選擇。

動態內存（DRAM）是一個聰明的黑客。電子被儲存在稱為電容器的微型桶中，只使用一個晶體管作桶蓋。問題是，這些存儲桶可能泄漏電子，所以需要每隔一段時間刷新一次內存，這意味著需要定期將存儲桶加滿。你必須小心，不要在與訪問內存發生沖突的時刻將存儲桶加滿；第一批基于DRAM的計算機DEC LSI-11就存在這樣的問題。DRAM的一個有趣的副作用是，當光線照射到充滿電子的存儲桶時，它們會漏出更多的電子，這使得存儲桶可以用在數碼相機中。

DRAM由于其高密度（每個區域的位數）而被用于制作大容量存儲芯片。大容量存儲芯片意味著大量的地址，大量的地址意味著DRAM芯片使用前面討論的多路尋址方案。由于其他內部設計考慮因素，使用行地址選通存儲行地址，然后通過列地址選通改變列地址會更快。行有時被稱為頁，這是一個被過度使用的術語。讀內存地址和閱讀一本書差不多，瀏覽一頁比翻頁容易得多。正如偉大的表演先驅Jimmy Durante所言，最好的表演是a-ras-a-ma-cas。這是一個編程中非常重要的考慮因素：將一起使用的東西放在同一行可以大大提高性能。

SRAM和DRAM都是易失性存儲器，這意味著當電源中斷時，數據可能會丟失。磁芯存儲器是一種古老的非易失性RAM，它將位存儲在圓環形（甜甜圈形狀）鐵片中，如圖3-24所示。圓環體在一個方向被磁化為0，另一個方向為1。圓環體的物理性質很酷，因為它們抵抗來自圓環外部電磁干擾的能力很強。在這種類型的存儲器中，磁芯排列在一個稱為平面的網格中，其中成行列的導線穿過它們。還有第三條線，叫作感知線，因為讀取位的狀態的唯一方法就是嘗試改變位，然后感知發生了什么。當然，如果感知到位變了，就必須把它改回去，否則數據就會丟失，位就會變得毫無用處。除所有的拼接處外，實現這點還需要大量的電路。磁芯實際上是三維存儲的，就像是多個平面被組裝成積木一樣。

雖然磁芯是一種古老的技術，但它的非易失性仍然備受重視，研究人員還在繼續開發商業化實用磁阻存儲器，將磁芯存儲器和RAM的優點結合起來。

3.2.2　只讀存儲器

只讀存儲器（Read-Only Memory, ROM）并不是一個非常準確的名字。只能讀而不能寫的存儲器是沒有用的。這個名字已經過時了，更準確的說法是一次寫入存儲器。ROM可以寫入一次，然后讀取多次。ROM對于那些需要內置程序的設備（比如微波爐）很重要，畢竟大家都不想每次爆米花時都要對微波爐現場編程。

ROM的早期形式之一是Hollerith卡（后被稱為IBM卡），如圖3-25所示。位被打散到一張紙上。IBM卡相當便宜，因為它的發明者赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）（1860—1929）非常擅長“偷工減料”。

19世紀末，Hollerith發明了Hollerith卡，更準確地說，他是從1801年約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard）發明的提花織機中汲取了靈感。提花織機用穿孔卡片來控制織布圖案。當然，提花織機的創意來自Basile Bouchon，Basile Bouchon在1725年發明了穿孔紙帶控制織機。有時很難區分發明和借鑒，畢竟未來就是建立在過去的基礎上的。當聽到有人主張延長專利和限制版權法時，請記住這一點：如果不能在前人的基礎上再接再厲，人類的進步就會減慢。

早期的IBM讀卡器使用開關來讀取位。卡片會在一排有彈性的金屬絲下面滑動，這些金屬絲會穿過孔與另一邊的金屬接觸。后來的IBM讀卡器是通過孔將光線照射到另一邊的一排光電探測器上，這樣讀卡器的運行速度會快得多。

穿孔紙帶是一種與ROM相關的技術，一卷帶孔的紙帶可以用來表示位（見圖3-26）。相比于卡片，紙帶更有優勢，弄丟一張卡片會使數據混亂，而紙帶則不存在這個問題。不過，紙帶可能會被撕裂，而且很難修復，許多修復過的紙帶都會阻塞讀卡器正常工作。

卡片和紙帶的速度非常慢，因為它們必須被移動才能被讀取。

阿波羅飛行計算機使用了一種稱為奧爾遜存儲器的ROM變體（見圖3-27）。因為它只能通過針腳寫入，所以它不受干擾，在惡劣的太空環境中，不受干擾的特點很重要。

IBM卡和紙帶是順序存儲器，即數據是按順序讀取的。讀卡器不能倒轉，所以它們只適合長期存儲數據。為了方便使用，內容必須被讀入某種RAM中。1971年首次推出的商用單芯片微處理器英特爾4004，為更好的程序存儲技術創造了需求。這些最初的微處理器用于運行固定程序的計算器等設備。在單芯片微處理器之后而來的是掩模式可編程只讀存儲器。掩模是集成電路制造過程中使用的模板。你需要編寫一個程序，然后把位型和一張大額支票發送給半導體制造商。半導體制造商會把位型變成一個掩模，然后制造出包含程序的芯片。它是只讀的，因為如果不寫另一張大額支票且不做另一個不同的掩模，是沒有辦法改變它的。掩模式可編程只讀存儲器可以隨機存取的方式讀取。

掩模成本非常高昂，只能用于大容量應用設備。在掩模之后而來的是可編程只讀存儲器（Programmable Read-Only Memory, PROM），它是一種可以讓你自己編程的只讀存儲器（ROM）芯片，但只能編寫一次。PROM最初的機制涉及在芯片上熔化鎳鉻（一種鎳鉻合金）熔斷器。鎳鉻合金和烤箱里發光絲的材質是一樣的。

開發程序時，人們需要快速瀏覽一大堆PROM芯片。工程師不喜歡麻煩，所以接下來出現了可擦可編程只讀存儲器（Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM）。這些芯片與可編程只讀存儲器類似，只不過它們上面有一個石英窗，你可以把它們放在特殊的紫外線下擦掉它們。

隨著電擦除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM）的引入，生活變得更好了。EPROM芯片可以用電擦除，不需要紫外光，也沒有石英窗。相對來說，擦除EEPROM的速度非常慢，所以人們不太想經常做這樣的事情。

從技術角度講，EEPROM是一種RAM，因為它可以按任何順序讀寫內容。但由于它們寫得慢而且比RAM貴，所以它們只被用作ROM的替代品。