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存储器系统论文
摘要
在现代计算机中，存储器是其核心组成部分，对微型计算机也不例外。
因为有了它，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预而自动完成信息处理的功能。
计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有性能可接受的存储系统。
存储系统的性能在计算机中的地位日趋重要。
这篇文章简述了存储器的由汞延迟线、磁带、磁鼓、磁芯、磁盘、光盘到纳米存储的7个发展阶段,并介绍了其间存储器的各个方面性能的进步，以及在云计算和物联网技术中存储器的应用和存储器的发展前景。
关键词：
存储器，容量，速度
Abstract
Inmoderncomputers,memoryisthecorecomponentofthemicro-computer.Becauseofit,thecomputerhavethefunctionof"memory"andcansavetheprogramanddatacode.Computersystemsoutofthehumaninterventionandautomaticallycompletetheinformationprocessingfunctions.Thecomputer'smainmemorycannotsatisfyfastaccess,bigstoragecapacityandlowcost.thecomputermusthavethespeedfromslowtofastandfrombigtosmallcapacitymulti-levelhierarchicalmemoryandthebestcontrolandschedulingalgorithmandareasonablecost,constitutesacceptableperformancestoragesystems.Thefunctionofstoragesystemswillbecomemoreimportantinthecomputer.Thisessaybrieflydescribedthesevenstagesofthememory'sdevelopmentfromthemercurydelayline,tape,drum,core,disk,CD-ROMtothenano-storage.Anddescribedallaspectsofthememory'sprogressduringtheperiod.Theprospectsforthedevelopmentofthememoryinthecloudcomputingandnetworkingtechnology.
KeyWords:
Memory,capacity,speed
第一章存储器分类
随着计算机系统结构的发展和器件的发展，存储器的种类日益繁多，分类的方法也有很多种，可按存储器的存储介质划分，按存取方式划分，按存储器在计算机中的作用划分等。
1）按构成存储器的器件和存储介质分类
按构成存储器的器件和存储介质的不同主要可分为：
半导体存储器、光电存储器、磁表面存储器以及光盘存储器等。
目前，绝大多数计算机使用的都是半导体存储器。
2）按存取方式分类
按对存储器的存取方式可分为随机存取存储器、只读存储器等。
只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）是一种只能读取数据的存储器。
在制造过程中，先将数据转成电路，并制成光罩（Mask），于集成电路制造过程中一并制造完成，其数据内容在制造后就不能更改，只能读不能写，因此得名。
后来为了与其他新种类的ROM区别，又称为“光罩式只读存储器”（MaskROM）。
此存储器单位制造成本最低，制造后也不需花工夫刻录，但每次需生产一定的数量以上。
适用于内容固定不变、需大量生产的产品，例如电脑或嵌入式设备中的开机启动，字形表，电子游戏机程序与卡带等。
可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM）其内部有行列式的镕丝，可依用户（厂商）的需要利用电流将其烧断，以写入所需的数据及程序，镕丝一经烧断便无法再恢复，亦即数据无法再更改。
可抹除可编程只读存储器（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）可利用高电压将数据编程写入，但抹除时需将线路曝光于紫外线下一段时间，数据始可被清空，再供重复使用。
因此，在封装外壳上会预留一个石英玻璃所制的透明窗以便进行紫外线曝光。
写入程序后通常会用贴纸遮盖透明窗，以防日久不慎曝光过量影响数据。
一次编程只读存储器（OneTimeProgrammableReadOnlyMemory，OTPROM）内部所用的芯片与写入原理同EPROM，但是为了节省成本，封装上不设置透明窗，因此编程写入之后就不能再抹除改写。
电子式可抹除可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，EEPROM）之运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。
闪存（Flashmemory）的每一个记忆胞都具有一个“控制闸”与“浮动闸”，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。
闪存主要分为NAND型与NOR型。
RAM（随机存取存储器）RAM-randomaccessmemory随机存储器。
存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。
这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。
按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM）和动态随机存储器（DynamicRAM,DRAM）。
所谓“随机存取”，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。
相对的，读取或写入顺序访问（SequentialAccess）存储设备中的信息时，其所需要的时间与位置就会有关系（如磁带）。
当电源关闭时RAM不能保留数据。
如果需要保存数据，就必须把它们写入一个长期的存储设备中（例如硬盘）。
RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会。
