存储器及其容量-计算机应用基础

存储器（Memory）是存储程序和数据的部件，可以自动完成程序或数据的存取，是计算机系统中的记忆设备。存储器分为内部存储器（又称内存、主存）和外部存储器（又称外存、辅存）两大类。

内存中的数据能够被CPU直接访问。冯·诺依曼体系结构计算机五大部件中的存储器，指的就是内部存储器。逻辑上，CPU与内存一起组成计算机的主机，即“主机=CPU+内存”。

外存本质上属于冯·诺依曼计算机五大部件中的输入和输出设备。外存中的数据不能被CPU直接访问，必须先由输入控制器将其内容读入内存。

1.内存

内存是用来存储数据和程序的记忆装置，计算机中的全部信息，包括数据、程序、指令，以及运算的中间结果和最终结果都要存放在存储器中。

内存包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）和高速缓冲存储器（Cache）。

1）随机存取存储器（RAM）

人们通常所说的计算机内存容量均指RAM存储器容量，即计算机的主存。RAM有两个特点：读写性和易失性。

（1）读写性。RAM既可以执行读取操作，从中获取数据；也可以执行写入操作，将数据存储到RAM中。读取操作时，不破坏内存已有的内容；写入操作时，指定位置原来已有的内容将消失。

（2）易失性。即电源断开时，RAM中的内容立即丢失。因此，在计算机中进行工作时（如文字排版工作），必须执行“保存”操作，将内存中的内容存入外存（硬盘）中，才可关机，否则，工作内容将会丢失。

RAM可分为SRAM（Static RAM，静态随机存储器）和DRAM（Dynamic RAM，动态随机存储器）两种。计算机内存条采用的是DRAM，如图1-19所示。

图1-19　内存条（DRAM）

DRAM中“动态”的含义是指每隔一个时间（约5 μs）必须对存储信息刷新一次。因为DRAM是用电容来存储信息的，由于电容存在漏电现象，存储的信息不可能永远保持不变，为了解决这个问题，需要设计一个额外电路对内存进行不断地刷新。DRAM具有结构简单、集成度高、功耗低、成本较低等优点。SRAM是用触发器的状态来存储信息，只要电源正常供电，触发器就能稳定地存储信息，无须刷新，所以SRAM的存取速度比DRAM快。但SRAM存在结构复杂、集成度低、功耗大、价格贵等缺点。

2）只读存储器（ROM）

ROM中的内容只允许被读取，不允许写入。ROM中存放的信息一般由计算机厂商写入并经固化处理，用户无法修改。与RAM不同，即使断电，ROM中的信息也不会丢失。因此，ROM中一般存放计算机中与硬件有关的配置程序和数据，如基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS）等。

根据是否可擦除及擦除方式，ROM包括可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦可编程只读存储器等几种类型。

（1）可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）。

PROM可实现对ROM的写操作，但只能写一次。其内部有行列式的锫丝，视需要利用电流将其烧断，写入所需信息。

（2）可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM，EPROM）。

EPROM可实现数据的反复擦写。使用时，利用高电压将信息编程写入，擦除时将线路曝光于紫外线下，则信息被清空。EPROM通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。

（3）电可擦可编程只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM）。

EEPROM可实现数据的反复擦写。其使用原理类似EPROM，只是擦除方式是使用高电场完成，因此不需要透明窗曝光。

3）高速缓冲存储器（Cache）

高速缓冲存储器是为了解决CPU和内存速度不匹配，提高存储器速度而设计的。Cache一般用SRAM存储芯片实现，因为SRAM比DRAM存取速度快。

Cache产生的理论依据是局部性原理。局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

Cache中通常存放CPU最经常访问的指令和数据。根据局部性原理，当CPU存取某一内存单元时，计算机硬件根据一定的算法，自动地将包括该单元在内的临近单元内容调入Cache。这样，CPU存取信息时，可先从Cache中进行查找。若有，即命中，则将信息直接传送给CPU；若无，即未命中，再从内存中查找，同时把含有该信息的整个数据块从内存复制到Cache中。可见，Cache越大、命中率越高，CPU执行效率越快。可以采用各种Cache替换算法来提高Cache命中率。

