Регистры и оперативная память: ячейки и адреса

Регистр — это ряд триггеров с общим тактовым сигналом, который хранит одно число. Оперативная память — множество таких хранилищ, ячеек, и у каждой есть номер — адрес. Зная адрес, схема сразу находит нужную ячейку: читает из неё число или записывает новое.

Регистр: число из триггеров

D-триггер из урока Триггер помнит один бит. Числу 105 нужно семь битов, а с запасом — восемь. Поставим восемь D-триггеров в ряд и подадим на все один тактовый сигнал. На фронте все восемь одновременно запомнят по биту. Такую схему называют регистром.

Регистр похож на кодовый замок велосипедного троса. Каждое колёсико хранит одну цифру, а все вместе — одно число. Только у триггера «колёсико» с двумя положениями: 0 и 1.

Сколько триггеров, столько и разрядов. Регистр на 8 разрядов хранит числа от 0 до 255, на 16 разрядов — до 65 535. В процессорах современных компьютеров и телефонов регистры 64-разрядные.

Новое число регистр запоминает не на каждом такте, а только когда подана команда «запись». Остальное время он хранит прежнее число и постоянно показывает его на выходах.

Регистров в процессоре немного — несколько десятков. В них лежит то, с чем процессор работает прямо сейчас: числа для АЛУ, результат, флаги.

Память: одинаковые ячейки с номерами

Нескольких десятков чисел мало. В одной фотографии миллионы байтов, а в запущенной игре — миллиарды. Нужно очень много хранилищ и способ в них не запутаться.

Способ знаком Вам по постамату — шкафу, куда привозят заказы из интернет-магазинов. Ячейки в нём одинаковые, у каждой свой номер. Вы вводите код, и открывается ровно одна дверца.

Оперативная память устроена так же. Это длинный ряд одинаковых ячеек, и в каждой лежит одно число — обычно один байт. Ячейки пронумерованы подряд, начиная с нуля. Номер ячейки называют адресом.

Дешифратор: от адреса к ячейке

Адрес приходит в память двоичным числом по нескольким проводам. Превратить его в сигнал «открыть вот эту ячейку» должен дешифратор. У этой схемы свой выход для каждой ячейки, и единица появляется только на одном — на том, чей номер совпал с адресом.

Собрать дешифратор несложно. На каждый выход ставят вентиль И и подают на него биты адреса — напрямую или через НЕ. Сочетание подбирают так, чтобы единица получалась только при «своём» адресе. Вот дешифратор для адреса из двух битов:

Например, выход 2 — это «левый бит И НЕ правый бит»: единица получится только при адресе 10.

Чтение и запись

С выбранной ячейкой можно сделать одно из двух.

• Чтение. Память получает адрес и выдаёт копию числа из ячейки. В самой ячейке число остаётся.
• Запись. Память получает адрес, новое число и команду «запись». Ячейка запоминает новое число, а прежнее пропадает бесследно.

Проследим за ячейками с адресами 4 и 5:

действие                      ячейка 4    ячейка 5
в начале                         100          0
записать 105 по адресу 5         100        105
прочитать адрес 5: ответ 105     100        105
записать 12 по адресу 5          100         12
прочитать адрес 4: ответ 100     100         12

Число 105 исчезло в момент второй записи, а соседняя ячейка ни разу не изменилась.

До любой ячейки память добирается одинаково быстро: дешифратору всё равно, пятый адрес ему назвали или пятимиллионный. Отсюда английское название оперативной памяти — RAM, random access memory, «память с произвольным доступом».

Сколько ячеек можно пронумеровать

Каждый новый бит адреса удваивает число ячеек. Адрес из k битов различает 2ᵏ ячеек — это то же правило, по которому k битов дают 2ᵏ сочетаний.

Последняя строка объясняет известное ограничение. 2³² — это 4 294 967 296 байт. Разделим на 2³⁰ = 1 073 741 824 и получим ровно 4 гибибайта — те самые «четыре гигабайта». О двух значениях слова «гигабайт» рассказано в уроке Байты, килобайты и гигабайты.

Процессору с 32-битным адресом нечем назвать следующую ячейку: номера закончились. Поэтому, когда программам понадобилось больше памяти, компьютеры и телефоны перешли на 64-битные адреса. У телефона с 8 ГиБ оперативной памяти ячеек 2³³, и 32 битов ему уже не хватило бы.

Почему оперативная память забывает

Триггер держит бит, пока его вентили получают питание. Выключите компьютер — и все ячейки забудут своё содержимое. Поэтому несохранённый текст пропадает, если ноутбук разрядился.

Накопитель — SSD, жёсткий диск, флешка — хранит биты иначе: запертым зарядом или намагниченными участками. Питание для хранения ему не нужно, зато работает он гораздо медленнее.

Чем быстрее хранилище, тем оно дороже и тем его меньше. Похоже на школьный день: на парте лежит то, что нужно сию секунду, в рюкзаке — учебники на сегодня, а дома на полке — все остальные книги. Подробнее о накопителях — в уроке Из чего состоит компьютер.

Частые ошибки

• Путают адрес и содержимое. В ячейке 5 лежит число 105: адрес — это 5, он не меняется; содержимое — 105, его можно перезаписать.
• Думают, что чтение опустошает ячейку. Читается копия, число остаётся на месте.
• Считают, что 32 бита адреса — это 32 ячейки. Это 2³² ячеек, больше четырёх миллиардов.
• Путают оперативную память и накопитель. Фотографии и установленные игры лежат на накопителе, а в оперативной памяти — только то, что запущено сейчас.

Коротко

• Регистр — ряд триггеров с общим тактовым сигналом; он хранит одно число, по биту в каждом триггере.
• Оперативная память — множество пронумерованных ячеек; номер ячейки называют адресом.
• Дешифратор по адресу из k битов выбирает одну ячейку из 2ᵏ.
• Чтение выдаёт копию числа, запись заменяет его новым.
• Адрес из 32 битов различает 2³² ячеек, то есть 4 ГиБ памяти.
• Оперативная память без питания теряет данные, накопитель — нет, но работает он медленнее.

Детали собраны: АЛУ умеет считать, регистры и память — хранить числа. Осталось заставить их работать вместе по программе — об этом урок Как работает процессор.