存储器论文.doc

学 号： 课 程 论 文课程名称计算机科学导论学 院计算机科学与技术学院专 业软件工程班 级卓越1101姓 名指导教师宋 华 珠20112012学年 第1学期课程论文评阅表学号0121110680131班级卓越1101姓名课程名称计算机科学导论论文题目存储器浅谈评阅点评分依据得分论点对存储器的历史了解正确、对现状及未来的展望有一定新意论据根据多方文献资料内容较充分翔实论证论证较严谨、思路较清晰、符合逻辑、有一定说服力，引文准确结构结构合理、符合逻辑、层次分明深度和广度有自主的见解，对问题的分析比较深入全面规范化格式完全符合规范，字数在完全符合要求总 分 教师签名： 存储器浅谈摘要：简述了存储器的由汞延迟线、磁带、磁鼓、磁芯、磁盘、光盘到纳米存储的7个发展阶段，在其间存储器的各个方面性能的进步，以及在云计算和物联网技术中存储器的应用和存储器的发展前景。关键词：存储器、容量、速度1存储器 存储器是计算机系统中的记忆设备，其功能是存储程序和数据。计算机中的全部信息，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。（1）主存储器主存储器是计算机硬件的一个重要部件，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器直接随机存取，只能临时存放数据。主存储器是按地址存放信息的，存取速度一般与地址无关。与辅存储器相比存储速度快。（2）辅存储器 辅存储器是可长期保存数据的部件。目前普遍的辅存储器有磁盘、光盘、磁带等。辅存储器读写速度慢，但理论上拥有无限的数据存储容量。2存储器的发展历史（1）汞延迟线汞在常温下为液态，同时又有导电的特性。用机械波波峰（1）和波谷（2）表示数据，当机械波从汞柱一端开始，一定厚度的熔融太金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，并由传感器将信息反馈到起点，利用汞获取并延迟了数据，实现了存储。这种汞延迟线存储器被应用于EDVAC世界上第一台具有存储功能的计算机，但由于环境条件的限制，这种存储方式受各种环境因素影响而不精确。图1延迟线存储器（2）磁带 磁带存储器是以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，是计算机的一种辅助存储器。磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。磁带存储器以顺序方式存取数据。存储数据的磁带可脱机保存和互换读出。1951年，由埃克特设计的第一台通用计算机UNIVACI就是采用的磁带存储器。磁带是所有存储器发展中单位存储信息成本最低、容量最大、标准化最高的常用存储介质之一。由磁带机和磁带结合的磁带库其存储容量可以达到PB。在网络系统中，磁带库通过SAN系统可形成网络存储系统，是大型网络应用的良好存储设备。图2带存储器（3）磁鼓1932年，奥地利的Gustav Tauschek发明了磁鼓存储器。磁鼓存储器是利用高速旋旋转的圆柱体磁性表面作记录媒体的存储设备。磁鼓存储器在50至60年代用作计算机的主要外存储器。它利用电磁感应原理进行数字信息的写入与读出，由作为信息载体的磁鼓筒，磁头，读写及译码电路和控制电路等主要部分组成。磁鼓筒是一个高速旋转的精密非磁性材料圆柱，其外表面涂敷一层极薄的磁性记录媒体。作为电磁转换器的磁头与鼓筒表面保持微小而恒定的间隙(0.02以下)并沿鼓筒轴线均匀排列，在电子电路的控制下进行信息的写入和读出。50年代中期，磁鼓存储器的容量已经有10KB，但它最大的缺点就是利用率不高。磁鼓存储器采用饱和磁记录，从固定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，这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。图3鼓存储器（4）磁芯在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁场形式储存下来。 美籍华人王安博士利用这一思想研制的“脉冲传输控制装置于1949年获得了美国专利，开创了磁芯存储器时代。磁芯在导线上流过一定电流下会被磁化或者改变磁化方向，事先可以通过实验和材料的工艺控制得到这个能够让磁芯磁化的电流最小阈值。每个磁芯都有XY互相垂直的两个方向的导线穿过，另外还有一条斜穿的读出线，上面的照片中可以清楚地看到这些线，这些线组成阵列，XY分别做两个不同方向的寻址。磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，这就可以作为0和1的状态来记录数据。通常情况下一个存储器的写入总是比读出要慢，但是磁芯存储器恰恰相反，它是读出比写入慢，因为它的读出是破坏性的，所以读出必须包括一个写入的过程以恢复数据。由于磁化相对来说是永久的，所以在系统电源关闭后，存储的数据仍然保留。磁场能以电子的速度来阅读，这是交互式计算机有了可能。 图4存储器（5）磁盘世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的，其型号为IBM 350 RAMAC。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。1968年，IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件，与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，并采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停，这是现代绝大多数硬盘的原型。1979年，IBM发明了薄膜磁头，进一步减轻了磁头重量，使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。20世纪80年代末期，IBM公司又对存储器设备发展作出一项重大贡献，发明了MR磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此，硬盘容量开始进入了GB数量级。IBM还发明了PRML的信号读取技术，使信号检测的灵敏度大幅度提高，从而可以大幅度提高记录密度。 l 硬盘硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上，是容量、性价比最大的一种存储设备。因而，在计算机的外存储设备中，还没有一种其他的存储设备能够在最近几年中对其统治地位产生挑战。硬盘不仅用于各种计算机和服务器中，在磁盘阵列和各种网络存储系统中，它也是基本的存储单元。值得注意的是，近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域，微硬盘可大显身手。目前尺寸为1英寸的硬盘，存储容量已达4GB，10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。 图5硬盘存储器l 软盘另一种磁盘存储设备是软盘，从早期的8英寸软盘、5.25英寸软盘到3.5英寸软盘，主要为数据交换和小容量备份之用。