【原】内存被记录在时序逻辑电路中

无聊的时候喜欢琢磨问题，比如关于芯片的问题，想搞清楚各种概念的关系，内存，指令，BootLoader，寄存器，存储器，程序，数据，抽象与映射，读与写的操作，中断的响应，诸如此类。

有时候又回过头来看看学过的知识，比如数字电路和模拟电路。想着他们和其它知识之间的关系，不知不觉就会想到很多东西，冯诺依曼的架构，并行计算，当时搞算法的时候非常深入地研究了一些数学原理，用到了矩阵的求逆和有限元的计算。心想着，计算机技术是不是也可以深入地想一想，寻找一些本质的东西。然后我就想计算机为什么能够存储数据，然后就想到了时序逻辑电路，当前的状态不仅取决于输入还取决于之前的状态，这样的特点让逻辑电路有了记忆的功能。再对逻辑电路追问下去，我想到了与或非三种基本门电路，与门和或门可以用两个二极管实现，但是非门却不得不借助于三极管。但是如果我们对三极管追问下去，会想起来它是由两个PN节组成的，而一个PN节就是一个二极管，正向导通，反向截止。至此，可以说这一切的一切都是因为半导体的出现而产生，没有那个看似不起眼的PN结，可能就没有如今的个人电脑，没有手机，也没有所谓的存储与通信技术。但是这些基本的技术其实也很简单，之所以让人觉得高端触不可及，是因为应用场景对容量和计算速度的不断要求，才发展成现在这么复杂的体系。可能最初的时候，也就是一个普通的晶体管，其导电的特性不同于常见的金属材料。

时间允许，那我就展开慢慢说吧，先说与或非。

如图，为二极管与门电路，Vcc=10v。假设3v及以上代表高电平，0.7及以下代表低电平。下面根据图中情况具体分析一下：

1.Ua=Ub=0v时，D1，D2正偏，两个二极管均会导通，此时Uy点电压即为二极管导通电压，也就是D1，D2导通电压0.7v.

2.当Ua，Ub一高一低时，不妨假设Ua=3v，Ub=0v，这时我们不妨先从D2开始分析，D2会导通，导通后D2压降将会被限制在0.7v，那么D1由于右边是0.7v左边是3v所以会反偏截止，因此最后Uy为0.7v，这里也可以从D1开始分析，如果D1导通，那么Uy应当为3.7v，此时D2将导通，那么D2导通，压降又会变回0.7，D1的状态由导通变为截止，最终状态Uy仍然是0.7v.

3.Va=Vb=3v，这个情况很好理解，D1，D2都会正偏，Uy被限定在3.7V.

总结（借用个定义）：通常二极管导通之后，如果其阴极电位是不变的，那么就把它的阳极电位固定在比阴极高0.7V的电位上;如果其阳极电位是不变的，那么就把它的阴极电位固定在比阳极低0.7V的电位上，人们把导通后二极管的这种作用叫做钳位。

如图，这里取Vss=0v，不取-10v

1、当Ua=Ub=0v时，D1，D2都截止，那么y点为0v.

2、当Ua=3v，Ub=0v时，此时D1导通，Uy=3-0.7=2.3v，D2则截至

同理Ua=0v，Ub=3v时，D2导通，D1截止，Uy=2.3v.

3、当Ua=Ub=3v时，此时D1，D2都导通，Uy=3-0.7=2.3v.

从4kΩ电阻到T1的“集电结”，到T2的发射结，再到1kΩ电阻，实际是两只电阻、两只pn结组成的串联分压电路，在这个回路中，越往下电位就越低。所以T1的基极电位总是高于集电极0.7V的。

pn结正向压降0.7V，两只pn结正向压降1.4V，那么两只电阻压降为（5-1.4）V=3.6V，4kΩ电阻压降为［4/（4+1）］×3.6V≈2.9V，故T1集电极电压为5-2.9-0.7=1.4V。

水向低处流，电流也是向低处流。

A端输入3.6V以上高电平电压时，T1集电极1.4V电压低于发射极电压，4kΩ电阻电流经T1集点结流向T2发射结，使T2饱和，T4饱和，电路输出低电平。

A端输入1V以下低电平电压时，T1发射极电压低于集电极1.4V电压，4kΩ电阻电流经T1发射结流向低电平输入端A，T2得不到电流而截止，T4截止，Ucc经R2使T3饱和导通，电路输出高电平，实现非逻辑关系。

以上与或非门都是组合逻辑电路，下面说一个时序逻辑电路中一个非常典型的电路结构，RS触发器。分析方法是简单的逻辑电路的分析方法，最终可以画出其真值表，以及状态转移图，方便理解。

有两个输入，分别可以取0和1两种状态，组合起来就是四种情况。每种情况下，假设Q的取值即可以总结出规律。这里可以看到当两个输入的状态都是0的时候，输出都是1，违反了两个输出之间互补的关系。

下图是状态转移的过程，可以看到在1状态下，R为1是一个稳态，不会发生跳转，在0状态下，S为1也是一个稳态，不会发生跳转。

基于以上的电路知识，我们就可以介绍冯诺依曼结构了，他给出五个功能定义，运算器，控制器，存储器，以及输入设备和输出设备，至今被广泛采用。和冯诺依曼结构相对应的是哈佛结构，两者的区别就是，冯诺依曼结构把指令和数据放在一起了，采用同一个总线进行读写，分时间段共用。而哈佛结构把指令和数据分开存储，有两套总线来进行读写。

在这个基础上，为了提高算力，人们又提出了并行计算，从计算机处理器的结构上讲就是一核变成了多核。

这是内存共享的

这是内存不共享的，有点像现在说的云计算。我当初也搞过这个，但是一是对底层架构了解不多，也就会使用Linux操作系统的程度，另一个就是对于通信的原理以及各种protocol没有系统学习过，只会简单调用MPC库里面给出的接口函数。

现在的系统越来越复杂，知识点越来越细，很多底层的硬件结构对于软件开发人员其实是被抽象了的。往上说到应用层更是如此，那个层次的开发人员不需要关心文件的读取和写入的方式。而做软件底层的人，也不需要了解硬件的逻辑电路，而设计硬件电路的人也没精力去关心单晶硅的切片和刻蚀。这就是我们社会现在的分工合作，每个人在自己的位子上做好自己的事情，不知道是好是坏呢。