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AbstractIn modern computers, memory is the core component of the micro-computer. Because of it, the computer have the function of "memory" and can save the program and data code. Computer systems out of the human intervention and automatically complete the information processing functions.The computer's main memory can not satisfy fast access, big storage capacity and low cost.the computer must have the speed from slow to fast and from big to small capacity multi-level hierarchical memory and the best control and scheduling algorithm and a reasonable cost, constitutes acceptable performance storage systems.The function of storage systems will become more important in the computer.This essay briefly described the seven stages of the memory's development from the mercury delay line, tape, drum, core, disk, CD-ROM to the nano-storage.And described all aspects of the memory's progress during the period.The prospects for the development of the memory in the cloud computing and networking technology.Key Words:Memory,capacity, speed目录摘要 (I)第一章存储器分类 (1)第二章存储器的发展历史 (3)1) 汞延迟线 (3)2) 磁带 (3)3) 磁鼓 (4)4) 磁芯 (4)5) 磁盘 (5)6) 光盘 (7)7) 纳米存储 (8)第三章存储器系统结构 (9)1) 基本存储单元 (9)2) 存储体 (9)3) 地址译码器 (9)4) 片选与读/写控制电路 (9)5) I/O电路 (10)6) 其它外围电路 (10)第四章重点介绍 (11)1) ROM和RAM的特点 (11)2) 静态和动态RAM (11)3) 存储器芯片 (11)4) 存储器组构 (11)第五章存储器的现状与未来 (13)新技术介绍：IBM发表论文介绍新型存储系统“赛道存储器” (13)结束语 (15)参考文献 (16)致谢 (17)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（Read Only Memory，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”（Mask ROM ）。

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（Programmable ROM，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（Erasable Programmable Read Only Memory，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（One Time Programmable Read Only Memory，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（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，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（Flash memory）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 -random access memory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（Static RAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,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（Sequential Access）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EDV AC—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UNIV AC—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Gustav Tauschek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。