4.4. 地址：可寻址的存储单元

有了能够存储 1 Bit 数据的 DFF 后，我们可以将多个 DFF 并起来构建出能够存储多位数据的电子元件。下图演示的是一个存储 4 Bit 数据的电子元件的构建方式：

我们增加了一个开关引脚叫 Write, 当要写入数据时才将该线路设置为 1, Write 信号与时钟信号一起通过一个 AND 门来共同控制数据的写入，不考虑电路内部实现，该电路图可以简化为：

我们将该组件的输入信号分为两类：数据信号（DI0 到 DI3）与控制信号（Write 与 CLK）。

该电子元件是构成寄存器或内存芯片的基础组件。而 CPU 中包含多个寄存器，内存的存储容量则更大，因此当 CPU 存取数据时，必须指定寄存器或者内存的具体位置，也就是说 CPU 除了提供数据信号与控制信号之外，还需要提供地址信号。而上图的电子元件的输入中并不包含地址信号。

因此我们最好重新设计存储多位数据的电子元件，让其也能接受地址信号作为输入。

现在我们有了能够存储 4 Bit 的电子组件，假设想要存储 16 Bit 的话需要 4 个该组件，我们可以将 4 个组件中的 16 个 DFF 看成一个 4 X 4 的矩阵，如果将每 4 Bit 看着一个数据单元的话，那么存储一个数据单元的方式有两种，如下图所示：

如果使用蓝色方框的存储方式，那么我们需要单独设计寻址电路来定位每个4位寄存器，因为将地址信号作为每个组件的输入是无意义的，每个4位寄存器就是一个独立的存储单元。

红色方框这种存储方式也满足需求，但对于每个数据单元，每个组件仅贡献了 1 Bit 的存储能力，因此我们需要某种机制，能够使我们从寄存器的 4 Bit 中筛选出任意一位进行操作。下图中我们将所存放的 4 个数据单元按照二进制依次编号：

事实上，这两位数字编号代表的便是一个组件内部各个 DFF 的地址，在每次进行读写操作时，我们都需要将该地址作为输入传入寄存器，以便筛选出对应的 DFF。对于二进制而言，n 位地址能够寻址的范围是 [0, 2^n), 因此上图中每个组件需要 2 个输入引脚作为地址信号。不考虑内部实现，加入地址引脚的组件如下图所示：

注意：此时输入、输出引脚都变成了一位，因为现在每次只会操作组件内部的一位数据，具体是哪一位数据通过 Addr 引脚来指定。同时我们将 Write 引脚改为了 R/W, 该位为 1 时用以写入数据，为 0 时用以读取数据。

现在我们来讨论如何利用地址信号来选择组件内部的目标位置。

在写入端，如果我们能够将 Write 信号仅仅“路由”到目标 DFF 中，而将其它三个 DFF 的 Write 位保持为 0 的话, 就能顺利完成写入操作。以本文中的 2 位地址为例，该“路由电路”的示意图如下：

当输入信号 DI 为 1 时，该电路的真值表为：