存储器的原理及其应用

1、目 录 摘要1关键词1Abstract1Keywords11 存储器的介绍12 存储器的原理及分类22.1 存储器的原理22.2 存储器的分类33 存储器的应用以及研究现状64 存储器的发展前景7参考文献9存储器的原理及其应用姓名：刘 奇 学号：20095040111单位：物理电子工程学院 专业：物理学指导教师：阎海龙 职称：副教授摘 要: 存储器是计算机的记忆设备，主要用来存放计算机进行信息处理后的程序和数据，所以存储器应该具备将数据从存储器中取出和从CPU寄存器写入到存储器的功能。存储器分为内存储器和外存储器两大类，细节的分类又包括多种，并且随着科技的发展，其性能和应用也越来越广泛。关键词

2、: 存储器，原理，分类，应用The principle and applications of memoryAbstract： Memory is the computer's memory equipment, mainly used for storing information processing, computer programs and data. So the number of memory should have removed from storage data and data from the CPU internal registers written to

3、 memory function. Memory into memory and external storage in two categories, including the classification and include a variety of details. With the development of science and technology, the properties and application of will be more and more widely. Keywords: Memory, principle, classification, app

4、lication1 存储器的介绍存储器（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。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。正是由于存储器是计算机的记忆设备，主要用来存放计算机进行信息处

5、理后的程序和数据，所以存储器应该具备数的“读取”(将数据从存储器中取出)和“写入”(将数据从CPU内部寄存器写入到存储器)功能。存储器分为内存储器(简称内存)和外存储器(简称外存)两大类。中央处理器(CPU)只能直接访问存储在内存中的数据。外存中的数据只有先调入内存后，才能被中央处理器访问和处理。2 存储器的原理及分类2.1 存储器的原理半导体存储器是一种通用型LSI，主要用来存放大量的二值信息，它是数字系统不可缺少的组成部分。图1-1是存储器的基本原理图，一只存储器有很多个存储单元，每个存储单元可存储l位或多位二进制数(0或1)，把数据存入存储器称为写入，从存储器中取出数据称为读出。图 1-

6、1 存储器的基本原理在众多的存储单元中选择某一单元的过程称为寻址。在任何时刻，只能对存储器中的一个单元进行写入或读出操作。为了寻址方便，在存储器中设有一套为选择地址用的地址译码电路。图1-1所示是一个有64个存储单元的存储器的地址结构，称为地址线，它又分为两组，其中称为行地址线，称为列地址线。行地址线经3线-8线译码器译码后得到8根水平方向的输出线，称为行选择线。同样，列地址线经译码后得到8根列选择线。行、列选择线组成了一个地址选择阵列，共64个交点。安排在每个交点上的存储单元，则可按照不同的行、列地址来操作，进行相应的写入或读出。例如下面的计算操作：,选中的将是存储器中用带有“三角形符号”的

7、那个单元。用这种方法寻址的存储器其寻址范围均为2的幂次方，即有N根地址线，便有 个存储单元。因存储器的容量一般都很大，为了便于记忆，令 ，这样，有10根地址线的存储器，其寻址范围就是1K。其余可由此类推。 2.2 存储器的分类存储器(Memory)分为两大类：一类是设在主机的内部存储器(简称内存)，也叫主存储器，用于存放当前运行的程序和程序所需的数据，属于临时存储器；另一类是属于计算机外部设备的存储器，叫外部存储器(简称外存)，也叫辅助存储器，属于永久性存储器，存放暂时不用的数据和程序，当需要某一程序或数据时，首先调入内存，然后再运行。一个二进制位(Bit)是构成存储器的最小单位。实际上，存储

8、器是由许许多多个二进制位的线性排列构成的。为了存取到指定位置的数据，通常将8位二进制位组成一个存储单元，称为字节(Byte)，并给每个字节编上一个号码，称为地址(Address)。内存储器主机板上的存储器称为内存储器，由半导体器件组成，具有容量小、功耗低、体积小、存取速度快的特点。按其工作方式不同，内存储器可分为随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)。随机存储器随机存储器的特点是既可以随机读出信息，也可以向内写入信息，随机读（写）任一单元的时间相同，断电后，信息全部丢失。随机存储器可分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)两种。静态随机存储器，采用双极型或MOS型双稳态电

9、路作为存储元件。只要不断电，信息就可以常期保存。其优点是存取速度快，不需要刷新，工作状态稳定；其缺点是集成度较低、价格昂贵。它主要用于高速缓冲存储器。高速缓存(Cache)，由高速RAM即SRAM组成，它介于CPU和内存之间(也可集成在CPU内部)，起一个缓冲的作用，以解决高速的CPU和低速的DRAM之间的矛盾。每次CPU要从内存中读(写)一个数据时，总是先查看数据是否已在Cache中存在，若已在Cache中就直接从Cache读、写，这样就提高了CPU的运算速度。动态随机存储器，采用MOS电路和电容作为存储元件。由于电容会放电，所以信息不能长期保存，必须在信息丢失之前，周期性地刷新以补充释放的

