1. 概述
本文将简要介绍计算机系统中两个至关重要的存储单元：寄存器（Registers） 和 随机存取存储器（RAM）。
我们会从底层逻辑门的角度出发，讲解它们是如何工作的，帮助你理解现代计算机存储体系的基本构建模块。
2. 为什么需要内存
没有存储机制，任何复杂的系统都难以运行。计算机内存就是为了解决这个问题而存在的。在深入探讨如何用逻辑门存储 1 位信息之前，我们先来看一下计算机中内存系统的抽象模型：
这个模型展示了内存作为数据存储的核心角色。接下来，我们从最基础的存储单元——寄存器开始讲起。
3. 寄存器（Registers）
寄存器是 CPU 可以直接访问的内存位置。它们通常用于存放当前正在执行的指令或操作数。寄存器是集成在 CPU 内部的最小数据存储单元。
寄存器的大小以“位”（bit）为单位，现代处理器的寄存器可以是 16 位、32 位或 64 位。寄存器的位数直接影响 CPU 的处理能力和运行速度。
3.1 AND-OR 锁存器与门控锁存器
下图展示了一个 AND-OR 锁存器（Latch）电路：
这个电路有两个输入信号：Set 和 Reset。Set 用于将输出置为 1，Reset 用于将其置为 0。当两个输入都为 0 时，输出保持为上一次的状态。✅ 这就是最基本的 1 位存储单元，可以记住一个 bit 的信息。
我们称其为“锁存器”，因为它能“锁住”一个值并保持不变。将数据写入内存称为“写入（Write）”，从内存读取数据称为“读取（Read）”。
如果我们再加一些逻辑门，就可以控制这个锁存器是否允许写入。这种改进型的电路称为 门控锁存器（Gated Latch）：
现在我们有了一个可以控制写入的 1 位存储单元。虽然单个锁存器用途有限，但如果我们把多个锁存器并排放在一起，就能存储更多数据。比如 8 个锁存器组成一个 8 位寄存器，可以保存一个 8 位的数字。
早期计算机使用 8 位寄存器，后来发展为 16、32 位，如今大多数 CPU 已采用 64 位寄存器。
4. RAM（随机存取存储器）
如果我们把锁存器按矩阵排列，而不是简单并列，就能节省大量布线空间，也更容易扩展存储容量。这就是我们所说的 RAM（Random Access Memory）。
通过成百上千个门控锁存器，我们可以构建出容量高达 GB 级别的内存。RAM 的一大特点是：可以任意顺序访问任意地址的数据，因此称为“随机访问”内存。
RAM 也称为“主存”，它是易失性的，也就是说，系统断电后数据会丢失。
下图展示了一个典型的 RAM 模块实物图：
RAM 存储的是当前运行程序所需的临时数据。如果 CPU 需要的数据不在 RAM 中，就需要从硬盘等二级存储中加载，这个过程会显著降低性能。
RAM 有多种类型，包括：
- SRAM（静态 RAM）：速度快，但成本高，常用于 CPU 缓存
- DRAM（动态 RAM）：成本低，容量大，用于主内存
- NVRAM（非易失 RAM）：断电后数据不丢失
- Flash Memory（闪存）：虽然不是传统 RAM，但常用于固态硬盘和 USB 存储
这些类型虽然功能相似，但在存储位的方式上有所不同，比如使用不同的逻辑门、电荷陷阱或电容等。
5. 总结
本文简要介绍了计算机中两个关键的存储单元：寄存器和 RAM。
我们从最基础的逻辑门出发，逐步构建了 1 位锁存器、门控锁存器，并进一步扩展为寄存器和 RAM。理解这些底层机制，有助于我们更深入地认识计算机系统的运行原理。
✅ 关键点回顾：
- 寄存器是最小、最快的存储单元，集成在 CPU 内部
- RAM 是主存，容量大但速度慢于寄存器，且为易失性
- RAM 支持随机访问，适合运行时数据存储
- 不同类型的 RAM 适用于不同场景（如 SRAM 用于缓存，DRAM 用于主存）
⚠️ 踩坑提醒：
不要混淆“主存（RAM）”与“存储（Storage）”。RAM 是临时存储，断电即失；而硬盘、SSD 等属于持久化存储设备。
如你对底层硬件感兴趣，建议进一步研究 CPU 缓存、内存寻址机制以及虚拟内存等主题。