隨機(jī)存取存儲器的直觀體驗(yàn)

陳凱

當(dāng)人們看到“隨機(jī)存取存儲器”或者是“RAM”這樣的詞語時(shí)，頭腦中浮現(xiàn)出來的畫面是怎樣的呢？也許是如圖1所示的樣子。

這當(dāng)然沒有錯(cuò)，如果要為自己的計(jì)算機(jī)添加內(nèi)存條，那么只要找到和圖片中差不多的物件，安裝到主板相應(yīng)位置即可。然而，若說起“隨機(jī)存取存儲器”，頭腦中所浮現(xiàn)的畫面僅僅像圖1所示的樣子，那又如何解答以下問題：隨機(jī)存取存儲器存儲的究竟是什么？如何讀取或?qū)懭胄畔?？“隨機(jī)”一詞又是什么意思？筆者經(jīng)常會考慮，究竟怎樣做，才能讓應(yīng)用背后的技術(shù)更簡單直觀地在教學(xué)過程中呈現(xiàn)出來？

按生產(chǎn)工藝和性能不同，“隨機(jī)存取存儲器”分好幾種，本文選取常用也相對簡單的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器（縮寫為DRAM）進(jìn)行說明，用EWB電路模擬軟件來模擬存儲器讀寫過程，EWB軟件既可以繪制電路，也可以實(shí)施電路的模擬運(yùn)行，當(dāng)然大家也可以使用其他的電路模擬軟件來實(shí)施文中的例子。為了盡可能簡單直觀地說明問題，筆者對文中的電路做了極大的簡化，希望能做到形不似卻神似。

● 電容與存儲

考慮以下場景：Alice帶領(lǐng)探險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)入某大規(guī)模地下迷宮執(zhí)行神秘任務(wù)，她要根據(jù)向?qū)ob給自己留下的“指路神器”來辨識方向，每遇見一個(gè)岔路，就按下“指路神器”的按鈕，以燈亮表示走左側(cè)岔路，燈不亮表示走右側(cè)岔路。由于害怕隊(duì)伍中有敵人派來的奸細(xì)，所以只有到岔路口才能讀取信息。問題是，Bob如何將方向信號保存到“指路神器”中呢？最簡單的“指路神器”可以用一系列電鍵、電容、發(fā)光二極管組裝而成，假設(shè)Alice只會碰到兩次道路分岔的情況，那么Bob可以提供兩套設(shè)備，并預(yù)先作了如圖2所示的操作。

因?yàn)殡娙菘梢源鎯﹄姾?，所以電容中是否存儲有電荷就可以用來表示信息。圖標(biāo)表示的就是用來存儲信息的電容。為了將“左轉(zhuǎn)”信息存儲在一號裝置的電容中，Bob將一號裝置的電鍵閉合一段時(shí)間后再斷開；為了將“右轉(zhuǎn)”信息存儲在二號裝置的電容中，Bob將二號裝置的電鍵一直處于斷開狀態(tài)。Alice拿到“指路神器”時(shí)的狀態(tài)應(yīng)該是如下頁圖3所示的狀態(tài)。

注意，不到讀取信息的時(shí)候，電鍵[0]和[1]都必須是斷開的，因?yàn)橐坏┖蠑n電鍵[0]或[1]，就等于把電容中原有的信息覆蓋了。默認(rèn)情況下，發(fā)光二極管都是不亮的，當(dāng)遇到第一個(gè)岔路時(shí)，Alice合攏電鍵[A]（如下頁圖4），這時(shí)一號裝置的發(fā)光二極管會亮一段時(shí)間，直到電容放電完畢后才重新變暗，于是她就知道要走左側(cè)岔路了。

而合攏電鍵[B]，二號裝置的發(fā)光二極管始終都不會亮，于是她就知道要走右側(cè)岔路。然而，現(xiàn)實(shí)總是沒有理想那么豐滿，電容雖然可以臨時(shí)存儲進(jìn)電荷來代表信息，但電容的電荷會隨著時(shí)間的流逝而逐漸丟失，也就是通俗所說的漏電。EWB軟件中的電容太“完美”了，較難演示漏電，于是筆者就用了一個(gè)高阻值的電阻來模擬電容漏電的過程（如圖5）。

在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先用5秒左右時(shí)間，閉合電鍵[3]給電容充電，然后斷開。因?yàn)殡娙葜械碾姇趲酌雰?nèi)漏完，所以只有及時(shí)合攏[C]才能讀出電容中的信息。這個(gè)例子已經(jīng)比較直觀地演示了RAM中最基本的存取信息的過程。

如果用實(shí)際的電容操作實(shí)驗(yàn)就會發(fā)現(xiàn)，幾微法的電容在斷電后信息維持時(shí)間還是相當(dāng)長的，但在內(nèi)存條中，電容的電容值很小，維持時(shí)間非常短，所以使用中要定時(shí)實(shí)施“刷新”動(dòng)作，才能維持住電容中的電荷量，斷電超過一定時(shí)間后，RAM中的信息就會丟失。由于定時(shí)刷新電路比較復(fù)雜，這里就不作展開了。