现代的随机存取存储器几乎是所有访问设备中写入和读取速度最快的，取存延迟也和其他涉及机械运作的存储设备相比，也显得微不足道。
现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据。
电容器充满电后代表1（二进制），未充电的代表0。
由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。
刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷。
需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。
正如其他精细的集成电路，随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感。
静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。
故此触碰随机存取存储器前，应先用手触摸金属接地。
存储器分类如下所示
双极型半导体存储器
随机存储器（RAM）
MOS存储器（静态、动态）
主存储器可擦除可编程只读存储器
只读存储器（ROM）掩膜型只读存储器
快擦型存储器
可编程只读存储器
磁盘（软盘、硬盘、盘组）存储器
存储器辅助存储器磁带存储器
光盘存储器
缓冲存储器
第二章存储器的发展历史
1）汞延迟线
汞在常温下为液态，同时又有导电的特性。
用机械波波峰
（1）和波谷
（2）表示数据，当机械波从汞柱一端开始，一定厚度的熔融太金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，并由传感器将信息反馈到起点，利用汞获取并延迟了数据，实现了存储。
这种汞延迟线存储器被应用于EDVAC—世界上第一台具有存储功能的计算机，但由于环境条件的限制，这种存储方式受各种环境因素影响而不精确。
图1延迟线存储器
2）磁带
磁带存储器是以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，是计算机的一种辅助存储器。
磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。
磁带存储器以顺序方式存取数据。
存储数据的磁带可脱机保存和互换读出。
1951年，由埃克特设计的第一台通用计算机UNIVAC—I就是采用的磁带存储器。
磁带是所有存储器发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化最高的常用存储介质之一。
由磁带机和磁带结合的磁带库其存储容量可以达到PB。
在网络系统中，磁带库通过SAN系统可形成网络存储系统，是大型网络应用的良好存储设备。
图2磁带存储器
3）磁鼓
1932年，奥地利的GustavTauschek发明了磁鼓存储器。
磁鼓存储器是利用高速旋旋转的圆柱体磁性表面作记录媒体的存储设备。
磁鼓存储器在50至60年代用作计算机的主要外存储器。
它利用电磁感应原理进行数字信息的写入与读出，由作为信息载体的磁鼓筒，磁头，读写及译码电路和控制电路等主要部分组成。
磁鼓筒是一个高速旋转的精密非磁性材料圆柱，其外表面涂敷一层极薄的磁性记录媒体。
作为电磁转换器的磁头与鼓筒表面保持微小而恒定的间隙（0.02~以下）并沿鼓筒轴线均匀排列，在电子电路的控制下进行信息的写入和读出。
50年代中期，磁鼓存储器的容量已经有10KB，但它最大的缺点就是利用率不高。
磁鼓存储器采用饱和磁记录，从固定磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质，这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。
图3鼓存储器
4）磁芯
在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁场形式储存下来。
美籍华人王安博士利用这一思想研制的“脉冲传输控制装置于1949年获得了美国专利，开创了磁芯存储器时代。
磁芯在导线上流过一定电流下会被磁化或者改变磁化方向，事先可以通过实验和材料的工艺控制得到这个能够让磁芯磁化的电流最小阈值。
每个磁芯都有XY互相垂直的两个方向的导线穿过，另外还有一条斜穿的读出线，上面的照片中可以清楚地看到这些线，这些线组成阵列，XY分别做两个不同方向的寻址。
磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，这就可以作为0和1的状态来记录数据。
通常情况下一个存储器的写入总是比读出要慢，但是磁芯存储器恰恰相反，它是读出比写入慢，因为它的读出是破坏性的，所以读出必须包括一个写入的过程以恢复数据。
由于磁化相对来说是永久的，所以在系统电源关闭后，存储的数据仍然保留。
磁场能以电子的速度来阅读，这是交互式计算机有了可能。
图4存储器
5）磁盘
世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的，其型号为IBM350RAMAC。
这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。
1968年，IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件，与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，并采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停，这是现代绝大多数硬盘的原型。
1979年，IBM发明了薄膜磁头，进一步减轻了磁头重量，使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。
20世纪80年代末期，IBM公司又对存储器设备发展作出一项重大贡献，发明了MR磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。
1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此，硬盘容量开始进入了GB数量级。
IBM还发明了PRML的信号读取技术，使信号检测的灵敏度大幅度提高，从而可以大幅度提高记录密度。
●硬盘
硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上，是容量、性价比最大的一种存储设备。
