存储器的前世今生

1、存储器的前世今生在我们使用的计算机中存储器是其重要组成部分之一，用来存储程序和数据，表征了计 算机的“记忆”功能按用途可分为内部存储器和外部存储器内部存储器又叫内存，是主存储器。用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据CPU 可以对他直接访问，存取速度较快。外部存储器又叫外存，是辅助寄存器。外存的特点是容量大，所存的信息既可以修改也 可以保存。存取速度较慢，要用专用的设备来管理。计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程 序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中，(内存不够是也可以放在外存中) 程序的最终结果存入外部存储器。按存储器的性

2、质可分为RAM随机存取存储器(Random Access Memory)和ROM只读存 储器(Read Only Memory)CPU根据RAM的地址将数据随机的写入或读出。电源切断后，所存数据全部丢失。按照 集成电路内部结构不同，RAM又分为两类：SRAM 静态 RAM (Static RAM)静态RAM速度非常快，只要电源存在内容就不会消失。但他的基本存储电路是由6个MOS 管组成1位。集成度较低，功耗也较大。一般高速缓冲存储器(Cache memory)用它组成。DRAM 动态 RAM (Dynamic RAM)DRAM内容在 或秒之后自动消失，因此必须周期性的在内容消失之前进行刷新Re

3、fresh)。 由于他的基本存储电路由一个晶体管及一个电容组成，因此他的集成成本较低，另外耗电也 少，但是需要刷新电路。ROM存储器将程序及数据固化在芯片中，数据只能读出不能写入。电源关掉，数据也不 会丢失。ROM按集成电路的内部结构可以分为：PROM可编程ROM (Programable ROM )将设计的程序固化进去，ROM内容不可更改。EPROM可擦除、可编程(Erasable PROM)可编程固化程序，且在程序固化后可通过 紫外线光照擦除，以便重新固化新数据。EEPROM电可擦除可编程(Electrically Erasable PROM)可编程固化程序，并可利 用电压来擦除芯片内容，

4、以便重新固化新数据1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士领导设计。 它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰(1) 和波谷(0)表示。机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿 着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。在管的另一端，一传感器得到每一比 特的信息，并反馈到起点。设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。这个过程 是机械和电子的奇妙结合。缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素 影响而不精确。1

5、951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机 UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高 系统的可靠性，并最先进行了自动编程的试验。磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化程度最高的常 用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术 和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。其中两种采用螺旋扫描读写方式的是 面向工作组级的DAT(4mm

6、)磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流 存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应 用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用 的 DLT 和 IBM 的 3480/3490/3590 系列等。磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同 时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁 带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程 完全摆脱了人工干涉。磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份

7、效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。 在网络系统中，磁带库通过SAN(Storage Area Network存储区域网络)系统可形成网络 存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带 镜像技术实现多磁带库备份，无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。1953年，随着存储器设备发展，第一台磁鼓应用于IBM 701，它是作为内存储器使用的。 磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。 它采用饱和磁记录，从固定式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。

8、美国物理学家王安1950年提出了利用磁性材料制造存储器的思想。福雷斯特则将这一 思想变成了现实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IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)。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(HDA)，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

9、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(MagnetoResistive)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(Partial Response Maximum Likelihood)的信号读取技术，使

10、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。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。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

11、光视 盘(LD，Laser Vision Disc)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 (Frequency Modulation)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

12、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(Red Book)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 (814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

13、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，错误校正采用里德一索洛蒙(Reed Solomon)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

14、，即ISO 9660。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(Phase Change Disk，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。1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘，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