3.2　内存组织和寻址

我们已经看到，触发器在需要记住一个位时很有用，寄存器在需要记住一组位时很方便。可当我们需要记住更多的信息时，应该使用什么呢？例如，如果我们希望存储几个不同的加法结果呢？

我们可以使用一大堆寄存器。但是现在我们遇到了一个新问题：如何指定要使用的寄存器，如图3-19所示。

解决这个问题的一种方法是为每个寄存器分配一个编号，如图3-19所示。我们可以根据第2.5.2节中的标准构件解码器使用编号或地址指定寄存器。解码器的输出与寄存器上的使能输入连接。

接下来，我们需要从寄存器中挑选出一个输出。幸运的是，第2.5.4节中已经介绍了如何构建选择器，这正是我们所需要的。

系统通常包括多个连接在一起的内存组件。现在来介绍另一个标准构件：三态输出模块。

把寄存器、选择器、解码器三者组合在一起即为一个内存组件，如图3-20所示。

内存组件有很多电气连接。如果想处理32位数字，我们需要输入和输出各32个连接，加上地址、控制信号和电源的连接。程序员不必关心如何将电路装入软件包或如何布线，但硬件设计师却需要关心。认识到一点：很少需要同时读取和写入内存，我们就可以减少连接的数量。我们可以简化为一组数据连接加上一个控制。图3-21为一个简化的存储芯片的示意图。使能控制可以打开和关闭整个设备，以便多个存储芯片可以连接在一起。

你会注意到，图3-21中地址和数据使用了大而粗的箭头，而不是使用单个指示符号。我们把一组相关的信号称为总线，因此存储芯片有一个地址总线和一个数据总线。

封装存储芯片的一个挑战是当内存大小增加时，需要连接大量地址位。回顾第1章的表1-2，对于一个4GiB内存组件，我们需要32个地址连接。

内存设计者和道路规划师一样需要处理类似的交通管理问题。许多城市按网格规划，存储芯片内部布局的方式也是如此。在图2-3所示的CPU显微照片中可以看到几个矩形区域，它们是内存块。地址被分成两块：行地址和列地址。内存位置使用行和列的交集进行内部寻址，如图3-22所示。

显然，我们不需要担心图3-22所示的16位内存中地址行的数量。但如果有更多的地址行数量呢？我们可以通过多路复用行地址和列地址将地址行数减半。我们需要的只是用存储芯片上的寄存器保存它们，如图3-23所示。

由于地址分为两部分，因此如果只更改一部分，例如先设置行地址然后改变列地址，性能会更好。我们可以发现如今的大型存储芯片确实是这样的。

存储芯片的大小是以深度×宽度来描述的。例如，一个256×8的芯片有256个8位宽的内存位置，一个64 Mib×1的芯片有64个兆比特宽的内存位置。

3.2.1　随机存取存储器

到目前为止，我们所讨论的内存称为随机存取存储器（Random-Access Memory, RAM）。使用RAM，任何内存位置的整个宽度可以以任何顺序读写。

静态RAM或SRAM虽然成本很高但速度很快。每个位需要6个晶体管。因为这些晶体管占用不少的空间，SRAM并不是存储数十亿或万亿位的好选择。

动态内存（DRAM）是一个聪明的黑客。电子被储存在称为电容器的微型桶中，只使用一个晶体管作桶盖。问题是，这些存储桶可能泄漏电子，所以需要每隔一段时间刷新一次内存，这意味着需要定期将存储桶加满。你必须小心，不要在与访问内存发生冲突的时刻将存储桶加满；第一批基于DRAM的计算机DEC LSI-11就存在这样的问题。DRAM的一个有趣的副作用是，当光线照射到充满电子的存储桶时，它们会漏出更多的电子，这使得存储桶可以用在数码相机中。

DRAM由于其高密度（每个区域的位数）而被用于制作大容量存储芯片。大容量存储芯片意味着大量的地址，大量的地址意味着DRAM芯片使用前面讨论的多路寻址方案。由于其他内部设计考虑因素，使用行地址选通存储行地址，然后通过列地址选通改变列地址会更快。行有时被称为页，这是一个被过度使用的术语。读内存地址和阅读一本书差不多，浏览一页比翻页容易得多。正如伟大的表演先驱Jimmy Durante所言，最好的表演是a-ras-a-ma-cas。这是一个编程中非常重要的考虑因素：将一起使用的东西放在同一行可以大大提高性能。

