计算机组成原理系列3--存储系统
1.存储系统分类
按计算机作用：主存，辅存，高速缓存（Cache）
按存储介质：磁表面存储器（磁盘，磁带），磁芯存储器，半导体存储器（MOS型存储器，双极性存储器），光存储器（光盘）
磁表面存储器
磁盘 ：
工作原理 ：磁盘由盘片、磁头、驱动机构和控制电路等组成。盘片表面涂有磁性材料，数据以磁化状态存储在盘片的磁道上，磁头在盘片表面移动进行读写操作。磁盘的读写依赖于磁头与盘片之间的相对运动，通过改变磁头的位置来访问不同的磁道，实现数据的随机访问。
特点 ：存储容量大，读写速度快，可随机访问，可靠性高，且数据不易丢失，缺点是机械部件较多导致读写延迟相对较高、易受震动等因素影响。
应用场景 ：计算机系统的主要存储设备之一，用于存储操作系统、应用程序、用户数据等，如硬盘驱动器（HDD）。
磁带 ：
工作原理 ：磁带是一种顺序存取存储器，数据以磁化信号的形式记录在磁带上。磁带机通过磁头在磁带上移动进行数据的读写，磁带的读写顺序是从一端到另一端，无法直接访问指定位置的数据，需要通过顺序查找来定位。
特点 ：存储容量大，成本低，数据传输速率较高，但读写速度慢，只适合顺序访问，不适合频繁随机读写数据。
应用场景 ：主要用于数据备份和长期归档存储，如大型数据中心的海量数据备份、历史数据归档等。
磁芯存储器
工作原理 ：磁芯存储器是一种随机存取存储器，由许多小型磁环（磁芯）组成。每个磁芯可以存储一个二进制位，通过控制线圈中的电流来改变磁芯的磁化方向，实现数据的写入和读出。读出操作是破坏性的，需要在读出后重新写入数据。
特点 ：读写速度快，可靠性高，非易失性，能在断电后保持数据，但存储容量较小，体积大，功耗高，成本也相对较高。
应用场景 ：早期计算机的主要存储设备之一，在20世纪50 - 70年代广泛应用，随着半导体存储器的发展逐渐被取代。
半导体存储器
MOS 型存储器 ：
工作原理 ：基于金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）技术，主要利用场效应晶体管来存储和读取数据。MOS 存储器分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。SRAM利用触发器电路存储数据，每个存储单元由多个晶体管组成，数据在断电后会丢失；DRAM每个存储单元由一个电容和一个晶体管组成，数据以电荷形式存储在电容中，需要定期刷新以保持数据。
特点 ：集成度高，存储容量大，读写速度快，成本低，但 DRAM 需要刷新操作，功耗相对较高，SRAM 则功耗低、速度快，但集成度相对较低。
应用场景 ：广泛应用于现代计算机系统中的主存储器，如内存条中的 DRAM，以及高速缓存中的 SRAM。
双极性存储器 ：
工作原理 ：利用双极性晶体管的导电特性来存储和读取数据。双极性晶体管具有两个极性，可分别表示二进制的0和1，依靠电流的有无或方向变化来存储信息。
特点 ：读写速度快，性能稳定，但集成度相对较低，功耗大，成本高，存储容量有限。
应用场景 ：在早期的计算机和一些对速度要求较高的存储应用中使用，如今在一些特殊的军事、工业等领域仍有少量应用。
光存储器（光盘）
工作原理 ：光盘利用激光束在盘片表面刻录和读取数据。数据以微小的坑（凹陷）和平（凸起）的形式存储在光盘的螺旋形轨道上，激光束照射到盘片表面时，反射光的不同强度表示不同的数据状态。写入数据时，通过控制激光的强度和脉冲来改变盘片表面的物理状态，读取数据时，激光束扫描盘片表面，根据反射光的变化来还原数据。
特点 ：存储容量较大，数据可长期保存，成本低，便于携带和存储，但读写速度相对较慢，且光盘表面易受划伤、污渍等因素影响导致数据损坏。
应用场景 ：广泛用于数据存储、音频视频存储和分发，如 CD、DVD、蓝光光盘等，用于存储音乐、电影、软件安装包等
按存取方式：RAM ROM 串行存储器
按信息的可保存性：易失性存储器 非易失性存储器
2.存储器的性能指标
存储容量
存储字数×字长（如1M×8位）
单位成本
位价=总成本/总容量
存储速度
数据传输效率（每秒传送信息的位数）=数据的宽度/存取周期
Ta（访问时间）
访问时间是指从启动一次存储器操作（如读或写）到该操作完成所需的时间，通常以纳秒（ns）为单位。它反映了存储器响应请求的速度，是衡量存储器速度的重要指标之一。访问时间越短，存储器的读写速度越快。
影响：访问时间直接影响数据传输效率。若访问时间长，即使数据宽度大，数据传输效率也受限。
Tm（存取周期）
存取周期是指连续进行两次独立存储操作（如两次读或写）所需的最短时间间隔，同样以纳秒（ns）为单位。它不仅包括了访问时间，还考虑了存储器在两次操作之间所需的恢复时间和准备时间等。
影响：存取周期决定了存储器在单位时间内能进行多少次读写操作。存取周期短，单位时间内操作次数多，数据传输效率高。数据传输效率=数据宽度/存取周期。
Bm（存储带宽）
存储带宽是指单位时间内存储器能够读取或写入的数据量，通常以字节每秒（B/s）或位每秒（bit/s）为单位。它综合反映了存储器的数据传输能力。
影响：存储带宽体现了存储器的整体数据传输性能。带宽高，能快速传输大量数据，提升系统性能。它与数据宽度、存取周期及数据传输速率相关。数据宽度大、存取周期短、速率高，带宽就大。
它们之间的关系
访问时间与存取周期：存取周期通常大于或等于访问时间。因为存取周期除了访问时间，还包括存储器在两次操作间的恢复和准备时间。
存储带宽与存取周期：存储带宽与存取周期密切相关。高带宽需短存取周期，使单位时间内传输更多数据。
数据传输效率与存储带宽：两者都反映存储器数据传输性能，数据传输效率强调每次操作数据量与存取周期关系，存储带宽强调单位时间数据量。
EPROM
EPROM 即可擦除可编程只读存储器，它能够实现随机存储主要基于以下原理：
存储单元结构 ：EPROM 采用浮栅 MOS 管作为存储单元，其结构包括一个浮栅和一个控制栅。浮栅被绝缘层包裹，能长期保存电荷，而控制栅用于控制读写操作。当在控制栅上施加高电压时，可使浮栅注入电荷或释放电荷，从而改变晶体管的阈值电压，实现数据的写入和擦除。
地址译码电路 ：EPROM 内部具备地址译码电路，能够根据外部提供的地址信号，快速准确地选中对应的存储单元。这使得用户可以在任何时候直接访问存储器中的任意位置的数据，无需按顺序读取，实现了随机存储。
EPROM 虽然可实现随机存储，但仍属于 ROM 的原因在于：
数据写入的限制性 ：EPROM 中的数据写入需要通过特殊的编程器来完成，编程过程相对复杂，并且一旦写入，修改较为困难，若要修改，需先用紫外线照射擦除原有数据后才能重新写入，无法像 RAM 那样方便地随时进行读写操作。
主要用途 ：EPROM 主要用于存储在正常运行过程中不需要频繁修改的程序或数据，如微控制器的固件、计算机的 BIOS 等，其使用方式更接近于只读存储器。在实际应用中，通常是在系统初始化或升级时对 EPROM 进行编程，而在系统正常运行时，主要是对其中的数据进行读取操作，而不是频繁的写入