存儲器

存儲器是許多存儲單元的集合，按單元號順序排列。每個單元由若干二進制位構成，以表示存儲單元中存放的數值，這種結構和數組的結構非常相似，故在VHDL語言中，通常由數組描述存儲器 ^[1]  。

存儲器是用來存儲程序和各種數據信息的記憶部件。存儲器可分為主存儲器（簡稱主存或內存）和輔助存儲器（簡稱輔存或外存）兩大類。和CPU直接交換信息的是主存。 ^[2] 

主存的工作方式是按存儲單元的地址存放或讀取各類信息，統稱訪問存儲器。主存中彙集存儲單元的載體稱為存儲體，存儲體中每個單元能夠存放一串二進制碼表示的信息，該信息的總位數稱為一個存儲單元的字長。存儲單元的地址與存儲在其中的信息是一一對應的，單元地址只有一個，固定不變，而存儲在其中的信息是可以更換的。 ^[2] 

指示每個單元的二進制編碼稱為地址碼。尋找某個單元時，先要給出它的地址碼。暫存這個地址碼的寄存器叫存儲器地址寄存器(MAR)。為可存放從主存的存儲單元內取出的信息或準備存入某存儲單元的信息，還要設置一個存儲器數據寄存器(MDR)。 ^[2] 

計算機的存儲器可分成內存儲器和外存儲器。內存儲器在程序執行期間被計算機頻繁地使用，並且在一個指令週期期間是可直接訪問的。外存儲器要求計算機從一個外貯藏裝置例如磁帶或磁盤中讀取信息。這與學生在課堂上做筆記相類似。如果學生沒有看筆記就知道內容，信息就被存儲在“內存儲器”中。如果學生必須查閲筆記，那麼信息就在“外存儲器”中。 ^[3] 

內存儲器有很多類型。隨機存取存儲器（ RAM）在計算期間被用作高速暫存記憶區。數據可以在RAM中存儲、讀取和用新的數據代替。當計算機在運行時RAM是可得到的。它包含了放置在計算機此刻所處理的問題處的信息。大多數RAM是“不穩定的”，這意味着當關閉計算機時信息將會丟失。只讀存儲器（ROM）是穩定的。它被用於存儲計算機在必要時需要的指令集。存儲在ROM內的信息是硬接線的”（即，它是電子元件的一個物理組成部分），且不能被計算機改變（因此稱為“只讀”）。可變的ROM，稱為可編程只讀存儲器（PROM），可以將其暴露在一個外部電器設備或光學器件（如激光）中來改變。 ^[3] 

數字成像設備中的內存儲器必須足夠大以存放至少一幅數字圖像。一幅512 x512 x8位的圖像需要1/4兆字節。因此，一台處理幾幅這樣的圖像的成像設備需要幾兆字節的內存。 ^[3] 

外存儲器用來儲存不是實時成像任務中獲取的圖像，其與計算機有不同的分離層面。已經作出診斷的圖像通常因為法律目的而存儲多年。這些圖像被稱為“歸檔”（如磁帶），它們必須在計算機上重新安裝才能取回信息．硬盤驅動器中的圖像被物理地安裝在計算機上，且能在幾毫秒內被訪問。磁存儲器中單個位被記錄為磁疇，“北極向上”可能意味着1，“北極向下”可能意味着0。 ^[3] 

最常用的外存儲器設備以兩種方式之一來存儲信息。磁帶，以大的盤式裝置的形式在20世紀70年代作為計算機存儲的一大支柱，現在則以小而封閉的盒式磁帶的形式成為一種相對便宜的“離線”存儲選擇。儘管它在加載現代錄音磁帶和尋找到感興趣數據的存儲位置時可能花費幾秒甚至幾分鐘，但購買和維修這一存儲媒質的長期花費是較低的。 ^[3] 

