操作系统存储器.doc

浅析计算机存储介质发展趋势摘要：本文首先介绍了计算机存储介质的发展史，然后重点分析了当今主流存储介质的存储机理，最后简要介绍了现代存储介质方面的发展状况并提出了未来存储介质的新的发展方向生物材料。关键词： 存储介质、光存储、硬盘存储、闪存技术、蛋白质存储正文：一、 引言人类社会的发展离不开信息的传递交流，而这些信息中的大部分需要暂时或永久的记录在某一种合适的存储介质上。从远古时代将信息记录在石头上，到纸张的发明，信息存储介质的发展是比较缓慢的，从第二次世界大战期间照相缩微片的使用，到现今磁带、磁盘、光盘等存储介质在计算机领域的广泛使用，存储介质进入了一个极速发展的时期。当今社会是一个信息大爆炸的社会，据统计，人类一天产生的信息量为8兆亿万个字节，随着这种趋势的不断加剧，这也给计算机存储介质提出了更高的要求。二、计算机存储介质发展史 1 盘式磁带在20世纪50年代，IBM公司最早把盘式磁带用在数据存储上。由于其一卷磁带可以代替1万张打孔纸卡，于是它马上获得了成功，到80年代为止都是最常用的计算机存储介质。而随着超高密度磁带存储技术的实现，磁带的存储容量已经达到了TB级。2盒式录音磁带盒式录音磁带飞利浦公司在1963年发明的，可是直到70年代才开始流行开来。盒式录音磁带属于盘式磁带的一种，但由于其在随身听上的广泛应用，成为人们最熟悉的存储介质之一。早期一些计算机，如ZX Spectrum,Commodore 64和Amstrad CPC使用它来存储数据。一盘90分钟的录音磁带，在每一面（记得录音磁带是可以翻面的吗）可以存储700KB到1M的数据。但是由于其存储容量极小等缺点，盒式录音磁带已逐渐从人们的生活中消失。3. 磁鼓 1953年，第一台磁鼓应用于IBM701，它是作为内存储器使用的。磁鼓利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据。鼓筒旋转速度较高，存取速度快。其最大的缺点是利用率较差，一个大圆柱体只有表面一层用于存储。因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了，但磁鼓从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质，却为磁盘存储器打下了坚实的基础。4磁盘从存储机理上划分，磁盘分为软盘和硬盘。4.1软盘1967年 IBM公司推出世界上第一张软盘，直径32英寸； 1971年Alan Shugart推出一种直径8英寸的表面涂有金属氧化物的塑料材质的磁盘，被称为标准软盘的鼻祖，容量仅为81KB；后来索尼公司又推出了3.5英寸盘，在20世纪90年代，3.5英寸/1.44MB的软盘为最主流的移动数据传输介质之一。但随着U盘和光盘的大量使用，软盘逐渐退出了历史舞台。4.2硬盘1956年，IBM公司推出了IBM 350 RAMAC，相当于两个冰箱的体积，但其储存容量仅有5MB。1973年IBM 3340问世，具有两个30MB的储存单元，硬盘的基本架构被确立；20世纪80年代末，IBM公司推出MR（Magneto Resistive磁阻）技术使磁头灵敏度大幅提升，使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi（bit/每平方英寸）提高了数十倍，该技术为硬盘容量的巨大提升奠定了基础，1991年，IBM应用该技术推出了首款3.5英寸的1GB硬盘；1970年到1991年，硬盘盘片的储存密度进入了高速增长的时期，得益于IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技术的实现，磁头灵敏度进一步提升，进而大大提高了储存密度；2007年1月，日立推出全球首只1TB的硬盘，而希捷公司于2009年推出了2.5TB的硬盘，而硬盘速度的提高依然在继续。