电子计算机是怎样存储信息的

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在生活中人们经常要和信息打交道,比如,骑自行车的人要根据红绿灯的变化来决定是前进还是暂停;科研人员用实验数据来判断某种假设是否成立;经营人员要通过市场调查做出商情预测……。人是靠大脑记忆和处理信息的,在现代社会中,电子计算机已能在许多部门中代替人脑来存储和处理科研、生产和生活中的各种信息了。电子计算机为什么能高速地进行各种科学计算,查询资料,管理交通……,都是因为计算机具有存储和处理信息的能力。那么计算机是怎样存储信息的呢?

电子计算存储信息的过程首先是输入信息。输入信息常用的设备是键盘、光电机或磁带,如图1所示。例如用键盘输入信息,当键盘上的某一个键被按下时,相应的电路就向计算机发出反映该键特征的电压脉冲。这样计算机就知道了键盘上的哪一个键被按下了,就去执行相应的指令,把这个电信号存入相应的存储单元。

图1
图1 🔍原图 (868×508)

在计算机内部存贮和流通的信息有二种,一种是指令,许多指令按一定次序排列集合在一起称为“程序”,程序是指计算机应当干什么的一套完整的命令。另一种信息叫数据,就是数字或其它要处理的信息。上述两种信息的内容和作用是完全不同的,但它们的形式相同,采用的是同一种编码方式,常见的是二进制数码。不管是数据还是程序都由二进制数码表示。计算机要对输入的信息进行分析辨认,分出哪些是指令,哪些是数据,以便进行相应的处理。

图2
图2 🔍原图 (691×610)

在日常生活中,我们习惯用十进制数进行计算,但十进制并不是唯一的计数制。在计算分、秒和角度时,我们使用六十进制;计算小时采用二十四进制;计算月数则用十二进制;可以看出使用哪种计数制要由计数对象来确定。二进制是适合电子计算机识别、存储和处理信息数码的计数制。按照二进制的规则,所有的数字位均由“0”和“1”表示。位与位之间是两倍关系,即逢二进一。因此二进制数的最低位为“1”时表示是1,依次向高位方向第二位为“1”时表示2;第三位是“1”时表示4,……以此类推。二进制的两种数“1”和“0”反映了自然界常见的物理现象。例如图2所示开关的闭合与断开、电灯的亮与暗和电压的高与低都反映了它们的两个稳定状态。因此可以用某些具有两种稳定工作状态的电子器件来反映二进制数的这种“1”与“0”的特征,从而达到存储二进制信息“1”或“0”的目的。这是导致电子计算机采用二进制数进行存储和运算的主要原因。目前,电子计算机的存储设备就是利用晶体管的截止与导通,磁介质的磁化等来记忆二进制信息的。当晶体管截止或磁介质被磁化时,通常说记下了信息“1”;当晶体管导通或者磁介质被去磁时,通常说记忆的信息是“0”。

下面以MOS四管动态存储电路为例说明半导体存储器是怎样记忆一位二进制信息的,这种存储电路如图3所示。二进制信息是以电荷形式存储在晶体管T\(_{3}\)和T4的栅极电容C\(_{1}\)、C2上,它是由四只MOS场效应管和极间电容及控制线构成。图3中C\(_{1}\)、C2、T\(_{3}\)、T4组成存储电路件的核心、T\(_{1}\)、T2管用于控制信息的存入。当要存入信息时,T\(_{1}\)、T2由Z线控制处于导通状态,如果C\(_{1}\)被充电到高电平,则T3导通,进而使C\(_{2}\)放电,T4截止,Q端为高电平,Q-端为低电平,电路工作在一种稳定状态,此时存储单元存贮进信息“1”。反之,如果C\(_{2}\)被充电到高电平,则T4导通T\(_{3}\)截止,Q端为低电平,Q-端为高电平,这时存入的信息是“0”。这就是半导体存储器的工作原理。

图3
图3 🔍原图 (464×360)

另外还有一类常用的存储器是磁表面存储器。如磁带、磁盘、磁鼓等等,它们是靠对磁介质的磁化来进行存储的。现在以磁带为例,说明磁表面存储器是怎样存储信息的。如图4所示,载磁体在磁头下恒速运动,磁头上绕有线圈,当线圈通以代表“1”或“0”的脉冲电流时,就在磁路中产生磁通Φ,对载磁体的磁表面进行了磁化。电流脉冲的方向不同,磁通Φ的方向也不同,在图4(a)中存下了信息“1”,(b)中存下了信息“0”。图4(c)是一段磁带记忆信息后的示意图。

图4
图4 🔍原图 (864×444)
图5
图5 🔍原图 (600×477)

图3的那种存储单元只能存储1位二进制数“0”或“1”,这对实际需要存储大量信息来说是远远不够的,因此电子计算机中要用成千上万个这样的存贮单元构成存储器,这样才能保证计算机存储和处理大量的信息。存储单元多了,为了使计算机能对每个存储单元存入信息,势必给每个存储单元编上号码,每个单元的这种编号叫地址。这里所说的地址与我们日常生活中的概念相似,例如我们知道了某人住在×楼×单元×号。我们就能在许多楼房中找到这个人居住的地址。电子计算机也是这样, 根据每个单元的地址编号,就能从存储器中找到这个单元,然后将信息存到这个单元中去。图5是存储器的示意图。它是由16个存储单元构成的。真正计算机的存储器比它多得多,由成千上万个存储单元构成。(张萌)