各種光學存儲器裝置也是可得到的。在光學存儲器裝置中存取一串特定數據所需的時間，可能與在（磁）硬盤存取數據所需的時間一樣短。在光盤某一平滑鏡面上存在着微小的缺陷。在光盤表面燒一個孔洞表示二進制數1，沒有燒孔洞則表示0。燒製而成的光盤是“寫一次，讀多次”（WORM）光盤的實例。這個特徵使得它們適合於長期的檔案存儲，且保持較高的存取速率。直徑是12 cm的盤已經成為音樂錄製和常規PC使用的標準。這些磁盤被稱為“高密度盤”或CD ROM。與CD ROM具有相同大小，但能存儲足夠的數字信息來支持幾小時的高質量視頻的高容量盤，被稱為數字視頻盤（DVD）。DVD正變得流行。有時候根據要求利用機械裝置從一大批光盤中提取和安裝盤。這些裝置被稱為是“自動唱片點唱機”。 ^[3] 

構成存儲器的存儲介質主要採用半導體器件和磁性材料。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩態半導體電路或一個CMOS晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然後再由許多存儲單元組成一個存儲器。 ^[4] 

根據存儲材料的性能及使用方法的不同，存儲器有幾種不同的分類方法。 ^[4] 

1．按存儲介質分類

半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。 ^[4] 

磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。 ^[4] 

2．按存儲方式分類

隨機存儲器：任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關。 ^[4] 

順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時間與存儲單元的物理位置有關。 ^[4] 

3．按存儲器的讀寫功能分類

只讀存儲器（ROM）：存儲的內容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導體存儲器。 ^[4] 

隨機讀寫存儲器（RAM）：既能讀出又能寫入的半導體存儲器。 ^[4] 

4．按信息的可保存性分類

非永久記憶的存儲器：斷電後信息即消失的存儲器。 ^[4] 

永久記憶性存儲器：斷電後仍能保存信息的存儲器。 ^[4] 

5．按在計算機系統中的作用分類

主存儲器（內存）：用於存放活動的程序和數據，其速度高、容量較小、每位價位高。 ^[4] 

輔助存儲器（外存儲器）：主要用於存放當前不活躍的程序和數據，其速度慢、容量大、每位價位低。 ^[4] 

緩衝存儲器：主要在兩個不同工作速度的部件起緩衝作用。 ^[4] 

存儲器結構在MCS - 51系列單片機中，程序存儲器和數據存儲器互相獨立，物理結構也不相同。程序存儲器為只讀存儲器，數據存儲器為隨機存取存儲器。從物理地址空間看，共有4個存儲地址空間，即片內程序存儲器、片外程序存儲器、片內數據存儲器和片外數據存儲器，I/O接口與外部數據存儲器統一編址。 ^[5] 

為提高存儲器的性能，通常把各種不同存儲容量、存取速度和價格的存儲器按層次結構組成多層存儲器，並通過管理軟件和輔助硬件有機組合成統一的整體，使所存放的程序和數據按層次分佈在各存儲器中。 ^[6] 

主要採用三級層次結構來構成存儲系統，由高速緩衝存儲器Cache、主存儲器和輔助存儲器組成。圖中自上向下容量逐漸增大，速度逐級降低，成本則逐次減少。 ^[6] 

整個結構可看成主存一輔存和Cache-主存兩個層次。在輔助硬件和計算機操作系統的管理下，可把主存一輔存作為一個存儲整體，形成的可尋址存儲空間比主存儲器空間大得多。由於輔存容量大，價格低，使得存儲系統的整體平均價格降低。Cache-主存層次可以縮小主存和CPU之間的速度差距，從整體上提高存儲器系統的存取速度。 ^[6] 

一個較大的存儲系統由各種不同類型的存儲設備構成，形成具有多級層次結構的存儲系統。該系統既有與CPU相近的速度，又有極大的容量，而價格又是較低的。可見，採用多級層次結構的存儲器系統可有效地解決存儲器的速度、容量和價格之間的矛盾。 ^[6] 