5移动存储当今移动移动存储主要有光盘、移动硬盘和SD卡（SD卡在PC机中应用较少）等。5.1光盘光盘技术出现于1958年，但直到1972年才出现第一张视频光盘；1982年，CD出现，其存储容量为700MB；1991年第一张磁光盘开始发行，具有体积小，容量大的优点，但价格比较昂贵，一般仅用于大型机构；之后出现的红外激光DVD和蓝光DVD光盘容量大大提高，双层蓝光光盘达到了50GB；InPhase Technologies推出容量为300GB的全息光盘(HVD)，由于价格较高，目前仅用于政府机构和大型企业。不久前，美国Call/Recall公司宣布，它们已经成功开发并测试了TB级光盘，并且已经加入产品设计以及生产范围的讨论。5.2 U盘20世纪90年代末，中国的朗科公司发明了USB闪存盘，即U盘，当今U盘的最高传输速度为20MB40MB每秒，而在存储容量上，金士顿公司已研制出了容量高达256GB的闪存盘。U盘的主要优点是小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠，其出现大大提高了人们的办公效率。二、主流存储介质机理分析当今主流存储介质主要包括硬盘、光盘和半导体存储器，本文将对这三种存储介质存储机理进行简要介绍与分析。1硬盘存储技术1.1硬盘存储的系统结构现代典型的硬盘存储系统内部结构如图一所示，覆盖磁性材料的一组盘片以一定的间隔叠装在转轴上，而与其记录表面等数目的读写磁头固定在梳状读写臂上。在音圈电机的驱动下，读写臂可以绕自己的固定轴旋转，带动所有的磁头沿盘片的径向方向移动，以此来完成对不同位置数据的读写任务。读写动作、数据的串并转换均及缓存是在内部电路的控制下进行。硬盘存储技术中直接和存储密度有关的是盘片技术和磁头技术。 1.2盘片技术硬盘中承载数据的载体是记录盘片，记录盘片由一层磁性薄膜和盘基组成。盘基一般由铝合金材料或易加工的玻璃制成，主要用作防止盘片在高速旋转时产生的变形或振动。盘片表面的磁性记录介质的性能是影响磁盘发展的关键性因素，当代的记录介质一般采用磁控溅射方法制作成多层薄膜结构，如图二所示。该记录介质层具有附着性好、耐磨以及磁性层薄且均匀的特点，使存储密度有了很大的提高。1.3磁头技术在硬盘存储技术中，磁头技术队存储密度的影响是最大的，硬盘技术的发展也主要体现在磁头技术的进步上。通过磁头线圈中通入一定方向和大小的电流，从而形成磁化单元，电流方向不同，磁化方向也就不同，一个方向规定为“0”，另一个方向规定为“1”，以此来记录数据。当记录介质在磁头下迅速通过时，不同磁化方向感应出不同方向的电压，对感应电压进行放大和整形，就可以读出“0”和“1”。当今的硬盘磁头主要采用气浮磁头技术，巧妙地利用空气动力学原理从根本上解决了磁头飞行高度的控制问题，进而提高了数据的存取速度和存储密度，该技术至今仍是硬盘存储系统的关键技术之一，其工作原理如图三所示。飞行磁头利用空气动力学原理，随着盘片的高速旋转，在盘面上形成一层随盘片而旋转的空气流，气流产生升力使磁头滑块悬浮浮在空气流之上。该技术使气浮飞行磁头具有自动平衡能力，飞行时能自动跟随盘面的不平和振动，从而保证磁头到盘面距离稳定，而且通过改变盘的旋转速度以及加载在滑块上的压力大小可以方便调节磁头的飞行高度，因此该技术可以说从根本上解决了磁头飞行高度控制问题，使获得稳定的、更小的头盘距离成为可能。随着存储面密度的不断提高，存储介质上的磁化单元越来越小，提高相应磁头读出灵敏度可以保持高的读出信噪比，人们利用磁致电阻效应（Magneto Resistive，简称MR）开饭出磁阻磁头及巨磁阻磁头(GMR Head)。硬盘存储技术以其较高的存储密度、超大的存储容量以及相对比较快的存取速度一直占据着计算机外存储器的绝对优势地位，而且随着移动硬盘的出现，这种地位在短期内不会改变。