一、引子

这一小节，

我们首先学习使用半导体元器存储0和1的基本原理。

然后通过半导体元器件组合，可以构成存储芯片。因为存储芯片里面存储了很多个字的数据，所以存储芯片必须提供一个寻址的功能。

最后再探讨不同的寻址方式。

二、半导体元件

现在来看一下组成主存储器的基本半导体元件及它的基本原理。

1.基本半导体元件

在第一章，我们学习过，一个存储器，可以分为存储体、MAR（地址寄存器）、MDR（数据寄存器）。

这三个部分，会在“时序控制逻辑”的控制下，相互配合着工作。如下：

存储体就是用来存放实际的二进制数0和1的，一个存储体由多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成，也就是存储元件。

用存储元件，就可以存放二进制数0或1。

这里涉及到两个半导体元器件，下面的部分是电容，上面是MOS管。

（1）MOS管

==MOS管可以理解为一种用电控制的开关。==

①如果在左端加上一个高电压，比如达到了5V阈值，那么这个MOS管就可以导电。

②如果不给左端加电压，或者电压达不到阈值的要求，那么这个MOS管就是一个绝缘体，不导电。（可以看见图中虚线）

MOS管是 半导体 ，既不是导体也不是绝缘体。在给了一定电压条件之后，这个绝缘体可以变为导体；但如果给的电压条件不满足，它又不是导体。

（2）电容

电容在高中就学过了。

==一个电容由两个金属板还有中间的绝缘体构成。==

可以看见，下方的金属板是接地的，那么这里的电压就是0V。

如果现在给上面的金属板加一个大于0V的电压，比如加一个5V的高电压。

由于上下的金属板产生了电压差，所以电容里面的电荷就会开始移动。就是给电容充电。

当输入5V电压之后，电容里面就会保存一定的电荷。

如果在上面金属板输入的是低电平信号，比如0V或者1V，下方还是接地（0V）。由于上下金属板的电压差非常小，所以这种情况下，电容不会充电。

所以，可以根据电容是否保存了电荷两种状态的信息来对应二进制的0和1。

给电容充电就是写数据的过程；给电容放电就是读数据的过程。

2.读写二进制数

（1）读出二进制

①二进制1

假设现在电容上保存了一些电荷，规定，当它保存了一些电荷，就对应二进制的1。

那么该如何读取二进制的比特位呢？

只要给MOS管左端加上高电平信号，比如5V。也可以理解为输入了二进制的1。

当MOS管左端的电压达到一定阈值之后，这个MOS管就可以接通。

由于MOS管现在接通了，所以电容里面保存的电荷就可以顺着导线往外流。

当我们在右端检测到有输出电流的时候（如下图），

就意味着它输出了二进制的1。

②二进制0

如果此时电容里面没有保存电荷，比如下面的状态，表示二进制的0。

当MOS管接通的时候，在右端并不能检测到电荷的流出。

因此，就可以判断，电容里面保存的是二进制的0。

（2）写入二进制

假设现在想让电容保存二进制1，那么可以在右端加入一个5V的高电平电压。如下：

同样在MOS管也加一个5V的高电平（假设5V是阈值），让MOS管接通。

那么电容上面的金属板电压就是5V。又由于下方接地，所以下方金属板电压是0V。

只要电容金属板两端有电压差，就会导致电容里面的电荷开始移动。

所以电容就会存储一些电荷。

也就是存储了二进制的1。

再让MOS管断开，这样电容里面的电荷就跑不出去了。

3.存储体

如果将多个存储元进行科学合理地连接，那么就可以一次性读出或者写入多个二进制数据。

比如上边的一排二进制存储元，存储的二进制信息分别是：10100011

上面的红线，连接了每个存储元的MOS管（如下图）。

如果给红色的线加一个5V的高电平，就意味着所有存储元的MOS管都接通了。

当MOS管接通之后，电容里面存储的电荷就可以顺着灰色的线，然后从绿线导出。

那我们只需要检测绿色的线有没有产生电流，来判断每条线对应的是二进制的0还是1。