因而，在计算机的外存储设备中，还没有一种其他的存储设备能够在最近几年中对其统治地位产生挑战。
硬盘不仅用于各种计算机和服务器中，在磁盘阵列和各种网络存储系统中，它也是基本的存储单元。
值得注意的是，近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。
在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域，微硬盘可大显身手。
目前尺寸为1英寸的硬盘，存储容量已达4GB，10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。
微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。
图5硬盘存储器
●软盘
另一种磁盘存储设备是软盘，从早期的8英寸软盘、5.25英寸软盘到3.5英寸软盘，主要为数据交换和小容量备份之用。
其中，3.5英寸1.44MB软盘占据计算机的标准配置地位近20年之久，之后出现过24MB、100MB、200MB的高密度过渡性软盘和软驱产品。
然而，由于USB接口的闪存出现，软盘作为数据交换和小容量备份的统治地位已经动摇，不久会退出存储器设备发展历史舞台。
图6存储器
6）光盘
光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。
只读型指光盘上的内容是固定的，不能写入、修改，只能读取其中的内容。
读写型则允许人们对光盘内容进行修改，可以抹去原来的内容，写入新的内容。
用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。
上世纪60年代，荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。
1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。
最初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD）系统。
从LD的诞生至计算机用的CD-ROM，经历了三个阶段，即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。
下面简单介绍这三个存储器设备发展阶段性的产品特点。
LD-激光视盘，就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。
模拟信号的处理机制是指，模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。
限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。
CD-DA激光唱盘LD虽然取得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。
1982年，由飞利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（RedBook）标准。
由此，一种新型的激光唱盘诞生了。
CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EMF（8～14位调制）编码之后记录到盘上。
数字记录代替模拟记录的好处是，对干扰和噪声不敏感，由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。
CD-DA系统取得成功以后，使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。
但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题，即建立适合于计算机读写的盘的数据结构，以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下，由此就产生了CD-ROM的黄皮书（YellowBook）标准。
这个标准的核心思想是，盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址，这样一来，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。
为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。
错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC，错误校正采用里德－索洛蒙（ReedSolomon）码。
黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO9660。
在上世纪80年代中期，光盘存储器设备发展速度非常快，先后推出了WORM光盘、磁光盘（MO）、相变光盘（PhaseChangeDisk，PCD）等新品种。
20世纪90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及，目前已成为计算机的标准存储设备。
图7盘存储器
7）纳米存储
1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学成功制备量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。
一个量子磁盘相当于我们现在的10万～100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。
1988年，法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年，采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世，它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。
2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过操纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。
这是纳米存储材料技术研究的一大进展。
该小组发表在《纳米技术》杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。