其中，3.5英寸1.44MB软盘占据计算机的标准配置地位近20年之久，之后出现过24MB、100MB、200MB的高密度过渡性软盘和软驱产品。然而，由于USB接口的闪存出现，软盘作为数据交换和小容量备份的统治地位已经动摇，不久会退出存储器设备发展历史舞台。 图6存储器（6）光盘光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。只读型指光盘上的内容是固定的，不能写入、修改，只能读取其中的内容。读写型则允许人们对光盘内容进行修改，可以抹去原来的内容，写入新的内容。用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。上世纪60年代，荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD）系统。 从LD的诞生至计算机用的CD-ROM，经历了三个阶段，即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。下面简单介绍这三个存储器设备发展阶段性的产品特点。 LD-激光视盘，就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指，模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。CD-DA激光唱盘 LD虽然取得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（Red Book）标准。由此，一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EMF（814位调制）编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是，对干扰和噪声不敏感，由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。CD-DA系统取得成功以后，使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题，即建立适合于计算机读写的盘的数据结构，以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下，由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的核心思想是，盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址，这样一来，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC，错误校正采用里德索洛蒙(Reed Solomon)码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO 9660。 在上世纪80年代中期，光盘存储器设备发展速度非常快，先后推出了WORM光盘、磁光盘（MO）、相变光盘（Phase Change Disk，PCD）等新品种。20世纪90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及，目前已成为计算机的标准存储设备。 图7盘存储器（7）纳米存储1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学成功制备量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。1988年，法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年，采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世，它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过操纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。该小组发表在纳米技术杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；最后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。整个试验研究在室温条件下进行。研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次操纵一批原子进行排列并不容易。更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。这保证了记忆材料的原子级水平。赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。 图8米管存储器3存储器的现状与未来 目前，人们常用的存储器依然是盘、硬盘、光盘等，但存储器以不仅仅作为计算机的存储信息的工具，它被应用于越来越多的技术中。云计算和物联网是现在的热点。云存储是在云计算的概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是指通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。 当云计算系统运算和处理的核心是大量数据的存储和管理时，云计算系统中就需要配置大量的存储设备，那么云计算系统就转变成为一个云存储系统，所以云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。 从目前的形势来看，云计算规模尚小，但发展迅速许多专家认为，云存储、云计算会成为改变IT架构的革命性技术。未来的计算、存储服务，会像“自来水龙头”，“电源插座”一样方便，有专门的企业和人员进行维护，而不必由客户花费庞大的成本进行维护。这是技术进步，社会分工发展的必然结果。这种观念正在越来越多的被人接受。 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。 它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息。在这庞大的信息量的处理和调用中存储器起到了至关重要的作用。 现在存储器大多使用的半导体材料，并且也未存储量始终存在局限性。但伴随新型材料的开发与新的技术的发展，存储器的读写速度将会更快，存储容量更大，甚至近似无限。或许不久的将来，存储器能发展到和互联网一样，所有人共用一个大型的数据库。4小结存储器从诞生到发展至今仅仅止有100多年的历史，但是在各个方面它实现了巨大的突破。现在的存储器小巧，容量大，已经很难让人联想到之前笨重的大型存储设备。存储器技术是一种不断进步的技术，随着各种专门应用不断提出新的要求，新的存储器技术也层出不穷，每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走