任何存儲芯片的存儲容量都是有限的。要構成一定容量的內存，單個芯片往往不能滿足字長或存儲單元個數的要求，甚至字長和存儲單元數都不能滿足要求。這時，就需要用多個存儲芯片進行組合，以滿足對存儲容量的需求，這種組合就稱為存儲器的擴展。存儲器擴展時要解決的問題主要包括位擴展、字擴展和字位擴展。 ^[7] 

異步SRAM的接口是一種非常典型的半導體存儲芯片接口，掌握了它的接口設計方法就意味着掌握了一系列半導體存儲芯片接口的設計方法（包括 NoR Flash、E2PROM等），同時也為學習其他半導體存儲芯片的接口設計打下了基礎。本節以異步SRAM的接口為例，介紹半導體存儲芯片接口設計的基本方法與原則。 ^[7] 

Flash存儲控制器功能包括存儲器組織、啓動選擇、IAP、ISP、片上Flash編程及校驗和計算。在存儲器組織中介紹了Flash存儲控制器映射和系統存儲器映射。Flash存儲控制器包含片上 Flash和 Boot loader片上存儲器是可編程的，包括APRON、 LDROM、數據 Flash和用户配置區。地址映射包括 Flash存儲映射和5個地址映射：支持IAP功能的 LDROM，不支持IAP功能的 LDROM，支持IAP功能的APRON，不支持IAP功能的 APROM，以及支持IAP功能的 Boot loader。 ^[8] 

存儲管理要實現的目的是為用户提供方便、安全和充分大的存儲空間。 ^[9] 

方便是指將邏輯地址和物理地址分開，用户只在各自的邏輯地址空間編寫程序，不必過問物理空間和物理地址的細節，地址的轉換由操作系統自動完成；安全是指同時駐留在內存的多個用户進程相互之間不會發生干擾，也不會訪問操作系統所佔有的空間；充分大的存儲空間是指利用虛擬存儲技術，從邏輯上對內存空間進行擴充，從而可以使用户在較小的內存裏運行較大的程序。 ^[9] 

如何增加磁盤的存取速度，如何防止數據因磁盤的故障而丟失及如何有效地利用磁盤空間，一直是電腦專業人員和用户的困擾；而大容量磁盤的價格非常昂貴，對用户形成很大的負擔。磁盤陣列技術的產生一舉解決了這些問題。 ^[10] 

過去十多年來，CPU的處理速度幾乎是呈幾何級數的躍升，內存（memory）的存取速度亦大幅增加，而數據儲存裝置主要是在與磁盤（hard disk）的存取速度相較之下，較為緩慢。整個I/O吞吐量不能和系統匹配，形成電腦系統的瓶頸，拉低了電腦系統的整體性能。若不能有效地提升磁盤的存取速度，CPU、內存及磁盤問的不平衡將使CPU及內存的改進形成浪費。 ^[10] 

目前改進磁盤存取速度的方式主要有兩種。 ^[10] 

一是磁盤快取控制（disk cache controller），它將從磁盤讀取的數據存在快取內存（cachememory）中以減少磁盤存取的次數，數據的讀寫都在快取內存中進行，大幅增加存取的速度，如要讀取的數據不在快取內存中，或要寫數據到磁盤時，才做磁盤的存取動作。這種方式在單工期環境（single-tasking environment)如DOS之下，對大量數據的存取有很好的性能（量小且頻繁的存取則不然），但在多工（multi-tasking）環境之下（因為要不停地做數據交換的動作）或數據庫的存取（因每一記錄都很小）就不能顯示其性能。這種方式沒有任何安全保障。 ^[10] 

二是使用磁盤陣列的技術。磁盤陣列是把多個磁盤組成一個陣列，當作單一磁盤使用，它將數據以分段(striping)的方式儲存在不同的磁盤中，存取數據時，陣列中的相關磁盤一起動作，大幅減低數據的存取時間，同時有更佳的空間利用率。磁盤陣列所利用的不同的技術，稱為RAID level，不同的level針對不同的系統及應用，以解決數據安全的問題。 ^[10] 