如果有电流，就是二进制的1；如果没有电流，就是二进制的0。（如下图）

所以，根据这样的方式，就可以读出一整行的存储元（存储单元）所存储的二进制比特信息。也就是存储字。

多个存储单元就构成了存储体，也叫存储矩阵。

一次可以读出的二进制位就是一个存储字，这个例子的存储字长就应该是8bit（一行有8个存储元）。

如果现在有16个存储元构成一行，这就意味着存储字长变成了16bit。

那么现在就能理解，在第一章说过的，存储器每次读或者写的单位都是读或者写一个存储字。

因为同属于同一个存储字的存储元件，它们的MOS管的左端都是接着同一根线（图中红线）。如果接通了这根线，那么一行所有的存储元都同时接通。也就能同时读出或写入啦。

三、存储芯片的基本原理

刚才的存储体只包含了两个存储单元。

那么接下来我们要探讨，如何根据地址来决定要读或者写的是哪个存储字。

1.译码器

这就涉及到译码器的使用。

我们给出n位二进制地址之后，这n位二进制地址会对应2^n个存储单元。

所以译码器会根据地址寄存器MAR给出的这n位地址，把它转换成某一条选通线的高电平信号。

比如此时CPU给MAR送过来的地址是：000

000翻译成十进制是000。

所以译码器会给第0根字选线一个高电平输出。这样的话，第一个存储字对应的存储元件都会被选通。就可以读出每一位二进制数据了。

每一位地址，会对应译码器的一条输出线。

这个例子，总共有2^3=8个地址。因此译码器的输出端总共会有8条线。

经过译码器的处理，一个地址信号会被转换成译码器的某一条输出线的高电平信号。

当红色的自选线被接通之后，我们就可以通过数据线（图中绿线）把每一位的二进制信息传送到MDR中。

然后CPU会通过数据总线从MDR中取走一整个数据。数组总线的宽度和存储字长是相同的。

2.控制电路

接下来，我们继续完善存储芯片的构成。

需要增加一个控制电路。用于控制译码器、MAR、MDR。

比如，CPU通过地址总线把地址送到MAR中。由于我们使用的是电信号来传送这些二进制数据，而电信号难免会有不稳定的情况。

所以，在MAR中的电信号稳定之前，MAR中的地址信息是不能送到译码器当中的。

（这就是控制电路的一个作用，只有当MAR稳定之后，控制电路才会打开译码器的开关，然后让译码器翻译地址，给出相应的输出信号）

输出也是一样，只有当输出的电信号稳定之后，控制电路才会认为此时的输出是正确的。所以，控制电路也会控制MDR在什么时候给数据总线送出数据。

3.对外线路

存储芯片还需要对外提供一些线路。

①片选线

片选线又叫CS（Chip Select）芯片选择信号或CE（Chip Enable）芯片使能信号

如果给出的芯片选择信号是一个低电平的时候，就说明这个芯片的总开关是被我们接通的。

②读控制线

当我们需要读出数据的时候，就要给读控制线OE一个低电平信号，表示此时要进行读操作。

③写控制线

当写控制线WE的信号是低电平的时候，表示此时芯片正在进行写操作。（就是将MDR里面保存的数据输入到各个电容当中）

读控制线和写控制线可以分为两根，还可以将它们合二为一。

用一根线WE来表示究竟是写还是读。（低电平写，高电平读）

:red_car:注意

==头上划线表示该信号低电平有效。==

需要注意题目中是两根读写线，还是一根读写线。这两种方式对外暴露的引脚数目是不一样的！

4.整合

那么，现在我们就可以给出存储芯片的完整构造。（如下图）

将内部细节去掉，再将其封装之后，就是之前学到的图，看一下对比图：

整体来看，存储芯片由这样的三个部件构成。

①存储矩阵就是一个一个的存储元。

②译码驱动电路实际上是译码器（上面介绍过）和驱动器（将电信号进行放大）

驱动器：译码器会输出某一条线路的高电平信号，这一条线会连接很多存储元，需要控制这些存储元的开和关。为了让译码器输出的高电平信号稳定有效，所以通常会在译码器后面接上一个驱动器，用来保证译码器输出的电信号是稳定可靠的。

