18、P1 W3 U3.3 存储单元（待完善）

视频：
如果本次课程对应的 Coursera 的视频打不开，可以点击下面链接
P1W3U3.3 - Memory Units

在开始讲存储单元的时候，课程先回顾了一下在 P1W2U2.4 ALU 那节课里提到的冯诺依曼架构图。

如下图这节课就来讲右下角灰色部分“存储”（Memory）。

老师设计的存储只有一个主存储：RAM （类似内存？），不考虑次存储（比如硬盘）。

老师设计的主存储器RAM：即用来存储被操作的数据，也存储程序。

RAM的实现原理重逻辑，而现实世界的物理实现不会涉及。

和DFF一样，如果想用硬件物理实现的RAM，也要做些课外工作

RAM = Random Access Memory （随机存取存储器）

在开始RAM前，先看看RAM的基础组成部分“寄存器”。

课程又先回顾了上节课的 1位寄存器。

寄存器

16位寄存机 由 16个1位寄存器组成。

在本课程里，老师不特殊说明的情况下，Register（寄存器）默认都是指16位寄存器。

寄存器，图中w = word width字宽？ = 16-bit

读 寄存器

“读”寄存器，实际上就是 16位 out 的输出。

读 Register

写 寄存器

“写”寄存器，先设置 In 的值，再设置 load 为1，这样在 load 设置 1 的一个Clock周期后，out就输出一个Clock周期前In的值了。

写 Register

那接下来，用硬件模拟器来用 内建的 寄存器 演示一下。

打开硬件模拟器，选择 tools/builtInChips/DRegister.hdl
1.设置 输入值 （44）和 load值（1）。

2.因为hdl文件里有 CLOCKED ，所以模拟器的钟表按钮就可以点击了。
点击一下。

3.Time 从 0 到 0+（半个Clock），寄存器内部变为44了，但是out还没变。

4.再点击一下 “钟表按钮”，Time 从 0+ 到 1（完成一个Clock周期）。out变成44。

上图演示视频 从 5分50秒 到 12分20秒

RAM 单元

1.学习了寄存器，RAM就是有n个有序排列寄存器组成的。从0到n-1。

2.在任何一个时间点，只有一个寄存器被选中，从out/w 输出。

3.如何选择寄存器，需要一个地址（address），地址由k位组成。

4.课程 Hack小电脑 的 w（word width）默认为 16位。

5.RAM 的示意图 底部 也是有 小三角，所以也是时序电路，图中左下，写出了HDL语言如何编写。

假设k为本课系统最大位数16.那么通过这个16位各种组合，可以代表2的16次方（65536）个寄存器的地址，也就是说存储最大只能到64k？存储再大就没有地址来对应了，也就无法使用。

读 RAM

设置 地址（address），例如 i。设置 load 为 0（读操作）。

那么RAM的 out 此时的输出，就是 选中的 “寄存器 i ” 的 out

读 RAM

写 RAM

1、设置地址为 i （address = i）
2、设置数据为 v （in = v）
3、设置load 为 1 （写操作）

写 RAM

模拟器演示

操作演示，打开 tools/builtInChips/RAM8.hdl

写操作
地址选择1
设置load为1（写）
输入In 设为44
点一下闹钟按钮（走半个Clock周期）
RAM里的寄存器1就被设置成了44
如果再点一下闹钟按钮（完成一个Clock周期），RAM的out就输出44了。

读操作
切换地址i
设置load为0 （读）
从演示上来看，只要点一下闹钟按钮，RAM 的 out 就能读出对应 寄存器i 的数。

上图演示视频 从 18分00秒 到 25分40秒

最后，如下作业：
RAM8
RAM64
RAM512
RAM4k
RAM16k

上面几个RAM是组成Hack小电脑所需的。

为什么要用RAM，而不是其他存储单元呢？
因为，不管RAM有多大，读写操作 和 “找出对应寄存器” 都能在同样一个很短的时间内（一个clock？）完成。

RAM

这节课，讲了如何从 1位寄存器，做出 16位寄存器，又从16位寄存器 如何组成 RAM。

下节课 来讲另一个重要的单元 计数器（Counter）。