一般高性能的磁盤陣列都是以硬件的形式來達成，進一步把磁盤快取控制及磁盤陣列結合在一個控制器（RAID controller）或控制卡上，針對不同的用户解決人們對磁盤輸出/輸入系統的四大要求：

(1)增加存取速度；

(2)容錯（fault tolerance），即安全性；

(3)有效利用磁盤空間；

(4)儘量平衡CPU、內存及磁盤的性能差異，提高電腦的整體工作性能。 ^[10] 

關於磁盤陣列技術的陣列原理，1987年，加州伯克利大學的一位人員發表了名為“磁盤陣列研究”的論文，正式提到了RAID也就是磁盤陣列，論文提出廉價的5.25〞及3.5〞的硬盤也能如大機器上的8”盤一樣能提供大容量、高性能和數據的一致性，並詳述了RAID的技術。 ^[10] 

磁盤陣列針對不同的應用，使用不同技術，稱為RAID level。RAID是RedundantArray of Inexpensive Disks的縮寫，每- level代表一種技術。 目前業界公認的標準是RAIDO- RAID5。這個level並不代表技術的高低，leve15並不高於leve13，levell也不低於level4，至於要選擇哪一種RAID level的產品，視用户的操作環境（operating environment）及應用（application）而定，與level的高低沒有必然的關係。RAIDO沒有安全的保障，但其快速，所以適合高速I/O的系統；RAID1適用於需安全性又要兼顧速度的系統，RAID2及RAID3適用於大型電腦及影像、CAD/CAM等處理；RAID5多用於OLTP，因有金融機構及大型數據處理中心的迫切需要，故使用較多而較有名氣，但也因此形成很多人對磁盤陣列的誤解，以為磁盤陣列非要RAID5不可。RAID4較少使用，和RAID5有其共同之處，但RAID4適合大量數據的存取。其他如RAID6、RAID7，乃至RAID10、RAID50、RAID100等，都是廠商各做各的，並無一致的標準，在此不作説明。 ^[10] 

外部EPROM擴展原理(7張)

總而言之，RAIDO及RAID1最適合PC服務器及圖形工作站的用户，提供最佳的性能及最便宜的價格，以低成本符合市場的需求。RAID2及RAID3適用於大檔案且輸入/輸出需求不頻繁的應用如影像處理及CAD/CAM等；而RAID5則適用於銀行、金融、股市、數據庫等大型數據處理中心的OLTP應用；RAID4與RAID5有相同的特性及應用方式，但其較適用於大型文件的讀取。 ^[10] 

存儲器是計算機中數據存放的主要介質。隨着近年來的發展, 存儲器的變化日新月異, 各種新型存儲器進入市場, 普及針對新型存儲器的維護方法已經迫在眉睫。 ^[11] 

從PCRAM和MRAM到RRAM等更多技術，一系列全新的存儲技術正不斷湧向晶圓廠。而推動這一進程的正是遊戲和移動產品領域的技術進步， 以及雲計算的發展。這些應用都非常重要，它們正在不斷擴展當今主流存儲技術的能力。例如，遊戲應用需要速度極快的主存儲器和高容量的輔助（存儲類）存儲器，從而在用户渾然不覺的情況下處理數據, 快速管理海量的圖形數據。畢竟，沒人希望在遊戲玩到關鍵時刻，突然遇到意外的卡頓。對於雲計算，其最大的優勢在於能夠通過網絡訪問海量數據，而無需將這些數據直接存儲在我們的個人設備上。同樣，速度也至關重要，因為除非必要，沒人願意多等待哪怕一納秒。 ^[12] 

隨着數據存儲技術的迅猛發展，用户對存儲性價比的要求也越來越高，而雲存儲技術無需硬件設備的支持，這就大大增加了存儲的安全性能，用户也無需對硬件設施進行維護，減少了投入成本，提升存儲效率。 ^[13]