計算機對我來說無非是一個類似于電視機的東西，厚重的顯示器顯示出字符圖畫，對于我來說和課外書上的故事和圖畫相差無幾。雖然有吸引力，但也僅僅是有些好奇罷了。

直到07年的時候，液晶顯示器開始普及。一臺連接了互聯(lián)網(wǎng)的計算機出現(xiàn)在我面前，對我的吸引是致命的。從那時候起，建筑設(shè)計師的夢想離我遠去，計算機隨之替代。

也是從這時候起，我開始使用計算機在互聯(lián)網(wǎng)中傲游。從最開始的Flash小游戲中熟悉鍵盤鼠標的基本操作；到在網(wǎng)絡(luò)游戲中尋找外掛時迷上黑客技術(shù)文化；最后在各種論壇社區(qū)中找尋學(xué)習(xí)計算機各種技術(shù)技巧。

差不多有十三四年的時間是在學(xué)習(xí)如何使用計算機。直到讀了《編碼》這本書，為了更深入的理解計算機，就想弄懂計算機的工作原理。有機會的話，嘗試制作一臺計算機。

至此使用計算機變成了制作計算機。

非科班出身的我自然有很大的知識漏洞缺陷。在第一次讀這本書時，讀到了加法器就再也讀不下去了。關(guān)上書打基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)了數(shù)字電路和模擬電路的一些基礎(chǔ)知識后，繼續(xù)嘗試接著讀，發(fā)現(xiàn)之前困擾問題似乎也不在困難，二進制和十六進制開起來也自然多了。

在我之前的一篇筆記《如何實現(xiàn)加法器》中，對于ALU的工作原理做了簡單的了解。

數(shù)據(jù)雖然是保存硬盤中的，如果CPU每次運算都要從硬盤中取數(shù)據(jù)的話就太慢了。CPU的運算速度和IO的速度差異實在是太大了，所以需要把硬盤中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，這樣CPU在需要數(shù)據(jù)的時候直接向內(nèi)存要。

所以寄存器的作用就是用來保存數(shù)據(jù)，那么如何用電、邏輯門來保存數(shù)據(jù)呢？

異或門

回憶一下或非門,其真值表如下：

RS鎖存器

現(xiàn)在把兩個或非門結(jié)合起來，第一個門電路的輸出是第二個門電路的輸入，第二個門電路的輸出是第一個門電路的輸入。

可以看到這兩個門電路纏繞在一起，輸入既決定輸出，輸出也決定輸入。

真值表如下：

從或非門的真值表可知，只要其中有一個輸入為1,不管另一個是0還是1，輸出都是0。需要注意的是，當兩個輸入都為0時，兩個門電路都無法確定輸出，而兩個門電路都需要另一個的輸出當作輸入，所以此時電路系統(tǒng)處于不確定的狀態(tài)。

只要其中一個輸入為1，那么該門電路的輸出就確定為0了（異或門決定），另一個的門電路的輸入也就確定為0，此時該電路系統(tǒng)就不會出現(xiàn)錯誤。

神奇的地方來了，如下圖：

當輸入2為1時，改變上面的輸入時，輸出隨之改變。(先暫時不考慮輸出2）

但是當輸入2為0時，改變上面的輸入時，會發(fā)現(xiàn)輸出不變了。如下圖：

輸出1被輸入2鎖住了，因此這種電路叫做鎖存器。（當然，反過來也是一樣的）

從上圖還可以得知，但輸入2為0時，輸入1也是可以為0的，此時為什么不是Error呢？

因為之前當兩個都為0時，他們的輸出是不確定的所以為Error，但是當輸入1為1，輸入2為0時，此時電路系統(tǒng)是確定的，改變輸入1，輸入2的輸出并沒有改變，依然確定輸出為1，那么輸入1的輸出也就是確定的了。因此不會發(fā)生錯誤。

為了方便，把該電路的輸入輸出取一個名字，如下：

修改后的真值表如下：（注意輸入2和輸入1交換了位置。）

當S和R都為0時，現(xiàn)在的輸出就不是無法確定了。而是保持上一次的輸出，這很重要。正是因為有了該特點。電路有了記憶功能，也就是說電路可以保存數(shù)據(jù)了。

