探究計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)體系2

SRAM

SRAM只要儲(chǔ)存器保持通電，里面儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就可以保持不變。我們也把它叫做雙穩(wěn)定態(tài)，即使有干擾，當(dāng)干擾消除的時(shí)候，電路就會(huì)恢復(fù)穩(wěn)定值。它的每個(gè)單元都是由六個(gè)晶體管電路來實(shí)現(xiàn)。如下圖。

DRAM

DRAM芯片中的單元被分成d個(gè)超單元，每個(gè)超單元都由w個(gè)DRAM單元組成。一個(gè)d*w的DRAM總共就是存儲(chǔ)dw位的信息了。（在這里我覺得《深入理解計(jì)算機(jī)原理》的作者翻譯有問題，本書很多地方的翻譯都讓人讀的不夠順暢，這里的有三個(gè)‘單元’，其實(shí)可以完全還另外一種說法，簡單的說就是一個(gè)塊被分成d個(gè)組，每個(gè)組都是w個(gè)DRAM單元。）超單元被組織成r行c列的長方形陣列，這里d=rc。每個(gè)超單元都有形如（i,j）的地址，這里i表示行，j表示列。

如上圖，每個(gè)RDAM芯片被連接到某個(gè)稱為存儲(chǔ)寄存器的電路，它的2個(gè)addr引腳，攜帶２位的行和列超單元引腳。當(dāng)要訪問一個(gè)超單元時(shí)，行地址i稱為RAS（Row Access Strobe，行訪問選通脈沖）請(qǐng)求。列地址j稱為CAS（Column Access Strobe，列訪問選通脈沖）請(qǐng)求。兩者共享相同的DRAM地址引腳。具體讀取過程如下圖。

DRAM每個(gè)單元是由一個(gè)電容和一個(gè)訪問晶體管組成的，每一位存儲(chǔ)就是對(duì)一個(gè)電容充電。利用電容內(nèi)部存儲(chǔ)電荷的多少來代表這一位是0還是1。但是由于電容有漏電的現(xiàn)象，當(dāng)有干擾存在時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電壓被擾亂，從而使數(shù)據(jù)丟失。所以它需要周期性的充電。由于多種原因?qū)е碌穆╇?，DRAM單元會(huì)在10～100毫秒時(shí)間內(nèi)失去電荷。例如由于電容暴露在陽光下會(huì)導(dǎo)致電壓的改變，利用這一特性，數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的傳感器本質(zhì)就是DRAM的單元陣列。下表是SRAM和DRAM的對(duì)比。

ROM與閃存(flash memory)

ROM(Read OnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器)有的類型是可以讀也可以寫，但是由于歷史原因，統(tǒng)稱為只讀存儲(chǔ)器 。它存放的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，斷電后所存的數(shù)據(jù)也不會(huì)改變，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡單，讀出方便，因而常用于存儲(chǔ)各種固定程序與數(shù)據(jù)。存放在ROM設(shè)備中的程序通常稱為固件(firmware)。比如我們計(jì)算機(jī)的BIOS，就是存放在ROM中的。

PROM(ProgrammableROM，可編程ROM) 只能被編程一次。PROM的每個(gè)存儲(chǔ)器單元有一種熔絲，它只能用高電流熔斷一次。

EPROM (ErasableProgrammable ROM，可擦寫可編程ROM)有一個(gè)透明的石英窗口，允許光到達(dá)存儲(chǔ)單元。紫外線光通過窗口照射進(jìn)來，EPROM單元就被清楚為0。EEPROM(Electrically Erasable ROM，電子可擦寫ROM)類似于EPROM，但是它不需要一個(gè)物理上獨(dú)立的編程設(shè)備，因此可以直接在印制電路卡上編程。

3.磁盤

磁盤包括硬盤和軟盤，這里我們以硬盤為例，硬盤是我們最長接觸到的存儲(chǔ)器之一，拆開后它就長下面這個(gè)樣子

如果把它的結(jié)構(gòu)圖花下來，它就是下面這個(gè)樣子的。它是由盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等部分組成的。

下面介紹最重要的幾個(gè)概念，扇區(qū)、磁道、柱面、盤面。

1、盤面

硬盤的盤片一般用鋁合金材料做基片，高速硬盤也可能用玻璃做基片。硬盤的每一個(gè)盤片都有兩個(gè)盤面（Side），即上、下盤面，一般每個(gè)盤面都會(huì)利用，都可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤片，也有極個(gè)別的硬盤盤面數(shù)為單數(shù)。每一個(gè)這樣的有效盤面都有一個(gè)盤面號(hào)，按順序從上至下從“0”開始依次編號(hào)。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫磁頭。硬盤的盤片組在2～14片不等，通常有2～3個(gè)盤片，故盤面號(hào)（磁頭號(hào)）為0～3或 0～5。

