存储器:计算机的 “记忆中枢”,一文读懂其奥秘与发展

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在现代计算机系统中,存储器无疑占据着举足轻重的地位,堪称计算机的 “记忆中枢”。从我们日常使用的个人电脑,到复杂精密的大型服务器,存储器始终默默记录着程序和数据,为计算机的高效运行提供坚实支撑。无论是运行办公软件、浏览网页,还是畅玩大型游戏,背后都离不开存储器的强大功能。而当下,一项突破性创新 —— 新型 3D 异质集成存储器件正崭露头角,助力下一代微电子发展。今天,就让我们深入探索存储器的世界,揭开其神秘面纱。​
 
存储器
 
存储器的分类方式多样,依据存储介质、存储方式以及在计算机中的作用,可进行细致划分。从速度、容量和价格等性能指标综合考量,其呈现出独特的层次结构。主存储器,简称主存,作为计算机硬件的关键部件,肩负着存放指令和数据的重任,且能被中央处理器(CPU)直接随机存取。主存由 MAR(存储器地址寄存器)和 MDR(存储器数据寄存器)协同工作,MAR 负责寻址操作,访问存储单元时,需历经地址译码、驱动等电路;MDR 则承担数据读入写出操作,读出时经读出放大器,写入时借助写入电路。主存中的存储单元被赋予唯一地址,地址分配还涉及字节顺序的大端模式和小端模式。存储容量和存储速度是主存的主要技术指标。​
 
半导体存储点点taptap安卓有着独特的基本结构,译码驱动能将地址总线的信号转化为存储单元的选择信号,配合读 / 写电路完成操作。地址线单向输入,数据线双向传输,其位数与点点taptap安卓容量紧密相关。译码驱动方式分为线选法和重合法,线选法每个存储单元由独特地址线组合选中,适用于存储容量小或对速度要求高的场景;重合法复用地址线,在高密度存储器设计中更为常见。​
 
随机存取存储器(RAM)包括静态 RAM(SRAM)和动态 RAM(DRAM)。SRAM 以触发器寄存代码,读写操作依靠行、列开关控制,速度快但成本高、集成度低,常用于缓存。DRAM 则利用电容存储电荷寄存信息,有三管 MOS 和单管 MOS 等基本单元电路。三管 MOS 读出时预充电,根据电容电荷状态判断数据;单管 MOS 读出后需再生。DRAM 刷新与行地址相关,有集中式刷新、分散刷新和异步刷新等方式。集中式刷新存在死区,分散刷新无死区,异步刷新则结合二者优点。与 SRAM 相比,DRAM 集成度高、功耗小、价格低但速度慢,常用于做主存。​
 
只读存储器(ROM)发展历程丰富,从早期厂家写内容的 MROM,到用户可一次性编程的 PROM,再到可多次擦写的 EPROM、电可擦写的 EEPROM,以及闪速型存储器 Flash Memory。掩模 ROM 通过 MOS 管有无决定输出数据;PROM 靠熔丝熔断判断;EPROM 利用紫外线擦除,通过 D 端电压形成浮动栅控制导通;EEPROM 可多次编程,断电保留数据,擦写速度较慢且有擦写周期限制;Flash Memory 则具备快速擦除和编程能力,常用于大容量存储。​
 
存储器与 CPU 连接时,需进行容量扩展,包括位扩展、字扩展和字位扩展。地址线低位与存储点点taptap安卓相连,高位或用于扩充;数据线数量不同时需扩位;读 / 写命令线直接与点点taptap安卓控制端相连;合理选择存储点点taptap安卓类型和数量,ROM 存系统程序,RAM 供用户编程。同时要考虑时序、负载等因素。为保证数据准确,可采用汉明编码校验,通过海明码检错纠错。​
 
为提高访存速度,可采用高速器件、构建 Cache - 主存层次结构,也可调整主存结构。单体多字系统能在一个存取周期取出多条指令,但存在数据读取和存储的复杂性问题;多体并行系统顺序编址主要用于容量扩展,不适合提高带宽;低位交叉编址可提高带宽和访问速度,通过物理地址(体号)和虚拟地址(体内地址)协同工作。​
 
高速缓冲存储器(Cache)旨在避免 CPU 空等,依据程序访问局部性原理工作。主存和缓存按块存储,块大小相同,Cache 通过标记记录主存块号。CPU 访问数据时,若命中则直接读取,未命中则根据情况装入或替换。命中率与 Cache 容量和块长有关,访问效率取决于 Cache 和主存的存取时间。Cache 由存储体、地址映射变换机构和替换机构组成。读写操作有写直达和写回法,Cache 对用户透明。Cache 可改进为片内缓存、片外缓存,依据主存结构和指令执行控制方式选择统一缓存或分立缓存。Cache - 主存地址映射有直接映射、全相联映射和组相联映射。直接映射简单但不灵活,全相联映射灵活但电路复杂,组相联映射则折衷二者。替换算法有先进先出(FIFO)和近期最少使用(LRU),LRU 命中率更高。​
 
辅助存储器用于长期存储大量数据,包括硬磁盘、软磁盘和光盘存储器。硬磁盘利用磁记录技术,由磁盘驱动器、控制器和盘片组成,有固定磁头、移动磁头,可换盘、固定盘等类型。软磁盘存储原理与硬磁盘相似,但速度低、磁头接触盘片、盘片可换且价格低、环境要求不苛刻。光盘存储器采用光学技术,通过激光在光盘表面形成凹槽存储数据,有只读型、只写一次型和可擦写型,存储原理涉及热作用和热磁效应。​
 
存储器作为计算机系统不可或缺的部分,其技术不断革新,从提升存储容量、加快存取速度,到优化能耗和成本,每一次进步都推动着计算机技术的飞速发展。未来,随着科技的持续进步,存储器有望在性能上实现更大突破,为计算机系统的智能化、高效化发展注入源源不断的动力,在更广泛的领域发挥关键作用,深刻改变人们的生活和工作方式。
 
关键词:存储器
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