剖析存儲器的構(gòu)造及原理

存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是以存儲器為中心，計(jì)算機(jī)若要開始工作，必須先把有關(guān)程序和數(shù)據(jù)裝到存儲器中，程序才能開始運(yùn)行。

在程序執(zhí)行過程中，CPU所需的指令要從存儲器中取出，運(yùn)算器所需的原始數(shù)據(jù)要從存儲器中取出，運(yùn)算結(jié)果必須在程序執(zhí)行完畢之前全部寫到存儲器中，各種輸入輸出設(shè)備也直接與存儲器交換數(shù)據(jù)。因此，在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，存儲器是各種信息存儲和交換的中心。

存儲器的構(gòu)造及原理

存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的，也就是說，它存放的實(shí)際上是電平的高、低，而不是我們所習(xí)慣認(rèn)為的1234這樣的數(shù)字，這樣，我們的一個(gè)謎團(tuán)就解開了，計(jì)算機(jī)也沒什么神秘的嗎。

單片機(jī)里面都有這樣的存儲器，這是一個(gè)存儲器的示意圖：一個(gè)存儲器就象一個(gè)個(gè)的小抽屜，一個(gè)小抽屜里有八個(gè)小格子，每個(gè)小格子就是用來存放“電荷”的，電荷通過與它相連的電線傳進(jìn)來或釋放掉，至于電荷在小格子里是怎樣存的，就不用我們操心了，你能把電線想象成水管，小格子里的電荷就象是水，那就好理解了。存儲器中的每個(gè)小抽屜就是一個(gè)放數(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個(gè)“單元”。

有了這么一個(gè)構(gòu)造，我們就能開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了。

可是問題出來了，一個(gè)存儲器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時(shí)候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時(shí)候，會把每個(gè)單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個(gè)單元，都只能放同一個(gè)數(shù)，這當(dāng)然不是我們所希望的

因此，要在結(jié)構(gòu)上稍作變化，在每個(gè)單元上有個(gè)控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進(jìn)哪個(gè)單元，就給一個(gè)信號這個(gè)單元的控制線，這個(gè)控制線就把開關(guān)打開，這樣電荷就能自由流動(dòng)了，而其它單元控制線上沒有信號，所以開關(guān)不打開，不會受到影響，這樣，只要控制不一樣單元的控制線，就能向各單元寫入不一樣的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個(gè)單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開對應(yīng)的控制開關(guān)就行了。

構(gòu)成存儲器的存儲介質(zhì)，目前主要采用半導(dǎo)體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位可以是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個(gè)CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個(gè)二進(jìn)制代碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼位是存儲器中最小的存儲單位，稱為一個(gè)存儲位或存儲元，若干個(gè)存儲位可以組成一個(gè)存儲單元，許多存儲單元可以組成一個(gè)存儲器，這些存儲單元的集合也稱為存儲體。

存儲器的種類

根據(jù)存儲材料的性能及使用方法的不同，存儲器可以有各種不同的分類方法。

按存儲介質(zhì)分類

• 1、半導(dǎo)體存儲器

半導(dǎo)體存儲器用半導(dǎo)體器件組成的存儲器。

特點(diǎn)：集成度高、容量大、體積小、存取速度快、功耗低、價(jià)格便宜、維護(hù)簡單。

主要分兩大類：雙極型存儲器:TTL型和ECL型.金屬氧化物半導(dǎo)體存儲器(簡稱MOS存儲器):靜態(tài)MOS存儲器和動(dòng)態(tài)MOS存儲器。

• 2、磁存儲器

磁表面存儲器用磁性材料做成的存儲器稱為磁表面存儲器，它包括磁盤存儲器、

磁帶存儲器等。

特點(diǎn)：體積大、生產(chǎn)自動(dòng)化程度低、存取速度慢，但存儲容量比半導(dǎo)體存儲器大得多且不易丟失。

• **3、激光存儲器 **

信息以刻痕的形式保存在盤面上，用激光束照射盤面，靠盤面的不同反射率來讀出信息?？煞譃橹蛔x型光盤（CD－ROM）、只寫一次型光盤（WORM)和磁光盤（MOD）三種。

按存取方式分類

• 1、隨機(jī)存儲器（RAM）

如果存儲器中任何存儲單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間與存儲單元的物理位置無關(guān)，則這種存儲器稱為隨機(jī)存儲器（RAM）。

RAM主要用來存放各種輸入／輸出的程序、數(shù)據(jù)、中間運(yùn)算結(jié)果以及存放與外界交換的信息和做堆棧用。隨機(jī)存儲器主要充當(dāng)高速緩沖存儲器和主存儲器。