4）内存储器的性能指标

存储器的主要性能指标有两个：容量和速度。

（1）存储容量。

存储容量指存储器包含的存储单元总数，这一概念反映了存储空间的大小。目前常用的DDR3内存条，单条存储容量一般为2 GB、4 GB或8 GB。

（2）存取速度。

存取速度一般用存储周期（读写周期）来表示。存取周期指连续启动两次独立的“读”或“写”操作（如连续的两次“读”操作）所需的最短时间。半导体存储器的存取周期一般为60～100ns。

2.外存

随着信息技术的发展，信息处理的数据量越来越大。而内存的容量小，且具有易失性，因此，要持久地保存信息必须使用外存。相对于内存，外存具有容量大、价格低、断电后数据不丢失等特点。常见的外存有硬盘、闪存盘和光盘等。

1）硬　盘

硬盘（Hard Disk）根据电磁学原理，使得磁性材料被磁化时有两种极性来记录二进制信息。硬盘是微型机上主要的外部存储设备，由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。硬盘具有容量大、存取速度快等优点，操作系统、可运行的程序文件和用户的数据文件一般都保存在硬盘上。

（1）内部结构。

硬盘内部结构如图1-20所示。硬盘内部包含一个或多个盘片，用来存放数据。这些盘片被安装在一个主轴上，工作时一起旋转。硬盘的每个盘片有上下两个盘面，每个盘面被划分为磁道和扇区。磁盘的读写物理单位是按扇区进行读写。硬盘的每个盘面有一个读写磁头，所有磁头保持同步工作状态，即在任何时刻，所有的磁头都保持在不同盘面的同一磁道。硬盘读写数据时，磁头与磁盘表面始终保持一个很小的间隙，实现非接触式读写。维持这种微小的间隙，靠的不是驱动器的控制电路，而是硬盘高速旋转时带动的气流。由于磁头很轻，硬盘旋转时，气流将始终使磁头漂浮在磁盘表面。(www.xing528.com)

硬盘是一种高精密的机电一体设备，使用时不可剧烈振动，更不要在日常环境中拆开硬盘。

（2）硬盘容量。

硬盘的容量是由四个参数决定：磁头数H（Heads）、柱面数C（Cylinders）、每磁道扇区数S（Sectors）和每扇区字节数B（Bytes），如图1-21所示。将以上四个参数相乘，乘积就是硬盘容量，即

硬盘总容量=磁头数（H）×柱面数（C）×磁道扇区数（S）×每扇区字节数（B）

目前市场上主流的硬盘容量有320 GB、500 GB、1 TB、2 TB甚至更高。

图1-20　硬盘内部结构

图1-21　硬盘的逻辑结构

（3）硬盘接口。

硬盘与主板的连接部分就是硬盘接口，常见的有ATA（Advanced Technology Attachment，高级技术附件）、SATA（Serial ATA，串行高级技术附件）和SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）。SCSI接口的硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。目前，市场主流硬盘接口为SATA，也有一些较旧的计算机仍然使用ATA接口，如图1-22所示。

硬盘接口的性能指标主要是传输率，也就是硬盘支持的外部传输速率。传统的ATA接口采用40脚并口数据线与主板上的IDE接口连接，如图1-22（a）所示，接口最大速度为133 MB/s。ATA并口线的抗干扰性太差，故其逐渐被SATA取代。SATA又称串口硬盘，它采用串行连接方式，传输率为150 Mb/s，如图1-22（b）所示。SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备更强的纠错能力，而且还具有结构简单、支持热插拔等优点。目前最新的SATA标准是SATA3.O，传输率为6 Gb/s。SCSI是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低及支持热插拔等优点。

图1-22　硬盘常用接口

（4）硬盘转速。

硬盘转速指硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内旋转的最大转数。转速在很大程度上直接影响硬盘速度。硬盘转速单位为RPM（Revolutions Per Minute，转每分钟）。

普通硬盘转速一般有5 400 RPM和7 200 RPM两种。其中，台式机以7 200 RPM高转速硬盘为主，笔记本式计算机则以5 400 RPM为主。虽然已经发布了7 200 RPM的笔记本硬盘，但由于噪声和散热等问题，尚未广泛使用。服务器中使用的SCSI硬盘转速大多为10 000 RPM，最快为15 000 RPM，性能远超普通机器。