10、电荷。其优点是集成度高、功耗低、价格便宜；其缺点是存储速度慢、需要刷新。它主要用于大容量内存储器。只读存储器只读存储器的特点是存储的信息只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。只读存储器分为掩膜ROM、PROM、EPROM和EEPROM(E2PROM)。ROM：由生产厂家采用掩膜技术将程序和数据直接固定到上面，出厂后用户只能读取不能改写。PROM：PROM称为可编程只读存储器。它允许用户一次性地写入程序和数据，一经写入后，内容不能更改。EPROM：EPROM称为可擦除可编程只读存储器。它允许用户多次写入信息，用户只需通过紫外线照射EPROM，将其原来的信息擦除，就可以再次输入新信息。E2PRO

11、M：E2PROM称为电擦除可编程只读存储器。其性能与EPROM相同，但擦除的方式不同，它使用电擦除原有信息。外存储器与内存相比，外存储器的特点是存储量大、价格较低，而且在断电的情况下也可以长期保存信息，所以，又称为永久性存储器，但其存取速度较慢。在微型计算机中，最常用的外存有软盘、硬盘、光盘和磁带等。(1)软盘存储器微型计算机上常用的软盘片有5.25英寸盘和3.5英寸盘两种。它们分别又有双面双密和双面高密之分。目前，5.25英寸盘已被淘汰，3.5英寸盘使用较广泛，但它也逐步被优盘所取代。3.5英寸盘每边长3.5英寸，厚约2 mm，封装在一个硬塑料壳中，如图2-2所示。双面双密盘容量为720KB

12、，双面高密盘容量为1.44MB。图2-2 3.5英寸软盘正反面示意图中，3.5英寸盘反面右下角的矩形框内有一写保护滑块，当移动滑块使小方框(称为写保护孔)透光时，则磁盘为写保护状态，只能读不能写；反之，关闭小方孔，则为可读可写状态。表2-1列出了两类3.5英寸软盘片的有关参数。表 2-1 3.5英寸软盘的相关参数 图2-2 3.5英寸软盘正反两面示意图外存储器又可分为硬盘存储器，USB移动硬盘，USB优盘，光盘，DVD光盘,下面就对着几种外存储器进行介绍。硬盘存储器通常简称为硬盘(Harddisk)，它在微机外部设备中占有相当重要的地位。硬盘存储系统由硬盘机、硬盘控制器两部分组成。由于硬盘存储

13、器通常采用温彻斯特技术(Winchestertechnology)，故称之为温氏硬盘。它是以一个或多个不可更换的硬盘片作为存储介质，所以有时也称之为固定盘(Fixeddisk)，也有可更换盘片的硬盘。硬盘机又称做硬盘驱动器(Harddiskdrive)，HDD为了完成读(写)功能，硬盘存储器由主轴系统、磁头驱动定位系统、数据转换系统、空气净化系统、接口和控制系统组成。硬盘机的性能指标有盘径(有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸及1.8英寸等数种)、接口类型、磁头数、柱面数、每磁道扇区数、数据传输率、磁盘转速、电源和重量等。由于每扇区的大小为512B，根据以上各项指标即可计算出硬盘的容量，总容

14、量公式为：总容量=512×磁头数×柱面数×每磁道扇区数。硬盘存储器的存储特性与软盘存储器的存储特性相似，同属于磁表面存储器，只是容量不同而已。目前，硬盘容量已达到20250GB，转速也有5400 r/min(转/分钟)和7200 r/min两种，且7200 r/min已成为主流设备。随着多媒体技术的不断应用，有越来越多的图像、音频、动画和视频文件需要保存和交流，而这类文件一般都非常庞大，传统的软盘片不能满足需求。于是USB移动硬盘就应运而生。IJSB移动硬盘的优点是体积小、重量轻，一般重量的2009左右；容量大，一般在1080GB之间；存取速度快，USBi.1标准

15、接口的传输率是12MB/s，而USB2.0的传输率为480MB/s；可以通过USB接口即插即用，当前的计算机都配有USB接口，在Windows2000及以上的操作系统下，无需驱动程序，可以直接热插拔，使用非常方便。USB优盘又称为拇指盘。它是利用闪存(Flashmemory)在断电后还能保持存储的数据不丢失的特点而制成的，其优点是重量轻、体积小，一般只有拇指大小，重量为15309；通过计算机的USB接口即插即用，使用方便；容量从16MB2GB不等。优盘有基本型、增强型和加密型3种。基本型只提供一般的读(写)功能，价格是最低的；增强型是在基本型上增加了系统启动等功能，可以替代软驱启动系统；加密型