● 存取動(dòng)作的控制

想象一個(gè)魔幻的場景：假設(shè)Alice還持有一個(gè)神奇動(dòng)物記錄器，她的一項(xiàng)任務(wù)就是在規(guī)定時(shí)間里，統(tǒng)計(jì)地下迷宮中某種神奇動(dòng)物的行為特征，如果遇見該動(dòng)物在活動(dòng)，則往電容存儲1，如遇見該動(dòng)物在睡眠，則往電容存儲0。不過Alice是個(gè)十分專注又缺乏時(shí)間觀念的探險(xiǎn)家，常常不在規(guī)定時(shí)間里進(jìn)行記錄。因此，Bob設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有“允許”開關(guān)的記錄裝置，Alice的助手Carol負(fù)責(zé)打開或關(guān)閉這個(gè)“允許”開關(guān)，只有在“允許”開關(guān)合攏的情況下，Alice才能完成信息記錄動(dòng)作。于是整個(gè)電路圖變成了如下頁圖6所示的樣子。

圖6中多了許多零件，尤其值得注意的是多了場效應(yīng)晶體管，以來表示。這個(gè)電路的作用是通過場效應(yīng)晶體管控制外界是否有往電容存儲信息的權(quán)限。例如，電鍵[P]閉合表示允許寫信息，電鍵[D]閉合表示執(zhí)行寫入數(shù)值1的動(dòng)作，于是信息1就被存儲到電容中。為了檢驗(yàn)數(shù)值1是否被存入電容，可以先把電鍵[D]和[P]斷開，然后閉合電鍵[R]，如發(fā)光二極管短暫點(diǎn)亮，則說明數(shù)據(jù)被寫入。即便不講解電路的原理，也能在比較短的時(shí)間里，演示信息存儲和讀取的整個(gè)過程，或者可以直接讓學(xué)習(xí)者在模擬軟件中親自操作一下。

當(dāng)然，在RAM電路中，并不是通過電鍵來控制讀寫信息的時(shí)間順序，而是依賴一個(gè)時(shí)序電路來控制整個(gè)流程，大家也許注意到了，每次讀取信息時(shí)，電容的電荷都會丟失，所以還需要借助一個(gè)回寫電路，將讀取的信息重新寫入電容中。

● 存取地址的控制

想象一個(gè)稍微復(fù)雜點(diǎn)的場景：Alice要借助一套裝置統(tǒng)計(jì)地下迷宮中四種神奇動(dòng)物的行為特征——或許是因?yàn)榭匆娚衿鎰?dòng)物的興奮讓她變得比較健忘吧，當(dāng)初究竟為什么要選擇她來執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)呢？

需要探查的四種神奇動(dòng)物編號從零號到三號。如遇見動(dòng)物在活動(dòng)，則往相應(yīng)電容中存儲1，遇見動(dòng)物在睡眠，則往相應(yīng)電容中存儲0。例如，看見零號動(dòng)物在活動(dòng)，則往零號電容存儲1，看見二號動(dòng)物在睡眠，則往二號電容存儲0。雖然看上去需求并不復(fù)雜，但為了實(shí)現(xiàn)指定存儲元件的地址定位工作，就需要用到邏輯門，若將電路圖完整繪制出來，占用的篇幅也是相當(dāng)可觀的，好在可以將具體的電子元件在邏輯層面進(jìn)行封裝，這樣就可以在基本符合事實(shí)的情況下解釋定位過程了。地址為www.indiabix.com/electronics-circuits/dynamic-ram/的網(wǎng)頁上提供了一個(gè)現(xiàn)成的邏輯電路JAVA模擬器，可以直接點(diǎn)擊鼠標(biāo)模擬運(yùn)行。

如圖7所示，兩個(gè)帶小圓圈的三角形邏輯元件是非門，四個(gè)類似拱門形狀的邏輯元件是與門。這六個(gè)元件的連接，實(shí)際上是按照以下四行邏輯表達(dá)式來構(gòu)造的：

F0 = A1 AND A2；

F1 = （NOT A1） AND A2；

F2 = A1 AND （NOT A2）；

F3 = （NOT A1） AND （NOT A2）

這四行邏輯表達(dá)式中，初始輸入的A1和A2可以有“0、0”“0、1”“1、0”

“1、1”四種情況，每輸入一對A1和A2的值，四行邏輯表達(dá)式中都只會有一個(gè)結(jié)果為1，這樣就能將A1和A2的數(shù)值作為定位地址來使用了?？梢郧逦乜闯?，兩個(gè)二進(jìn)制符號能夠定位四個(gè)地址。如果需要定位更多的地址，就要用到更復(fù)雜一些的邏輯表達(dá)式。根據(jù)二進(jìn)制原理，n個(gè)符號就能定位2的n次方數(shù)量的地址。由于可以按地址存儲信息，因此就能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)在某特定位置存取信息的功能，與通過磁帶或紙帶順序讀寫信息的方式有很大不同，因此稱為隨機(jī)。

筆者一直認(rèn)為應(yīng)該將數(shù)字電路的知識納入到信息技術(shù)課程中，因?yàn)橄嚓P(guān)內(nèi)容與計(jì)算思維的培養(yǎng)有著密切的關(guān)系。當(dāng)前有些地區(qū)的通用技術(shù)課程或勞動(dòng)技術(shù)課程中，包含有一些基礎(chǔ)的數(shù)字電路的知識和實(shí)驗(yàn)，如果能將它們和信息技術(shù)的部分內(nèi)容進(jìn)行整合，可以起到一加一大于二的效果。