储存器系统论文

太原科技大学I储存器系统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]：储存器，容量，速度太原科技大学II目录第1章存储器分类.................................................11.1按构成存储器的器件和存储介质分类..........................11.2按存取方式分类.............................................1第2章存储器的发展历史..........................................22.1汞延迟线....................................................32.2磁带........................................................32.3磁鼓........................................................32.4磁芯........................................................42.5磁盘........................................................4第3章存储器系统结构.............................................53.1基本储存单元..................................................53.2存储体.....................................................53.3地址译码器................................................5结束语..............................................................6参考文献............................................................6致谢................................................................7太原科技大学1第1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。1.1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。1.2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。太原科技大学2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。第2章存储器的发展历史太原科技大学32.1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。2.2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。2.3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太原科技大学4基础。2.4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。2.5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，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生产的太原科技大学53.5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数量级。IBM还发明了的信号读取技术，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。第3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。3.1基本储存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。3.2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×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