而當S和R都為1時，在這個系統(tǒng)中不需要用到，因此它被禁止了。因為當S和R都為1時，那么輸出都為0，這和電路設(shè)計中Q和互反矛盾，所以要避免。

這里兩個輸出是相反的，真正需要的只要1個即可。

因為可把輸出鎖起來，兩個輸入端分別為Reset和Set，所以這個電路的名字叫做RS鎖存器。

D觸發(fā)器

繼續(xù)構(gòu)造電路，在原來的基礎(chǔ)上添加兩個或非門。

用一個把兩個輸入端用一個SCK鎖住。當SCK為1時，兩個輸入端都被鎖住，當SCK為0時，輸入端被激活。如下圖：

[gif error]這個電路和之前的電路并沒有什么區(qū)別，同理兩個輸入端不能同時為0（這里因為異或門取反，所以不是同時為1,原理相同）。

數(shù)據(jù)端也只需要一個輸入就可以了，并且不能同時輸入0，繼續(xù)構(gòu)造電路。

把兩個輸入接在一起，并且其中一個取反?，F(xiàn)在就只有一個輸入端和一個保持端了。

當CLK為1時，數(shù)據(jù)輸出保持不變。當CLK為0時，輸出端取決于數(shù)據(jù)輸入端。

[gif error]并且還不用擔(dān)心兩個輸入端同時為0。真值表如下：

輸入端為Data端，這個電路的名字叫做 D觸發(fā)器 。

可以看到這個電路就可以保存1Bit的數(shù)據(jù)了。

把好多個串起來，就可以保存多個Bit了。一般情況下，8Bit等于1Byte，寫數(shù)據(jù)也是一個字節(jié)一個字節(jié)的寫，所以一把把8個觸發(fā)器連起來，共用一根SLK線。所以也叫八位鎖存器。

這種觸發(fā)器的觸發(fā)方式為CLK為0時，數(shù)據(jù)就可以輸入，當CLK為1時，數(shù)據(jù)就被鎖住不能修改了。

當CLK為0時數(shù)據(jù)是可以修改的，如果在CLK為0期間，Data輸入數(shù)據(jù)完畢后，CLK還沒有鎖住時，發(fā)送電磁干擾改變了Data的輸入，那么保存的數(shù)據(jù)也就保存錯了。

邊沿觸發(fā)器

既然電平觸發(fā)可能由于時間太長導(dǎo)致數(shù)據(jù)可能因干擾而改變，那么就減少觸發(fā)的時間，高低電平改變的瞬間時間很短，因此可以利用高低電平變化的瞬間來觸發(fā)，把兩個D觸發(fā)器串在一起。為了進行區(qū)分，兩個D觸發(fā)器分別取一個名字。

主觸發(fā)器從Data得到輸入，從觸發(fā)器的輸入來自主觸發(fā)器。主觸發(fā)器不會改變得到的輸入。如下圖：

[gif error]目前來說這個觸發(fā)器和D觸發(fā)器完全關(guān)鍵來了，對兩個觸發(fā)器的CLK其中一個取反，如下圖：

這樣的話，CLK只有一個輸入，在同一時間，主觸發(fā)器和從觸發(fā)器只能有一個起作用。

[gif error]基本原理如下：

1. 先把CLK置為0，此時主觸發(fā)器的CLK經(jīng)過取反現(xiàn)在為1，此時主觸發(fā)器就鎖住了。雖然從觸發(fā)器的CLK為0沒有被鎖住，但是從觸發(fā)器的輸入需要從主觸發(fā)器的輸出得到，主觸發(fā)器沒有改變，那么從觸發(fā)器也就不會改變。
2. 現(xiàn)在把CLK置為1，此時主觸發(fā)器的CLK解鎖?？梢孕薷妮敵?，但是從觸發(fā)器此時被鎖住。主觸發(fā)器的輸出還是無法改變從觸發(fā)器的輸出。
3. 重點來了，此時雖然主觸發(fā)器的輸入無法改變，但是主觸發(fā)器的輸出已經(jīng)固定下來了。此時再把CLK置為0，那么從觸發(fā)器此時的輸入可以從被之前的主觸發(fā)器的輸出改變的，只是無法從觸發(fā)器的輸入改變而已。

完成流程如下：

1. 先把CLK置為1，鎖從觸發(fā)器，現(xiàn)在可以把需要保存的數(shù)據(jù)輸入到主出觸發(fā)器中。

2. 注意，現(xiàn)在保存的數(shù)據(jù)已經(jīng)在主觸發(fā)器中了?，F(xiàn)在把CLK置0，一瞬間，主觸發(fā)器鎖住，從觸發(fā)器打開，保存在主觸發(fā)器的數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出到從觸發(fā)器中了。

[gif error]這樣子，一瞬間觸發(fā)的觸發(fā)器的名字叫做 邊沿觸發(fā)器 。

同理把多個邊沿觸發(fā)器連在一起，就能保存多個Bit的數(shù)據(jù)了。

這里把8個組合在一起，就可以保存一個Byte的數(shù)據(jù)了。

它的名字就是寄存器。