研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；最后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。
整个试验研究在室温条件下进行。
研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次操纵一批原子进行排列并不容易。
更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。
这保证了记忆材料的原子级水平。
赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。
这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。
图8纳米存储器
第三章存储器系统结构
在微型计算机系统中，存储器是很重要的组成部分，虽然存储器的种类很多，但它们在系统中的整体结构及读/写的工作工程师基本相同的。
一般情况下，一个存储器系统由下几部分组成。
1）基本存储单元
一个基本存储单元可以存放一位二进制信息，其内部具有两个稳定的且相互对立的状态，并能够在外部对其状态进行识别和改变。
2）存储体
一个基本存储单元只能保存一位二进制信息，若要存放M×N个二进制信息，就需要用M×N个基本存储单元，它们按照一定的规则排列起来，由这些基本存储单元所构成的阵列称为存储体或存储矩阵。
微型计算机系统的内部存储器是按字节组织的，每个字节由8个基本的存储单元构成，能存放8位二进制信息，CPU把这八位二进制信息作为一个整体来进行处理。
一般情况下，在M×N的存储矩阵中，N等于8或8的倍数及分数，对应微机系统的字长，而M则表示了存储体的大小，由此决定存储器系统的容量。
3）地址译码器
由于存储器系统是由许多存储单元构成的，每个存储单元一般存放在8位二进制信息，为了加以区分，我们必须首先为这些存储单元编号，即分配给这些存储单元不同的地址。
CPU要对某个存储单元进行读/写操作时，必须先通过地址总线，向存储器系统发出所需访问存储单元的地址码。
地址译码器的作用就是用来接收CPU送来的地址信号，并对它进行译码，选择与此地址码相对应的存储单元以便对该单元进行读/写操作。
存储器地址译码一般采用双译码方式，这时，将地址码分为两部分：
一部分送行已满器，行已满器输出行地址选择信号；另一部分送列译码器，列译码器输出列地址选择信号。
行列选择线交叉处即为所选中的内存单元，这种方式的特点是译码输出线较少。
因此，容量较大的存储器系统一般都采用双译码方式。
4）片选与读/写控制电路
片选信号用以实线芯片的选择，对于一个芯片来讲，只有当片选信号有效时，才能对其进行读/写操作。
目前，一个存储器通常是由一定数量的芯片组成，在对存储器进行地址选择时，必须先进行片选。
然后，再在选中的芯片中选择与地址相对应的存储单元。
片选信号一般由地址译码器的输出及一些控制信号来形成，而读/写控制电路则用来控制对芯片的读/写操作。
5）I/O电路
I/O电路位于系统数据总线与被选中的存储单元之间，用来控制信息的读出与写入，必要时，还可包含对I/O信号的驱动及放大处理功能。
6）其它外围电路
为了扩充存储器系统的容量，常常需要将几片RAM或ROM芯片的数据线并联后与双向的数据线相连，这就是要用到三态输出缓冲器。
对不同类型的存储器系统，有时还需要一些特殊的外围电路，如动态RAM中的预充电及刷新操作控制电路等，这也是存储器系统的重要组成部分。
第四章重点介绍
主存（亦称内存）位于计算机内部，CPU可以直接对其进行操作。
用户编写的程序、数据都要先存入内存，而CPU的运算结果也要存入内存。
目前，内存主要采用半导体存储器，以大规模集成电路芯片的形式出现，类型有只读存储器ROM和随机存储器RAM。
在学习中，重点关注以下几个方面。
1）ROM和RAM的特点
这是两种不同类型的存储器，它们各有特点但又存在许多方面的不同。
●存储原理不同。
由于单位存储电路结构不同，因此ROM中存放的信息原则上仅能读出而不能写入（对EPROM等芯片来说，虽然可以多次写入，但擦除的操作时需要有特殊设备的）。
RAM作为随机存储器，在计算机工作的过程中，可以随机地读出或写入数据。
●作用不同。
ROM在内存中主要承担系统程序或数据的存储，这些内容在机器运行过程中用户可以使用但不能改变，RAM则主要承担用户程序和数据的存储，在机器运行过程中可以随时写入/读出。
2）静态和动态RAM
同为RAM，静态和动态又是不同的，前者采用双稳态电路存储数据，后者采用电容存储数据。
由于电容具有充放电的功能，因此对动态RAM需要定时刷新（即每隔一段时间将全部数据读出再写入），但它的优点是集成度高。
微机中的内存主要使用动态RAM，一般应用系统扩展则主要使用静态RAM。
3）存储器芯片
存储器芯片是构成存储器的核心。
与芯片的内部结构相比，我们重点关注芯片的引脚和使用。
铜梁和字长是存储器芯片的重要指标，其中容量与芯片的地址码位数相关，字长则与芯片的额数据线位数相关。
除此之外，存储器芯片的引脚还有读/写、输出使能、片选等。
4）存储器组构
一个使用的存储器往往不是使用一片存储器芯片就可以实现的，一般需要采用多种芯片通过扩充的方法来完成。
扩充的方法主要有两种。
●位扩充。
适用于芯片的容量满足要求，而字长不够的场合。
这时需要用几片芯片通过为扩充的方法进行组构（连线特点：
地址线、数据线、读/写信号线并联，片选线并联，数据线组合）
●字扩充。
适用于芯片的字长满足要求而容量不够的场合。
这时需要几片芯片通过扩充的方法进行组构（连线特点：
地址线、数据线、读/写信号线并联，片选线单独）。
以上良好总方法可以混合使用，这时可先选用位扩充方法形成芯片组，以满足字长要求，然后再采用字扩充的方法来满足容量要求。
也可以用其它芯片扩充，形成更大容量的存储器。
Cache是位于CPU与主存之间的一个小容量高速存储器（目前CPU内部也有相应的Cache），主要起缓存作用，采用一定的映射方法和替换策略后，可以使CPU对存储器的大部分操作由主存转向Cache，从而提高了计算机的工作效率。
而虚拟存储器则是在引入海量辅存后采用的一种存储体系（包括主存、辅存、存储管理软件与附加硬件），在它的支持下，用户使用有限容量的内存就像使用无限容量的辅存一样，完全不用考虑存储器容量的大小以及存储管理的问题，为计算机的使用提供了极大的方便。
第五章存储器的现状与未来
目前，人们常用的存储器依然是Ｕ盘、硬盘、光盘等，但存储器以不仅仅作为计算机的存储信息的工具，它被应用于越来越多的技术中。
云计算和物联网是现在的热点。
云存储是在云计算的概念上延伸和发展出来的
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