• 2、串行訪問存儲器（SAS）

如果存儲器只能按某種順序來存取，也就是說，存取時(shí)間與存儲單元的物理位置有關(guān)，則這種存儲器稱為串行訪問存儲器。

串行存儲器又可分為順序存取存儲器（SAM）和直接存取存儲器（DAM）。順序存取存儲器是完全的串行訪問存儲器，如磁帶，信息以順序的方式從存儲介質(zhì)的始端開始寫入（或讀出）；直接存取存儲器是部分串行訪問存儲器，如磁盤存儲器，它介于順序存取和隨機(jī)存取之間。

• 3、只讀存儲器（ROM）

只讀存儲器是一種對其內(nèi)容只能讀不能寫入的存儲器，即預(yù)先一次寫入的存儲器。通常用來存放固定不變的信息。如經(jīng)常用作微程序控制存儲器。

目前已有可重寫的只讀存儲器。常見的有掩模ROM（MROM），可擦除可編程ROM（EPROM），電可擦除可編程ROM（EEPROM）。ROM的電路比RAM的簡單、集成度高，成本低，且是一種非易失性存儲器，計(jì)算機(jī)常把一些管理、監(jiān)控程序、成熟的用戶程序放在ROM中。

按信息的可保存性分類

非永久記憶的存儲器：斷電后信息就消失的存儲器，如半導(dǎo)體讀／寫存儲器RAM。

永久性記憶的存儲器：斷電后仍能保存信息的存儲器，如磁性材料做成的存儲器以及半導(dǎo)體ROM。

**按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分 **

根據(jù)存儲器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、控制存儲器等。為了解決對存儲器要求容量大，速度快，成本低三者之間的矛盾，目前通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器。

存儲器的分級結(jié)構(gòu)

一個(gè)存儲器的性能通常用速度、容量、價(jià)格三個(gè)主要指標(biāo)來衡量。計(jì)算機(jī)對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低，需要盡可能地同時(shí)兼顧這三方面的要求。但是一般來講，存儲器速度越快，價(jià)格也越高，因而也越難滿足大容量的要求。目前通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器。

CPU能直接訪問的存儲器稱為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存），包括高速緩沖存儲器和主存儲器。CPU不能直接訪問的存儲器稱為外存儲器（簡稱外存，也叫輔助存儲器），外存的信息必須調(diào)入內(nèi)存才能被CPU使用。

高速緩沖存儲器（Cache）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)高速、小容量的半導(dǎo)體存儲器，它位于高速的CPU和低速的主存之間，用于匹配兩者的速度，達(dá)到高速存取指令和數(shù)據(jù)的目的。和主存相比，Cache的存取速度快，但存儲容量小。

主存儲器，簡稱主存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲器，用來存放計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的大量程序和數(shù)據(jù)，主要由MOS半導(dǎo)體存儲器組成。

外存儲器，簡稱外存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大容量輔助存儲器，用于存放系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫。與主存相比，外存的特點(diǎn)是存儲容量大，位成本低，但訪問速度慢。目前，外存儲器主要有磁盤存儲器、磁帶存儲器和光盤存儲器。

由Cache和主存儲器構(gòu)成的Cache－主存系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是利用與CPU速度接近的Cache來高速存取指令和數(shù)據(jù)以提高存儲器的整體速度，從CPU角度看，這個(gè)層次的速度接近Cache，而容量和每一位的價(jià)格則接近主存；由主存和外存構(gòu)成的虛擬存儲器系統(tǒng)，其主要目的是增加存儲器的容量，從整體上看，其速度接近于主存的速度，其容量則接近于外存的容量。

計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)的這種多層次結(jié)構(gòu)，很好地解決了容量、速度、成本三者之間的矛盾。這些不同速度、不同容量、不同價(jià)格的存儲器，用硬件、軟件或軟硬件結(jié)合的方式連接起來，形成一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)存儲系統(tǒng)對應(yīng)用程序員而言是透明的，在應(yīng)用程序員看來它是一個(gè)存儲器，其速度接近于最快的那個(gè)存儲器，存儲容量接近于容量最大的那個(gè)存儲器，單位價(jià)格則接近最便宜的那個(gè)存儲器。

半導(dǎo)體存儲芯片

半導(dǎo)體存儲器芯片按照讀寫功能可分為隨機(jī)讀寫存儲器（Random Access Memory，RAM）和只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）兩大類。RAM可讀可寫，斷電時(shí)信息會丟失；ROM中的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，信息可永久保存，不會因?yàn)閿嚯姸鴣G失。

隨機(jī)讀寫存儲器

目前廣泛使用的半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲器是MOS半導(dǎo)體存儲器，按保存數(shù)據(jù)的機(jī)理分為靜態(tài)存儲器（Static RAM，SRAM）和動(dòng)態(tài)存儲器（Dynamic RAM，DRAM）。

• 1、靜態(tài)存儲器（SRAM）

利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息，只要不斷電信息就不會丟失。靜態(tài)存儲器的集成度低，成本高，功耗較大，通常作為Cache的存儲體。

