计算机存储器 - 内存和外存

计算机存储器——内存和外存

引言：存储器是计算机的第二个子系统。它有一个重要的特性——无限可复制性，即其存放的数据被取出后，原来存放的数据依然存在，所以可以被反复利用。本报告将从存储器的原理、分类、功能和发展状况等方面进行探究分析。

摘要：在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。其是具有“记忆”功能的设备，是计算机智能化的重要保证。存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。那么现有存储器的种类有哪些、它们又有哪些各自不同的性能及它们是如何在计算机中发挥存储作用的呢？为了理清楚以上问题，我做了有关于计算机内存与外存的相关研究。

关键词：存储器 内存 RAM ROM 外存 正文：

存储器，英文名称为Memory，顾名思义，是一种用于存储信息的仪器，常用于计算机中的数据储存，计算机工作所需的所有数据都被存储在存储器中，包含原始数据、计算过程中所产生数据、计算所需程序、计算最终结果数据等等。存储器的存在才使得计算机有了超强的记忆能力。由此可见存储器对于计算机之重要性。

在介绍存储器原理之前，先解释一些重要名词。

存储位：存放一个二进制数位的存储单元，是存储器最小的存储单位，或称记忆单元 存储字：一个数(n位二进制位)作为一个整体存入或取出时，称存储字 存储单元：存放一个存储字的若干个记忆单元组成一个存储单元 存储体：大量存储单元的集合组成存储体 存储单元地址：存储单元的编号 字编址：对存储单元按字编址 字节编址：对存储单元按字节编址

寻址：由地址寻找数据，从对应地址的存储单元中访存数据。

存储器采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。以存储体(大量存储单元组成的阵列)为核心，加上必要的地址译码、读写控制电路，即为存储集成电路;再加上必要的I/O接口和一些额外的电路如存取策略管理，则形成存储芯片。存储芯片再与控制芯片(负责复杂的存取控制、存储管理、加密、与其他器件的配合等)及时钟、电源等必要的组件集成在电路板上构成整机，就是一个存储产品，如U盘。从存储单元(晶体管阵列)到存储集成电路再到存储设备，都是为了实现信息的存储，区别是层次的不同。存储器采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。构成存储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

存储器根据不同的分类条件具有多种分类方式，根据用途的不同可以分为内存(主存储器)和外存(辅助存储器);根据存储介质的不同可分为磁表面存储器和半导体存储器;根据存储方式的不同可分为顺序存储器和随机存储器;根据读写功能的不同可分为RAM(随机读写存储器)和ROM(只读存储器);根据数据保存时间长短可分为永久记忆性存储器和非永久记忆性存储器。本报告将主要把存储器分为内存与外存讨论。

内存，是与CPU经内总线连接的存储器。它用来存放当前正在执行的数据和程序，因此内存也被称为主存。但它仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

内存的主要组成部分是随机存储器（RAM），RAM中的数据存取可以随机进行，可以在任何时候对其存储单元读写数据。由于RAM是一个没有实物形式的具有存储功能的电路，因RAM中的数据会因为断电而消失，这体现了其数据的易失性。正如其他精细的集成电路，RAM对环境的静电荷非常敏感。静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。故此触碰RAM前，应先用手触摸金属接地。另外，RAM具有一个重要特性——需要刷新（再生）。现代的RAM

依赖电容器存储数据。根据保持数据的方式不同， RAM分为静态RAM和动态RAM。静态RAM(SRAM)，静态存储单元是在静态触发器的基础上附加门控管而构成的。因此，它是靠触发器的自保功能存储数据的。动态RAM(DRAM),动态RAM的存储矩阵由动态MOS存储单元组成。动态MOS存储单元利用MOS管的栅极电容来存储信息，电容器充满电后代表1，未充电的代表0。由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷。因此DRAM内部要有刷新控制电路，其操作也比静态RAM复杂。需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。电脑的内存条就是由多片RAM芯片制作在一个条形电路板上而成，它可以从主板的内存插槽上插入或拔下，使得内存容量具有扩展性。

另一种内存是只读存储器（ROM），其中的数据只能被读出，而不能写入，因此断电后其存储数据也不会丢失。ROM也有很多种，如可编程只读存储器（PROM），一般可编程一次。PROM存储器出厂时各个存储单元皆为1，或皆为0。用户使用时，再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。PROM需要用电和光照的方法来编写与存放的程序和信息。但仅仅只能编写一次，第一次写入的信息就被永久性地保存起来。例如，双极性PROM有两种结构：一种是熔丝烧断型，一种

是PN结击穿型。它们只能进行一次性改写，一旦编程完毕，其内容便是永久性的。由于可靠性差，又是一次性编程，目前较少使用。还有一种可编程可擦除只读存储器（EPROM）可多次编程。这是一种便于用户根据需要来写入，并能把已写入的内容擦去后再改写，即是一种多次改写的ROM。由于能够改写，因此能对写入的信息进行校正，在修改错误后再重新写入。擦除远存储内容的方法可以采用以下方法：电的方法（称电可改写ROM）或用紫外线照射的方法（称光可改写ROM）。光可改写ROM可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。

外储存器（简称外存）是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。

硬盘是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。硬盘有固态硬盘（SSD 盘，新式硬盘）、机械硬盘（HDD 传统硬盘）、混合硬盘（HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘）。SSD采用闪存颗粒来存储，HDD采用磁性碟片来存储，混合硬盘(HHD)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。容量、转速、数据传输速率等是考量一个硬盘好坏的主要参数。软盘是个人计算机中最早使用的

可移介质。软盘的读写是通过软盘驱动器完成的。

软盘驱动器设计能接收可移动式软盘，目前常用的就是容量为1.44MB的3.5英寸软盘。软盘存取速度慢，容量也小，但可装可卸、携带方便。作为一种可移贮存方法，它是用于那些需要被物理移动的小文件的理想选择。

光盘是以光信息作为存储的载体并用来存储数据的一种物品。分不可擦写光盘和可擦写光盘。光盘是利用激光原理进行读、写的设备，是迅速发展的一种辅助存储器。

U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，也叫“移动硬盘”使用USB接口进行连接。USB接口就连到电脑的主机后，U盘的资料就可放到电脑上了。电脑上的数据也可以放到U盘上，很方便。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”或形象的称之为“闪存”“闪盘”等。计算机把二进制数字信号转为复合二进制数字信号读写到U盘芯片适配接口，通过芯片处理信号分配给EPROM2存储芯片的相应地址存储二进制数据，实现数据的存储。EPROM2数据存储器，其控制原理是电压控制栅晶体管的电压高低值，栅晶体管的结电容可长时间保存电压值，也就是为什么U盘在断电后能保存数据的原因。

总而言之，内存与外存于计算机而言无比重要，没有存储器的计算机将会永远处于“失忆”状态，而无法为人类工作。

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