2光盘存储技术2.1光盘存储系统结构光盘存储系统结构如图四所示，系统的核心模块由存储数据盘片及其旋转驱动机构、读写数据光学头组件以及控制和接口的系统电路三部分组成，总体结构与硬盘系统比较类似，不同的是存储介质变成了光学介质，数据的读写机构由飞行磁头变成光学头。系统工作时，由半导体激光器发出的激光束经光学系统聚焦于光盘盘片的记录层，处于记录状态时，半导体激光器光功率输出较大，焦点处大的激光功率密度使得一记录介质的反射率发生变化，形成信息点；处于读出状态时，半导体激光器的输出较小，当其焦点在记录道上扫描时，由于记录点反射特性与其余位置反射特性的差异，检测反射光功率的变化即可读出已存储信息。由于信息读写使用的是光学系统，因此光盘存储系统单从机械结构上说比硬盘存储系统要复杂，但由于光学系统是非接触式读写，光学头距离光盘盘片距离远，盘片被设计为可换式的，因而光盘系统具有好的移动存储性能。2.2盘片技术光盘盘片从存储功能上分为三种：只读型（Read Only Memory，ROM）、一次写入多次型（Write Once Read Many，WORM）以及可擦重写型（Rewriteable，RW）。对于只读型盘片，用户只能读出光盘上已记录的各种信息，但不能修改或写人新的信息。光盘由专业化工厂生产。光盘上以凹坑的形式，存储着容量很大的预先录制好的视频、声频或数字信息。WORM型与RW型盘片从结构上很类似，区别在于二者的记录材料不同。对于WORM型盘片，其记录材料在聚焦激光束的光、热效应下发生不可逆的物理或化学变化，使得该处光反射能力与没发生变化位置的反射能力不同，从而在记录层上形成明暗反差记录点。由于记录材料发生的是不可逆变化，因此信息写入盘片后无法擦除。对于RW型光盘片，其记录材料使用具有可逆相变能力的相变合金，这种材料在一定激光加热条件下可以在对光反射能力不同的晶态和非晶态之间发生可逆相变，因此记录在这种材料上的信息具有可改写的能力。光盘存储技术中数据以长度调制的凹坑或反射差异点的形式记录，这些记录点沿切向排列形成数据记录轨迹，轨迹从光盘内圈开始以等间距螺线形沿光盘径向排列，如图五以及如图六，对于可刻录型光盘，记录轨迹在盘基伺服器用预刻槽内部。2.3光学头技术光盘具有存储密度高、盘片可以更换、没有磨损等诸多优点、究其根源，是因为它是从离信息记录面远的地方，以非接触方式用聚焦成微米级的光点进行信息的记录与读出。也就是说，光盘的优点是通过光学读写头(以下简称光学头)实现的。光学头是光盘装置的关键部件，在性能和价格上都占有重要位置。光学头相当于磁盘驱动器的磁头，光盘信息的记录与提取是靠光学头来实现的。光学头具有如下功能：第一，将来自激光光源的光束变成亚微米光斑，并使之精确聚焦在光盘信息面上，以用于记录和读取信息；第二，根据从盘上反射的光学信号进行聚焦及信道定位反馈控制。因而光学头除了要有激光光源、聚焦透镜和光电探测器外，为使光斑准确定位在光盘记录信息的信道上，消除在运行中由于光盘本身以及旋转机械系统因跳动、偏心等引起的误差，还必须有检测目标位置偏移的手段和使光点自动跟踪的伺服机构，即光学头自动调焦、跟踪伺服系统。2.4磁光盘系统在可擦重写光存储记录介质的研究中，结合磁存储技术的优点，人们开发出一种磁光存储介质及其存储技术，即磁光盘存储技术。该技术实质上是一种可擦重写光存储技术，是磁记录与光记录技术的结合，其驱动器及盘片与光存储系统极其类似，只是由于其在数据写入时需要外加磁场的作用，并且数据读出是通过检测磁光存储介质对入射偏振光的克尔旋转角度的方式工作，其工作原理与CD和DVD系统有较大差别，但由于原理及其复杂，本文不再赘述，可参见参考文献（1）。光盘存储技术与其他存储技术相比有其独特优点，主要体现在以下方面：第一，信息记录面密度高，存储容量大。