• 2、動(dòng)態(tài)存儲器（DRAM）

利用MOS電容存儲電荷來保存信息，使用時(shí)需要不斷給電容充電才能保持信息。動(dòng)態(tài)存儲器電路簡單，集成度高，成本低，功耗小，但需要反復(fù)進(jìn)行刷新（Refresh）操作，工作速度較慢，適合作為主存儲器的主體部分。

刷新操作：為防止存儲的信息電荷泄漏而丟失信息，由外界按一定規(guī)律不斷地給柵極進(jìn)行充電，補(bǔ)足柵極的信息電荷。

DRAM工作時(shí)必須要有刷新控制電路，操作比較復(fù)雜。由于要不間斷地進(jìn)行刷新，故稱這種存儲器為動(dòng)態(tài)存儲器。動(dòng)態(tài)MOS存儲器主要采用“讀出”的方式進(jìn)行刷新，依次讀出存儲器的每一行，就可完成對整個(gè)DRAM的刷新。

DRAM存儲器的刷新需要有硬件線路的支持，這些控制線路可以集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，形成DRAM控制器。借助于DRAM控制器，可以把DRAM當(dāng)作SRAM一樣使用，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大的方便。

• 3、增強(qiáng)型DRAM（EDRAM）

EDRAM芯片是在DRAM芯片上集成一個(gè)高速小容量的SRAM芯片而構(gòu)成的，這個(gè)小容量的SRAM芯片起到高速緩存的作用，從而使DRAM芯片的性能得到顯著改進(jìn)。

當(dāng)CPU從主存DRAM中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，會將包含此數(shù)據(jù)的整個(gè)數(shù)據(jù)塊都寫入高速緩存SRAM內(nèi)，下次讀取連續(xù)地址數(shù)據(jù)時(shí)，CPU就可以從這個(gè)SRAM中直接取用，而不必到較慢的DRAM中讀取，如此即可加快CPU的存取速度。

將由若干EDRAM芯片組成的存儲模塊做成小電路插件板形式，就是目前普遍使用的內(nèi)存條。

只讀存儲器

只讀存儲器ROM是一種存儲固定信息的存儲器，其特點(diǎn)是在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)據(jù)，不能即時(shí)修改或重新寫入數(shù)據(jù)。

只讀存儲器電路結(jié)構(gòu)簡單，且存放的數(shù)據(jù)在斷電后不會丟失，特別適合于存儲永久性的、不變的程序代碼或數(shù)據(jù)（如常數(shù)表、函數(shù)、表格和字符等），計(jì)算機(jī)中的自檢程序就是固化在ROM中的。

ROM的最大優(yōu)點(diǎn)是具有不易失性。

只讀存儲器有不可重寫只讀存儲器（MROM、PROM）和可重寫只讀存儲器（EPROM、EEPROM、閃速存儲器等）兩大類。

不可重寫只讀存儲器

• 1、掩模只讀存儲器（MROM）

掩模只讀存儲器，又稱固定ROM。這種ROM在制造時(shí)，生產(chǎn)廠家利用掩模（Mask）技術(shù)把信息寫入存儲器中，使用時(shí)用戶無法更改，適宜大批量生產(chǎn)。

掩模只讀存儲器可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。

• 2、可編程只讀存儲器（PROM）

可編程只讀存儲器（Programmable ROM，簡稱PROM），是可由用戶一次性寫入信息的只讀存儲器，是在MROM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

PROM的缺點(diǎn)是用戶只能寫入一次數(shù)據(jù)，一經(jīng)寫入就不能再更改。

可重寫只讀存儲器

這類ROM由用戶寫入數(shù)據(jù)（程序），當(dāng)需要變動(dòng)時(shí)還可以進(jìn)行修改，使用起來比較方便。可重寫ROM有紫外線擦除EPROM、電擦除EEPROM和閃速存儲器Flash ROM三種類型。

• 1、光擦可編程只讀存儲器（EPROM）

EPROM 的特點(diǎn)是其中的內(nèi)容可以用特殊的裝置進(jìn)行擦除和重寫。EPROM出廠時(shí)，其存儲內(nèi)容為全“1”，用戶可根據(jù)需要改寫為“0”，當(dāng)需要更新存儲內(nèi)容時(shí)，可將原存儲內(nèi)容擦除（恢復(fù)為全“1”），以便寫入新的內(nèi)容。

EPROM一般是將芯片置于紫外線下照射15~20分鐘左右，以擦除其中的內(nèi)容，然后用專用的設(shè)備（EPROM寫入器）將信息重新寫入，一旦寫入則相對固定。

