5.4.3. 存储电路
存储电路用于构建用于存储二进制值的计算机内存。由存储电路构建的计算机内存类型称为静态 RAM (SRAM)。它用于构建 CPU 寄存器存储和片上高速缓存。系统通常使用动态 RAM (DRAM) 作为主存储器 (RAM) 存储。DRAM 的基于电容器的设计要求定期用其存储的值进行刷新，因此有“动态”的绰号。SRAM 是基于电路的存储，不需要刷新其值，因此被称为静态 RAM。基于电路的内存比基于电容器的内存更快，但更昂贵。因此，SRAM 往往用于内存层次结构 （CPU 寄存器和片上高速缓存）顶部的存储，而 DRAM 用于主存储器 (RAM) 存储。在本章中，我们重点介绍基于电路的存储器，例如 SRAM。
要存储一个值，电路必须包含一个反馈回路，以便电路保留该值。换句话说，存储电路的值取决于其输入值以及其当前存储的值。当电路存储一个值时，其当前存储的值和其输入一起产生与当前存储的值匹配的输出（即电路继续存储相同的值）。当将新值写入存储电路时，电路的输入值会瞬间改变以修改电路的行为，从而导致新值被写入并存储在电路中。写入后，电路将恢复存储新写入值的稳定状态，直到下一次写入电路。
RS锁存器
锁存器是一种存储（或记住）1 位值的数字电路。一个例子是 复位锁存器 （或 RS 锁存器）。RS 锁存器有两个输入值 S 和 R，以及一个输出值 Q，该输出值也是存储在锁存器中的值。RS 锁存器还可以输出 NOT(Q)，即存储值的负数。图 1 显示了用于存储单个位的 RS 锁存器电路。
图 1. RS 锁存电路存储 1 位值。
关于 RS 锁存器，首先要注意的是从其输出到其输入的反馈回路：顶部 NAND 门 (Q) 的输出是 (a) 底部 NAND 门的输入，底部 NAND 门的输出 (~Q) 是 (b) 顶部 NAND 门的输入。当输入 S 和 R 都为 1 时，RS 锁存器存储值 Q。换句话说，当 S 和 R 都为 1 时，RS 锁存器输出值 Q 是稳定的。要查看此行为，请考虑图 2；这显示了一个存储值 1（Q 为 1）的 RS 锁存器。当 R 和 S 都为 1 时，底部 NAND 门的反馈输入值 (a) 是 Q 的值，即 1，因此底部 NAND 门的输出为 0（1 NAND 1 为 0）。顶部 NAND 门的反馈输入值 (b) 是底部 NAND 门的输出，为 0。顶部 NAND 门的另一个输入是 1，即 S 的值。顶部门的输出为 1（1 NAND 0 为 1）。因此，当 S 和 R 均为 1 时，该电路会持续存储 Q 的值（本例中为 1）。
图 2. 存储 1 位值的 RS 锁存器。当锁存器存储值时，R 和 S 均为 1。存储的值是输出 Q。
要更改 RS 锁存器中存储的值，必须将 R 或 S 中的一个的值设置为 0。当锁存器存储新值时，R 和 S 将重新设置为 1。RS 锁存器周围的控制电路确保 R 和 S 永远不会同时为 0：它们中最多只有一个值为 0，并且 R 或 S 中的一个值为 0 表示正在将值写入 RS 锁存器。要将值 0 存储在 RS 锁存器中，必须将输入 R 设置为 0（S 的值保持为 1）。要将值 1 存储在 RS 锁存器中，必须将输入 S 设置为 0（R 的值保持为 1）。例如，假设 RS 锁存器当前存储的是 1。要将 0 写入锁存器，R 的值需设置为 0。这意味着值 0 和 1 被输入到下方的 NAND 门，其计算结果为 (0 NAND 1)，即 1。该输出值 1 也是上方 NAND 门的输入 b（如 图 3 B 所示）。有了新的 b 输入值 1 和 S 输入值 1，上方 NAND 门为 Q 计算出一个新的输出值 0，该输出值也作为输入 a 馈入下方的 NAND 门（如 图 3 C 所示）。当 a 的值为 0 且 b 的值为 1 时，锁存器现在存储 0。当 R 最终设置回 1 时，RS 锁存器继续存储值 0（如 图 3 D 所示）。
图 3. 要将 0 写入 RS 锁存器，请暂时将 R 设置为 0。
门控 D 锁存器
门控 D 锁存器 在 RS 锁存器中添加电路，以确保它永远不会同时接收 R 和 S 的 0 输入。图 4 显示了门控 D 锁存器的构造。
图 4. 门控 D 锁存器存储 1 位值。其第一组 NAND 门控制对 RS 锁存器的写入，并确保 R 和 S 的值永远不会同时为 0。
门控 D 锁存器的数据输入 (D) 是要存储到电路中的值（0 或 1）。写入控制 (WE) 输入控制将值写入 RS 锁存器。当 WE 为 0 时，两个 NAND 门的输出均为 1，导致 RS 锁存器的 S 和 R 输入值为 1（RS 锁存器存储一个值）。仅当 WE 为 1 时，门控 D 锁存器才会将 D 的值写入 RS 锁存器。由于数据输入 (D) 值在发送到底部 NAND 门之前被反转，因此顶部或底部 NAND 门输入中只有一个的输入为 1。这意味着当 WE 位为 1 时，R 或 S 中恰好有一个为 0。例如，当 D 为 1 且 WE 为 1 时，顶部 NAND 计算（1 NAND 1），底部 NAND 门计算（O NAND 1）。因此，顶部 NAND 门对 S 的输入为 0，底部 NAND 门对 R 的输入为 1，从而将值 1 写入 RS 锁存器。当 WE 输入为 0 时，两个 NAND 门均输出 1，使 R 和 S 保持为 1。换句话说，当 WE 为 0 时，D 的值对存储在 RS 锁存器中的值没有影响；只有当 WE 为 1 时，D 的值才会写入锁存器。要将另一个值写入门控 D 锁存器，请将 D 设置为要存储的值，并将 WE 设置为 1。
CPU 寄存器
多位存储电路是通过将多个 1 位存储电路连接在一起而构建的。例如，将 32 个 1 位 D 锁存器组合在一起可产生一个 32 位存储电路，该存储电路可用作 32 位 CPU 寄存器，如 图 5 所示。寄存器电路有两个输入值：一个 32 位数据值和一个 1 位写使能信号。在内部，每个 1 位 D 锁存器将寄存器的 32 位 Data in 输入中的一位作为其 D 输入，并且每个 1 位 D 锁存器将寄存器的 WE 输入作为其 WE 输入。寄存器的输出是存储在组成寄存器电路的 32 个 1 位 D 锁存器中的 32 位值。
图 5. CPU 寄存器由多个门控 D 锁存器组成（32 位寄存器有 32 个）。当其 WE 输入为 1 时，数据输入将写入寄存器。其数据输出是存储的值。