第二，非接触式写入和读出信息，抗损伤和防尘能力强。第三，复制简单且成本低廉，正是基于这一特点，现代的许多刊物、媒体、音像制品等产品均以ROM光盘的形式出版。第四，信息记录时间长，较之磁存储系统，光存储可以提供更长的数据保存时间。第五，相比于其他存储系统，信息位的价格更低。3半导体存储技术早期的半导体技术主要集中在半导体动态存储器方面，即我们熟知的计算机的内存。半导体动态存储器的存储密度高、容量大、读写速度快，但存储的数据必须不断刷新，且掉电后存储器内信息将全部丢失，因此这种器件不适合数据的脱机保存。但静态半导体存储器（非易失性半导体存储器Non-Volatile Memory）的出现为半导体器件脱机保存数据提供了可能。掩膜只读存储器(Masked Read-only Memory)是最早出现的静态半导体存储器是，它适合于应用在代码数据不变，要求数据不挥发以及寿命长的场合，其数据数工厂生产时已经固化在其中的。后来出现了可编程半导体存储器（PROM），之后又出现了电编程存储器（EPROM），EPROM的数据只能一次性全部擦除。其后出现的电擦除编程存储器（Electrieally Erasable and Programmable ROM）可以在现场每次一个字节地被删除和重新写入，并且可以进行10000次擦写周期。以上这几种半导体静态存储器由于其固有的特点使得其不适于作大容量、低成本的数据存储，但他们的应用使人们充分认识到半导体存储技术用于数据存储的优点及潜力。首先，半导体存储器是固态体存储技术，靠半导体器件的电子状态变化写入和读出信息，它没有运动的机械结构，因此其数据具有存取速度快、抗振动、无噪音、功耗小以及体积小、可靠性高等优点。其次，半导体制造工艺的飞速发展及技术进步使低成本制作出高密度、大容量的半导体存储器成为可能。1988年Intel公司开发出一种快闪存储器（Flash Memory）技术，它是EPROM技术与EEPROM技术的有机结合，不仅具有EEPROM电可擦出的特点，而且结构简单、密度高。90年代中期，像CF（Compact Flash）卡、SmartMedia卡等基于闪存存储器的闪存卡面世。这种闪速存储器的特点是内部存储单元采用逻辑或(NOR)结构，每个存储单元可单独寻址以进行数据读写，因此其存储密度还不是很高，同时由于半导体工艺技术的特点使得闪速存储卡的单位存储价格还十分昂贵，闪速存储器的这一缺点使得其在整个九十年代只在少量昂贵的数码影像产品方面获得初应用。1999年日本东芝提出逻辑与(NAND)闪速存储器结构，在该结构中，很多存储单元串连在一起，寻址时只能以串连的组为单位，读写以一次一组数据的页面形式进行。如图七，这种结构与NOR型闪存不同，虽然失去了逐个单元读写的能力，却大大简化了寻址控制逻辑，降低了半导体器件空间拓扑结构的复杂程度，有利于更高密度的制作存储单元。单位晶片面积上制作出更高容量的存储器有利于降低成本，因此NAND型闪存的出现大大降低了闪速存储器的单位存储价格，而且其页面形式的数据读写使其有利于数据文件的快速读写，因此，NAND型闪速存储器技术很快得到推广，使得半导体数据存储器件以较低的价格得以普及。现代U盘的发展离不开NAND闪存芯片的应用，半导体存储器件的优点在U盘中被充分展现出来，其小巧、大容量、使用寿命长、数据可靠性高、存取速度快的优点使之成为当今使用最广泛的存储介质之一。三、主流存储介质展望3.1硬盘在主流存储领域优势短期不可动摇硬盘经过50多年的发展，在信息存储领域中占据重要的地位，并且在未来数据存储中还将占有重要地位。传输速度上，接口从传统的IDE转向SATA，最终Serial ATA 3.0将实现600MB/s的最高数据传输率。在主流市场上，采用垂直记录技术的硬盘容量已经达到了TB级，新技术的出现保证了HDD充满活力。3.11晶格磁介质记录技