SRAM和DRAM都是易失性存储器，这意味着当电源中断时，数据可能会丢失。磁芯存储器是一种古老的非易失性RAM，它将位存储在圆环形（甜甜圈形状）铁片中，如图3-24所示。圆环体在一个方向被磁化为0，另一个方向为1。圆环体的物理性质很酷，因为它们抵抗来自圆环外部电磁干扰的能力很强。在这种类型的存储器中，磁芯排列在一个称为平面的网格中，其中成行列的导线穿过它们。还有第三条线，叫作感知线，因为读取位的状态的唯一方法就是尝试改变位，然后感知发生了什么。当然，如果感知到位变了，就必须把它改回去，否则数据就会丢失，位就会变得毫无用处。除所有的拼接处外，实现这点还需要大量的电路。磁芯实际上是三维存储的，就像是多个平面被组装成积木一样。

虽然磁芯是一种古老的技术，但它的非易失性仍然备受重视，研究人员还在继续开发商业化实用磁阻存储器，将磁芯存储器和RAM的优点结合起来。

3.2.2　只读存储器

只读存储器（Read-Only Memory, ROM）并不是一个非常准确的名字。只能读而不能写的存储器是没有用的。这个名字已经过时了，更准确的说法是一次写入存储器。ROM可以写入一次，然后读取多次。ROM对于那些需要内置程序的设备（比如微波炉）很重要，毕竟大家都不想每次爆米花时都要对微波炉现场编程。

ROM的早期形式之一是Hollerith卡（后被称为IBM卡），如图3-25所示。位被打散到一张纸上。IBM卡相当便宜，因为它的发明者赫尔曼·何乐礼（Herman Hollerith）（1860—1929）非常擅长“偷工减料”。

19世纪末，Hollerith发明了Hollerith卡，更准确地说，他是从1801年约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）发明的提花织机中汲取了灵感。提花织机用穿孔卡片来控制织布图案。当然，提花织机的创意来自Basile Bouchon，Basile Bouchon在1725年发明了穿孔纸带控制织机。有时很难区分发明和借鉴，毕竟未来就是建立在过去的基础上的。当听到有人主张延长专利和限制版权法时，请记住这一点：如果不能在前人的基础上再接再厉，人类的进步就会减慢。

早期的IBM读卡器使用开关来读取位。卡片会在一排有弹性的金属丝下面滑动，这些金属丝会穿过孔与另一边的金属接触。后来的IBM读卡器是通过孔将光线照射到另一边的一排光电探测器上，这样读卡器的运行速度会快得多。

穿孔纸带是一种与ROM相关的技术，一卷带孔的纸带可以用来表示位（见图3-26）。相比于卡片，纸带更有优势，弄丢一张卡片会使数据混乱，而纸带则不存在这个问题。不过，纸带可能会被撕裂，而且很难修复，许多修复过的纸带都会阻塞读卡器正常工作。

卡片和纸带的速度非常慢，因为它们必须被移动才能被读取。

阿波罗飞行计算机使用了一种称为奥尔逊存储器的ROM变体（见图3-27）。因为它只能通过针脚写入，所以它不受干扰，在恶劣的太空环境中，不受干扰的特点很重要。

IBM卡和纸带是顺序存储器，即数据是按顺序读取的。读卡器不能倒转，所以它们只适合长期存储数据。为了方便使用，内容必须被读入某种RAM中。1971年首次推出的商用单芯片微处理器英特尔4004，为更好的程序存储技术创造了需求。这些最初的微处理器用于运行固定程序的计算器等设备。在单芯片微处理器之后而来的是掩模式可编程只读存储器。掩模是集成电路制造过程中使用的模板。你需要编写一个程序，然后把位型和一张大额支票发送给半导体制造商。半导体制造商会把位型变成一个掩模，然后制造出包含程序的芯片。它是只读的，因为如果不写另一张大额支票且不做另一个不同的掩模，是没有办法改变它的。掩模式可编程只读存储器可以随机存取的方式读取。

掩模成本非常高昂，只能用于大容量应用设备。在掩模之后而来的是可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory, PROM），它是一种可以让你自己编程的只读存储器（ROM）芯片，但只能编写一次。PROM最初的机制涉及在芯片上熔化镍铬（一种镍铬合金）熔断器。镍铬合金和烤箱里发光丝的材质是一样的。

开发程序时，人们需要快速浏览一大堆PROM芯片。工程师不喜欢麻烦，所以接下来出现了可擦可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM）。这些芯片与可编程只读存储器类似，只不过它们上面有一个石英窗，你可以把它们放在特殊的紫外线下擦掉它们。

随着电擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM）的引入，生活变得更好了。EPROM芯片可以用电擦除，不需要紫外光，也没有石英窗。相对来说，擦除EEPROM的速度非常慢，所以人们不太想经常做这样的事情。

从技术角度讲，EEPROM是一种RAM，因为它可以按任何顺序读写内容。但由于它们写得慢而且比RAM贵，所以它们只被用作ROM的替代品。