2、磁道

磁盤在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track）。磁道從外向內(nèi)從0開始順序編號(hào)。硬盤的每一個(gè)盤面有300～1 024個(gè)磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多。信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中，這些同心圓不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，而是被劃分成一段段的圓弧，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長度不一樣，所以，線速度也不一樣，外圈的線速度較內(nèi)圈的線速度大，即同樣的轉(zhuǎn)速下，外圈在同樣時(shí)間段里，劃過的圓弧長度要比內(nèi)圈劃過的圓弧長度大。每段圓弧叫做一個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)從“1”開始編號(hào)，每個(gè)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一個(gè)單元同時(shí)讀出或?qū)懭?。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸硬盤盤面通常有幾百到幾千條磁道。磁道是“看”不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)，在磁盤格式化時(shí)就已規(guī)劃完畢。

3、柱面

所有盤面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個(gè)圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號(hào)。數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭開始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進(jìn)行操作，只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面（同心圓的再往里的柱面），因?yàn)檫x取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機(jī)械切換。電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動(dòng)快得多，所以，數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，而不按盤面進(jìn)行。也就是說，一個(gè)磁道寫滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個(gè)盤面來寫，一個(gè)柱面寫滿后，才移到下一個(gè)扇區(qū)開始寫數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也按照這種方式進(jìn)行，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。一塊硬盤驅(qū)動(dòng)器的圓柱數(shù)（或每個(gè)盤面的磁道數(shù)）既取決于每條磁道的寬窄（同樣，也與磁頭的大小有關(guān)），也取決于定位機(jī)構(gòu)所決定的磁道間步距的大小。

4、扇區(qū)

操作系統(tǒng)以扇區(qū)（Sector）形式將信息存儲(chǔ)在硬盤上，每個(gè)扇區(qū)包括512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息。一個(gè)扇區(qū)有兩個(gè)主要部分：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段。

在最初的時(shí)候，將每個(gè)磁道都是分為數(shù)目相同的扇區(qū)的，扇區(qū)的數(shù)目都是由最靠近里面的磁道的扇區(qū)數(shù)來決定的。為了保證每個(gè)磁道具有固定的扇區(qū)數(shù)，那么越往外，它的數(shù)據(jù)密度就會(huì)越低，造成磁盤空間的浪費(fèi)。現(xiàn)代大容量磁盤使用了一種稱為多區(qū)記錄的技術(shù)，說白了就是利用柱面，把相鄰的幾個(gè)柱面分成一個(gè)區(qū)，（盤面上的磁道都是一個(gè)個(gè)同心圓，我們將這些同心圓分組，相鄰的幾個(gè)同心圓為一組，擴(kuò)展到柱面，也是這樣分。）一個(gè)區(qū)中的每個(gè)柱面中的每條磁道都有相同數(shù)量的扇區(qū)，這個(gè)扇區(qū)的數(shù)量是由該區(qū)中最里面的磁道所包含的扇區(qū)數(shù)所確定的。

磁盤操作

磁盤用讀/寫頭來讀寫存儲(chǔ)在磁性表面的位，而讀寫頭連接到一個(gè)傳動(dòng)臂一端。通過沿著半徑軸前后移動(dòng)這個(gè)傳動(dòng)臂，驅(qū)動(dòng)器可以將讀/寫頭定位到盤面上的任何磁道上。這樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)稱為尋道。

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在傳動(dòng)臂末端的讀/寫頭在磁盤表面高度大約0.1微米處的一層薄薄的氣墊上飛翔，速度大約是80km/h。

磁盤以扇區(qū)大小的塊來讀寫數(shù)據(jù)。對(duì)扇區(qū)的訪問時(shí)間有三個(gè)主要的部分：尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和轉(zhuǎn)送時(shí)間。在訪問一個(gè)磁盤扇區(qū)時(shí)，時(shí)間主要花在尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間，而且尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間基本相等。

5.閃存（flash）和固態(tài)硬盤（SSD）

閃存(flash memory)是一類非易失性存儲(chǔ)器，基于EEPROM，可以對(duì)塊的存儲(chǔ)器單元進(jìn)行擦寫和再編程。任何閃存器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以在大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫操作實(shí)現(xiàn)必須先執(zhí)行擦除。閃存的存儲(chǔ)單元為三端器件，與場效應(yīng)管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。如下圖。

Flash我們分為NOR和NAND，這兩者的區(qū)別是什么呢？NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電(寫數(shù)據(jù))或放電(擦除數(shù)據(jù))。而NOR型閃存擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)(電流從浮置柵極到硅基層)，但在寫入數(shù)據(jù)時(shí)則是采用熱電子注入方式(電流從浮置柵極到源極)。NOR的讀速度比NAND稍快一些。NAND的寫入速度比NOR快很多。由于NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。而 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。所以NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快得多。

參考資料

《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7408047

[計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)]

(https://zhuanlan.zhihu.com/p/358848203)