# 4.5. 内存：大容量的存储芯片

上一节的最后我们设计了一个可寻址的存储组件，我们将其称为一个 4x1 内存单元，其中 4 表示该组件的数据容量为 4 Bit, 而 1 表示其数据带宽只有 1 Bit, 也就是说该组件每次只能处理 1 Bit 的数据。我们知道计算机内部的基础数据单位是字节（Byte），一字节包含 8 Bit, 这已经超出了该组件的存储容量；而即使是 Intel 在上世纪70年代发布的第一代 x86 系列芯片 8086, 其寄存器也是16位的，这意味着该芯片的数据带宽为16位，而现在主流的系统都已经上升到了64位。由此可见，单个该组件的实用价值极其有限。

但该组件并不是我们设计的最终产品，而是基础的内存单元，我们在设计该组件时，已经将一个完整的存储芯片所涉及的概念都整合进去了，包括输入、输出、地址、控制信号，因此当我们需要更大容量、更大数据带宽的存储组件时，所面临的问题实质上只是如何组装扩容了。本节我们将讨论如何通过串联扩容数据容量，通过并联扩容数据带宽。

接下来我们来看一下如何通过串联两个组件，构造出一个容量为一字节、即一个 8x1 的内存单元。不考虑内部实现，一个 8x1 内存单元的接口如下图所示：

![8x1 RAM Array](/files/-MdWRspKAwCic5gOiZyN)

容量的增加导致 8x1 内存单元需要 3 根地址总线，这是它在接口上与 4x1 内存单元唯一的变化，如何处理多出来的最高位地址信号 A2 是解决问题的关键。

>  将 A2 看着是最高位地址信号是指三位地址信号按照 A2A1A0 进行排列。

不难发现，我们可以将 A2 作为如何选择内部两个 4x1 内存单元的指示信号，即当 A2 = 0 时，我们选择图中的RU0进行数据读取操作，而 A2 = 1 时选择RU1。也就是说我们将一字节中的低四位存放在 RU0 中，高四位存放在 RU1 中。通过在输入侧增加一个 1-2 Decoder 来控制写入信号、在输出侧增加一个 2-1 Selector 来选择输出信号, 就可以达成这种效果，最终的电路图如下所示：

![8x1 RAM Array Impl](/files/-MdWS742qlB4sT03vBLq)

这样我们就得到了一个 8x1 的内存单元。通过相同的方式，我们可以将两个 8x1 的内存单元扩容成一个 16x1 的内存单元，以此类推我们可以组装出任何容量为 2^n Bit 的内存单元。

现在我们来看如何通过并联的方式增大数据带宽。

我们先考虑通过 8x1 内存单元构建 8x2 的数据单元，即将数据带宽增大到 2 Bit. 不考虑内部实现，一个 8x2 内存单元的接口如下图所示：

![8x2 RAM Array](/files/-MdWSP0CFJHi7bi3zyr1)

扩容数据带宽的思路很直观，我们在内部并联两个 8x1 内存单元 RU0 与 RU1，这两个内存单元共享地址信号（A2A1A0）与控制信号（R/W, CLK），然后将 DI0 与 DO0 连接到 RU0 的对应引脚，将 DI1 与 DO1 连接到 RU1 的对应引脚即可。示意图如下（图中仅标记出了数据引脚的连接方式，而省略了地址信号及控制信号的连接方式）：

![8x2 RAM Array Impl](/files/-MdWSXd-3ON_PSJPihR-)

这样我们就构建好了一个 8x2 的内存单元，不难发现，使用同样的方法可以构建出任意 8 x N 的内存单元。

本节我们所讨论的内容仅仅是理解内存芯片的一个模型，实际上的芯片结构要复杂得多。例如在计算机内部，内存的最小寻址单位是字节，因此我们可以将内存构造成一个 N x 8 的内存阵列，但 CPU 与内存的数据带宽（即数据总线）要明显高于 8 Bit, 例如当前主流芯片的数据总线是 64 位，因此对于内存而言，其每次需要操作的数据是从地址信号开始的连续 8 字节，在内存芯片内部需要做好这种转换。


---

# Agent Instructions: Querying This Documentation

If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question.

Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter:

```
GET https://s2.shizhz.me/s2e4/5.md?ask=<question>
```

The question should be specific, self-contained, and written in natural language.
The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation.

Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.