在閃速存儲器大量應(yīng)用之前，EPROM常用于軟件開發(fā)過程中。

• 2、電擦可編程只讀存儲器（EEPROM或E2PROM）

用紫外線擦除EPROM的操作復(fù)雜，速度很慢。EEPROM可以用電氣方法將芯片中的存儲內(nèi)容擦除，擦除時(shí)間較快，甚至可以在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下操作。

EEPROM既可使用字擦除方式又可使用塊擦除方式，使用字擦除方式可擦除一個(gè)存儲單元，使用塊擦除方式可擦除數(shù)據(jù)塊中所有存儲單元。

• 3、閃速存儲器（Flash ROM）

閃速存儲器Flash ROM是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種塊擦寫型存儲器，是一種高密度、非易失性的讀/寫半導(dǎo)體存儲器，它突破了傳統(tǒng)的存儲器體系，改善了現(xiàn)有存儲器的特性。

Flash ROM中的內(nèi)容或數(shù)據(jù)不像RAM一樣需要電源支持才能保存，但又像RAM一樣具有可重寫性。在某種低電壓下，其內(nèi)部信息可讀不可寫，類似于ROM，而在較高的電壓下，其內(nèi)部信息可以更改和刪除，類似于RAM。

Flash ROM 可以用軟件在PC機(jī)中改寫或在線寫入，信息一旦寫入即相對固定。因此，在PC 機(jī)中可用于存儲主板的BIOS程序。由于能進(jìn)行改寫，便于用戶自行升級BIOS，但這也給病毒以可乘之機(jī)，著名的CIH病毒正是利用這個(gè)特點(diǎn)來破壞BIOS，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的。

另外，由于單片存儲容量大，易于修改，F(xiàn)lash ROM也常用于數(shù)碼相機(jī)和U盤中，因其具有低功耗、高密度等特點(diǎn)，且沒有機(jī)電移動(dòng)裝置，特別適合于便攜式設(shè)備。

FLASH存儲器

隨著電子世界的發(fā)展，出現(xiàn)了FLASH存儲器，F(xiàn)LASH存儲器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程（EEPROM）的性能，還不會斷電丟失數(shù)據(jù)同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù) （NVRAM的優(yōu)勢），U盤和MP3里用的就是這種存儲器。

在過去的20年里，嵌入式系統(tǒng)一直使用ROM（EPROM）作為它們的存儲設(shè)備，然而近年來 Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系統(tǒng)中的地位，用作存儲Bootloader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當(dāng)硬盤使用（U盤）。

目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash

NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運(yùn)行裝載在NOR FLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。

NAND Flash沒有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進(jìn)行的，通常是一次讀取512個(gè)字節(jié)，采用這種技術(shù)的Flash比較廉價(jià)。用戶不能直接運(yùn)行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發(fā)板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運(yùn)行啟動(dòng)代碼。

一般小容量的用NOR Flash，因?yàn)槠渥x取速度快，多用來存儲操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常見的NAND FLASH應(yīng) 用是嵌入式系統(tǒng)采用的DOC（Disk On Chip）和我們通常用的"閃盤"，可以在線擦除。

• NAND Flash和NOR Flash的比較

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。

“flash存儲器”經(jīng)?？梢耘c“NOR存儲器”互換使用。大多數(shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。

NOR是現(xiàn)在市場上主要的非易失閃存技術(shù)。NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中。NOR的特點(diǎn)是應(yīng)用簡單、無需專門的 接口電路、傳輸效率高，它是屬于芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在（NOR型）flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。

虛擬存儲器

當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存主要由半導(dǎo)體存儲器組成，由于工藝和成本的原因，主存的容量受到限制。然而，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的功能不斷增強(qiáng)，程序規(guī)模迅速擴(kuò)大，要求主存的容量越大越好，這就產(chǎn)生了矛盾。

為了給大的程序提供方便，使它們擺脫主存容量的限制，可以由操作系統(tǒng)把主存和輔存這兩級存儲系統(tǒng)管理起來，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)覆蓋。

也就是說，一個(gè)大作業(yè)在執(zhí)行時(shí)，其一部分地址空間在主存，另一部分在輔存，當(dāng)所訪問的信息不在主存時(shí)，則由操作系統(tǒng)而不是程序員來安排I/O指令，把信息從輔存調(diào)入主存。

從效果上來看，好像為用戶提供了一個(gè)存儲容量比實(shí)際主存大得多的存儲器，用戶無需考慮所編程序在主存中是否放得下或放在什么位置等問題。我們稱這種存儲器為虛擬存儲器。

虛擬存儲器只是一個(gè)容量非常大的存儲器的邏輯模型，不是任何實(shí)際的物理存儲器。它借助于磁盤等輔助存儲器來擴(kuò)大主存容量，使之為更大或更多的程序所使用。虛擬存儲器指的是主存－外存層次，它以透明的方式為用戶提供了一個(gè)比實(shí)際主存空間大得多的程序地址空間。