计算机的工作原理：RAM系列-触发器

时间：2021-03-02 18:36:21

关键字：计算机工作原理 RAM

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[导读]计算机是什么呢？——简而言之，可以看成是一个“自动干活的设备”。说起来并不复杂，我们一一拆解一下这句话。

计算机是什么呢？——简而言之，可以看成是一个“自动干活的设备”。说起来并不复杂，我们一一拆解一下这句话。首先“设备”很好理解，不用多解释。“干活”也好理解，就是要能实现一定的功能。“自动”是啥意义呢？——就是在初始人为干预结束后，设备能自动运行，也就是说，机器能自己存储并执行某种预设的“指令”。按照这个理解，我们基本就可以得到计算机的组成了：负责干活的设备和负责存储的设备。我们把前者叫做CPU，后者叫做RAM。当然还需要一些辅助设备将这两个东西连接起来，简要模型如下：

前面说了，RAM的作用是存储数据，我们知道，要存储信息，至少要有两个状态，且都必须是稳定的，我们把这样的器件称为双稳态器。最简单的双稳态器组成非常简单——两个非门串联反馈在一起，如下图所示：

经过简单分析这个电路，很容易发现：上图中红色部分信号既可以是高电平，也可以是低电平！也就是说，原来电路上是高电平的话，就一直维持在高电平，原来低电平的话，就一直维持在低电平-----这个电路有两个稳定状态，也就是有最简单的记忆功能。

大家都知道，触发器是现代电子技术中一个非常核心的器件，其实触发器的本质就是通过两个非门串联反馈在一起的双稳态器。

但是呢，基于两个非门串联反馈在一起的双稳态器有一个缺点：
状态一旦确定了之后就不再变化了，也就是说，我们没有办法改变这个系统的记忆，因为没有控制接口。
这当然难不倒我们，我们可以自己加上，比如，可以用两个与非门来代替非门，这样就可以增加两个控制端：

当然，也可以用或非门来代替非门，感兴趣的可以自己试一下。
如果将上图的与非门翻转180°，就会变成下面的图：

有没有一种似曾相识的感觉？没错，这就是RS触发器，它有四种状态：
a=1，b=1，为保持状态，也就是退化为两个非门的反馈串联；
a=0，b=1或a=1，b=0，就会控制记忆和输出；
a=0，b=0，o和ō 都是1，应避免出现该种状态，我们称之为非法态。(o表示输出(output)，ō 表示反向输出)

有两个bug：

能够控制记忆，但是有非法状态；
整个系统不受控，一直在工作，当输入端变化时，输出端也跟着变化。
我们可以在输入端再增加两个或门，这样的话，中间这个输入引脚为1的话，电路处于保持状态，就自动屏蔽外部输入，也就是老子不干活了。只有中间这个引脚为0的时候，才工作。

这样就就解决了第二个bug，但是依然有存在非法态的可能，怎么干掉呢？
既然中间引脚解决了保持记忆的问题，那我们最后只要保证输入的两个引脚不同，就可以避免全0的情况，加个非门不就完事了？两个输入永远不会同时为0。

这就是电平型D触发器。

前面我们说了，只有当s=0时，输出才等于输入，系统才开始干活，我们更习惯s=1时干活，这样也好办，再加一个非门。同时，我们把表示a改为i，意为input。

这样显得略臃肿，我们知道：

即：

这样左上方的或门就可以变为与非门，所以有：

同时，我们又知道：

即

所以，此时：

可以进一步简化成4个与非门的形式。