③读写电路包括说的红线和绿线还有控制电路。

另外，存储芯片需要接收来自外界的地址信息，这个地址信息，通常是CPU通过地址总线传过来的。

还需要数据线进行数据的传输。

还要通过片选线的电信号来确定此时这块芯片是否可用。

读写控制线可能有一条，也可能有两条。

:question: 大家可能还会疑惑片选线有什么作用。

来看一个实际的内存条，中间一块一块的黑色的芯片就是存储芯片。

比如这一块内存条上的存储芯片的存储容量都是1GB，它总共有8块存储芯片，那么就可以存储8GB的数据。

如果你要读取的数据，刚好存放在这一块存储芯片当中：

当我们提供了一个读写的地址之后，只能让这一块存储芯片工作，其他的存储芯片不能工作。

这就是片选线的作用。如果只想读取这一块存储芯片指定地址的内容，那么就需要让这块存储芯片的片选线信号有效。（也就是CS信号给一个低电平）

当然，其他芯片的片选线信号都是高电平信号。

这样就可以保证，此次读取的就是指定芯片的数据。

补充一个知识，这里的每一块存储芯片都会对外暴露出一个一个的金属针脚（或者叫金属引脚）。如下：（每根线都会对应一个金属引脚）

这些金属引脚就是用来接收地址信号、数据信号或者片选线信号、读写信号的。

所以，会经常遇见这样的题目：告诉你一块存储芯片的某一些参数信息，让你判断这一块存储芯片的引脚数目至少应该是多少。

这种类型的题目，就是让你判断地址线（或数据线）有多少根，每根地址线（或数据线）会对应一个金属引脚。片选线也会对应一个金属引脚。还有读写控制线（用来表示此时进行的是读操作还是写操作），至少对应一个金属引脚（读写控制线分为两根就是两个金属引脚）。

另外，还有供电引脚、接地引脚等。

:books:补充

如果告诉你一个存储芯片有n位地址，那么就意味着地址线需要有n条。n位地址又会对应2^n个存储单元。

知道了存储单元的数量，再乘以每个存储字长，就可以得出芯片的总容量。

之前，我们都是用多少个字节，或者多少个bit来描述一个芯片的容量。

还有一种描述方式，比如一块存储芯片是一块8*8位的，第一个8表示有8个存储单元，第二个8表示每个存储单元包含8位信息（也就是存储字长是8位）。

8K*8位：有8K（2^13）个存储单元，存储字长是8位。所以这个芯片有13位地址，每一位地址对应一个存储元，一行有8个存储元。

5.寻址

接下来，我们进一步探讨关于寻址的问题。

图示里面，一个小方格表示一个字节（8bit）的信息，一行表示一个存储字。

那么这块存储芯片的存储字长是4个字节，假设容量是1k（2^10）个字节，所以有256个字（1024/4=256）。（也就是有256行）

现代计算机中，通常是按照字节编址的（每个字节对应一个地址）。

这个存储矩阵中一共有1k个字节，就对应1k个地址。（每一个字节对应一个地址）

但是现代存储器，通常也支持按字寻址、按半字寻址、按双字寻址。如下：

①还是来看一下==按字节编址==。

1K个单元，对应地址线就是10根（2^10=1K）。

那么地址就是10个0到10个1：（就是0~1023的范围）

现在将地址画在图里面：

②==按字寻址==

如果现在想要按字寻址，由于一个字占4个字节。因此会把连续的字节地址合并，看作一整个字。

当我们指明要读的是第几个字的时候，只需要把字地址进行算数左移两位，如下：

这样就可以把字地址转化成与之对应的字节地址。（比如字地址是1，对应字节地址是4）如下：

比如，现在要读的是1号字。（第二行的字）如下：

那么将1进行算数左移两位，001变成了100，转化为十进制就是4。

这样就得到了这个字（1）起始字节的地址（4）。

字是一行， 字节是一小块。

四、总结回顾

:bookmark: 往期精彩文章：

2.4总线操作和定时

2.5总线标准

3.1存储系统基本概念

订阅专栏：计算机组成原理