问题

在硬件层级,地址总线是如何根据地址电信号,从多个触发器中找到指定的触发器的呢?

回答
在深入探讨硬件层级中地址总线如何从多个触发器中精准定位目标触发器之前,咱们得先把场景勾勒清楚。你可以想象一下,内存就像一个巨大的仓库,里面摆满了无数个小格子,每个小格子都能存放一份数据。而触发器,在这里就可以理解成是那些存储单元,每一个都对应着仓库里的一个特定位置。地址总线,就是负责传递“我要找哪个格子”这个信息的信使。

现在,让我们抛开那些花哨的术语,用更直观的方式来理解这个过程。

首先,CPU(中央处理器)就好比仓库的管理员。当它需要读取或写入某个数据时,它会先确定这个数据在仓库里的哪个位置。这个位置信息,就是我们所说的“地址”。这个地址不是随意给出的,它被转换成一系列的电信号,就像是一串二进制编码。比如说,地址是“1011”这个二进制数,它就对应着电信号的“高低高高”这样一种组合。

地址总线,你可以把它想象成一条由很多根导线组成的“通道”,每一根导线都代表着地址二进制码中的一个“位”(bit)。比如,一个16位的地址总线,就有16根导线,每根导线都能传递一个0或者1的电信号。

现在,最关键的部分来了:如何从成千上万个触发器里,只选中那一个?这就需要一个叫做“地址译码器”的组件了。地址译码器就像是仓库里的一个精密的“接待员”。它接收来自地址总线的电信号,然后根据这些信号的组合,激活(也就是让它“工作”)对应的那个存储单元。

我们来看一个简单的例子。假设我们只有两个触发器,分别存储着编号为“00”和“01”的数据。地址总线就是两条导线。

当CPU发出地址“00”时,地址总线上的信号就是“低低”。地址译码器接收到这个“低低”信号,它就会内部产生一个信号,只让编号为“00”的那个触发器“响应”。
当CPU发出地址“01”时,地址总线上的信号就是“低高”。地址译码器接收到这个“低高”信号,它就会激活编号为“01”的那个触发器。

你可以把地址译码器想象成一个逻辑电路。它由很多“与门”和“非门”组成。对于每个可能的地址,译码器都会有一套特定的逻辑组合。当地址总线上的电信号完美地匹配了某个地址的编码时,译码器就会在这个地址对应的那个触发器的“选通端”(Enable Pin)上输出一个“高电平”信号(代表“允许工作”)。

而每一个触发器,都有一个这样的“选通端”。只有当这个选通端接收到来自地址译码器的“允许工作”信号时,它才会将存储在内部的数据,通过另一条叫做“数据总线”的通道发送出去(如果是读取操作),或者接收来自数据总线的新数据并存储起来(如果是写入操作)。

所以,地址总线本身并没有“主动”去挑选触发器。它只是忠实地传递CPU发出的地址信号。真正起到“筛选”作用的是地址译码器,它根据地址总线上传递的电信号,以极高的精度和速度,找到并激活那个与地址完全匹配的特定触发器。这个过程非常迅速,几乎是瞬间完成的,就像你敲下键盘上的一个字母,屏幕上立刻就显示出来一样。

总结一下,地址总线提供的是“定位信息”(地址的电信号),而地址译码器则扮演着“定位器”的角色,它解读这些电信号,然后精确地指向并激活那个唯一符合条件的触发器。整个系统就像是一个精确的导航系统,地址总线是导航仪给出的路线,而地址译码器就是指引你到达目的地的路牌和指示器。

网友意见

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别拉扯那么多,尽量从实现者/掌控者的角度思考问题——多问自己“如果我想做到什么什么,应该怎么办”,不要问“别人是怎么实现的”,更不要问“电子元件怎么知道”。三者一个比一个离答案更远。


对这个问题,如果你问“如果我想和某个寄存器联系、同时又排除其他寄存器的干扰,我该怎么办”,那么问题就好回答了。


还记得逻辑门吗?

假设地址线有二十位,那么对于地址01101010101110011010,问题就转换为:设计一组逻辑门,使得输入只有满足“第一位是0且第二位是1且第三位是1且……第二十位是0”时,这组逻辑门才会输出1;否则输出0。


这很简单,对吧?

只要我们把0对应的那些位先送进一个“非门”,就能完成“逻辑翻转”——输入0非门输出1,输入1非门输出0,对吧?

然后,把这20位信息输入一个有20个输入端的“与”门,那么只要有一位是0,与门就会输出0,对吧?

这就相当于我们完成了“这个地址与我无关,所以我输出0”这个“地址识别”动作。

类似的,当20位信息都是1时,这组与门就会输出1——是的是的,这是我的地址!

这就是“地址识别逻辑电路”。


我们知道,数字集成电路往往有一根特殊的引脚叫做“片选”;只有给片选脚高电平,这个电路才会动作;否则它就不工作甚至不耗电。

实质上,我们同样可以给寄存器一个“片选输入”,只有这个输入得到了高电平,寄存器才在线。


现在,把前面那个“地址识别逻辑电路”的输出接到寄存器“片选”上,会发生什么?

如果把一大堆寄存器通过不同的“地址识别逻辑电路”接到总线上呢?


现在,CPU给地址总线送去一个信号,比如“01101010101110011010”(相当于跑讲台上大喊“李蕾!输出你的值/记住这个数字”);那么一大堆寄存器(或者内存或其他硬件)的“地址识别逻辑电路”就会得到一组高低电平,只有地址为“01101010101110011010”的那个寄存器的“地址识别逻辑”才会输出1,其它都输出0(相当于做了个“我是不是李蕾”的判断)——于是,其它寄存器全都“沉默”了,只有正确的那个才会活跃起来、和地址总线交换数据。


你看,这是不是就达到了“CPU想找谁,就能找到谁”这个目的呢?


这个问题就是这么简单;但前提是,你必须学会以设计者的视角思考问题。

依靠公式、规则,依靠做题套路,你就是永远掌握不了这个——这么简单的都掌握不了,复杂的……

但一旦反过来,你真正理解了、真正学会自己设计了——整本数字电路是不是也没啥东西?


这就是我一直强调的,学东西一定要学根本,一定要理解。

理解了根本,你就能有百倍千倍的学习效率;如果不理解,你看,就这么简单个问题,背上十年能背会吗?

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