16、提供了文件加密和数据保护功能，价格最初较贵，但现在已逐步取代软盘片。光盘是一种新型的大容量辅助存储器，呈圆盘状，与磁盘类似，需要有光盘驱动器配合使用。但它不是用电磁转换的机制，而是用光学的方式进行，其大小在650MB左右。根据性能的不同，可将光盘分为3类。不同种类的光盘，存储原理也有所不同。第一类是只读型光盘CDROM(Compactdiskreadonlymemory)。这类光盘与ROM类似，即光盘中的数据是由生产厂家预先写入的，用户只能读取而无法修改其中的数据。这类光盘目前已在微型计算机中广泛应用。第二类是一次性写入光盘CDR(Writeoncereadmanytimes)。这类光盘用户可

17、以写入，但只能写入一次。一旦写入，可多次读取。第三类是可擦除型光盘CDWR。其存储功能与磁盘相似，用户可以多次对其进行读(写)操作。光盘的特点是：存储容量大，价格低；不怕磁性干扰，记录密度高，也更可靠；存取速度快，目前主流光驱为50倍速和52倍速，传输速率150KB/s为单倍速。例如：50倍速光驱的传输速率为50×150KB/s=7500KB/s。 DVD光盘与CD光盘大小相同，但它的存储密度高，一面光盘可以分单层或双层存储信息，一张光盘有两面，最多可以有4层存储空间，所以存储容量极大。120 mm的单面单层DVD盘片的容量为4.7GB。DVD光盘驱动器的一倍速为135KB/s。类似

18、CD光盘，DVD也分DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、DVD-Video和DVD-Audio等5类，前3类分别与CD-ROM、CD-R和CD-WR相对应，应用于微型计算机上。3 存储器的应用以及研究现状ROM的应用十分广泛，归纳起来主要有以下三方面：(1)用于存储固定的程序在个人电脑中，ROM用来存储启动程序，上电后计算机首先执行启动程序，将操作系统软件由硬盘调入内存。在以单片机为控制核心的各种数字化仪器中，ROM用来存储监控程序及仪器的专用程序，使仪器具有智能化功能。(2)用于存储固定的数据表格在数学运算中为了加快运算速度，常将某变量的函数例如三角函数、对数函数等先造一个表，预先写

19、入ROM中。工作时，只要将变量作为地址读取ROM，则从该地址中读出的内容就是这个变量的函数值，这称为查表法(100 Kuptable)。(3)用于产生波形如果在ROM中预先写入各种波形的数据，例如正弦波、三角波、方波、阶梯波等，用一个二进制计数器为ROM提供地址，ROM的输出数据经D/A转换器转换为模拟信号，再经低通滤波器，就可以得到相应的波形。例如将一片EPROM 2716中写入一定的数据，采用如图2-3所示电路，振荡器产生的连续脉冲信号作为计数器的时钟输入，计数器由3片4位二进制计数器74LSl63组成12位的同步计数器，计数器的低11位输出作为EPROM的地址。这样，EPROM就可以反复

20、输出其存储的数据，在示波器上就可以观察到一个三角波形。如果在EPROM中存入人体心电数据，就成为医疗行业中常用的心电信号发生器，即示波器图2-3用EPROM构成的波形发生电路。图2-3 用EPROM构成的波形发生电路RAM主要的应用场合是计算机系统，例如个人电脑中的内存用的就是动态RAM。因为动态RAM需要刷新逻辑电路，所以在数字化仪器仪表的单片机系统中，大都采用静态RAM。 目前，相变存储器（PCRAM）最具广阔的应用前景，Intel、三星、ST、Renesas和NXP等大公司自加入PCRAM的研发阵营后，取得了显著成果，同时也为开发PCRAM的测试芯片而努力着。2005年3月Elpida公

21、司从Ovonyx公司购买了PCRAM的许可权；Philips(现NXP)公司于2005年4月在NatureMaterials上发表了其采用相变材料纳米线作为存储关键材料的存储器结果；2005年5月IBM、Infineon和中国台湾旺宏公司宣布进行PCRAM技术的联合开发；三星公司于2006年9月宣布制备出512Mb的PCRAM芯片测试样品，这也是目前已经问世的最大容量的PCRAM测试样片，并准备在不远的未来将PCRAM全面推向市场。4 存储器的发展前景如今，PCRAM的总体发展趋势是半导体知名公司投巨资推进其产业化，其发展速度前所未有。目前国际上PCRAM的研究重点集中在减小器件的操作电流、高密度器件阵列的制造工艺和高密度下器件的稳定性与可靠性问题等。与国外半导体公司相比，阁内因工艺条件和资金的劣势，在PCRAM方面的研究还存在较大差距，但可喜的是随着SMIC研发团队的加入，与中国科学院上海微系统与信息技术研究所以及其他闷内高校一同合作，PCRAM芯片的开发也取得了令人瞩目的进展。相信，在不久的将来，崛起的中国一定能在PCRAM的竞争中获得一席之地!国内，PCRAM的研究热潮也纷至沓来，其中以中国科学