2）快闪存储器

快闪存储器（Flash Memory）简称闪存，是一种新型非易失性半导体存储器。闪存具备RAM存储器速度快的优点，又具备硬盘永久存储的特性。闪存的缺点主要表现在读写速度较慢、擦写次数有限。

闪存不能像RAM一样按字节读写，而是按区块读写的，区块的大小为8～128KB不等。闪存的擦写次数非常有限，闪存的控制器会自动标记每个区块的擦写次数，从而在写入数据时，自动优先选择擦写次较少的区块，以优化整个设备的使用寿命。

闪存设备一般使用USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口。目前的计算机都配有USB接口，在Windows XP及更高版本的操作系统下，无须安装驱动程序，即可通过USB接口即插即用，使用非常方便。

影响闪存设备速度的因素包括USB接口版本及闪存本身的读写速度。USB接口的版本有USB 1.1（12 Mb/s）、USB 2.0（480 Mb/s）和USB 3.0（5.0 Gb/s）三种。闪存在速度方面有着很大的差别，以SD卡为例，标记Class 2的写入速度不低于2 MB/s，而标记Class 10的写入速度不低于10 MB/s，当然，它们的价格有很大的差异。

使用闪存的外存种类较多，包括U盘、固态硬盘（SSD）、闪存卡（SD卡、TF卡、MMC卡、SM卡等）等，如图1-23所示。事实上，智能手机也使用闪存作为主要外存。

图1-23　部分常用闪存设备

3）光　盘

光盘（Optical Disc）是以光信息作为存储物的载体来存储数据的一种物品。

光盘通常分为CD（Compact Disk）、DVD（Digital Versatile Disc）和BD（Blu-ray Disc，蓝光光盘）三大类。光盘需要使用光盘驱动器来读写，一般高级光盘驱动器能兼容低级光盘，如DVD驱动器上可以读写CD光盘。市场上常见的光盘主要是CD和DVD。

根据光盘是否允许擦写，可将光盘分为只读光盘、可记录光盘和可擦写光盘。只读光盘包括CD-ROM、DVD-ROM；可记录光盘包括CD-R（CD-Recordable）、DVD-R；可擦写光盘包括CD-RW（CD-ReWritable）、DVD-RW。

只读光盘CD-ROM或DVD-ROM是用一张母盘压制而成，上面的数据只能被读取而不能被写入或修改。记录在母盘上的数据呈螺旋状，由中心向外散开，盘中的信息存储在螺旋形光道中。光道内部排列着一个个蚀刻的“凹陷”，这些“凹坑”和“平地”用来记录二进制0和1。读CD-ROM上的数据时，利用激光束扫描光盘，根据激光在小坑上的反射变化得到数字信息。

可记录光盘CD-R或DVD-R的特点是只能写一次，写完后的数据无法被改写，但可以被多次读取，可用于重要数据的长期保存。在刻录CD-R盘片时，刻录光驱使用大功率激光照射盘片的染料层，通过染料层发生的化学变化，产生“凹坑”和“平地”两种状态，用来记录二进制0和1。由于这种变化是不可逆的，所以CD-R和DVD-R只允许写入一次。

可擦写光盘CD-RW或DVD-RW盘片上镀有用银、铟、硒或碲材质形成的记录层，这种材质能够呈现出结晶和非结晶两种状态，用来表示数字信息0和1。可擦写光盘的刻录原理与可记录光盘大致相同，通过激光束的照射，材质可以在结晶和非结晶两种状态之间相互转换，这种晶体材料的互换，形成了信息的写入和擦除，从而达到可重复擦除的目的。

光盘的参数指标包括容量和倍速。

（1）光盘容量。

CD容量约为650～700MB；DVD单层容量为4.7 GB；蓝光光盘单层容量25 GB，16层BD容量高达400 GB。

（2）光盘倍速。

衡量光盘驱动器传输速率的指标叫倍速。驱动器上标注的类似“24x”的字样，即为该光驱的倍速。CD光驱的读取速度以150 KB/s数据传输率的单倍速为基准；DVD光驱的基准传输率为1 358 KB/s。例如，52倍速CD光驱的读取速度为150KB/s×52=7800KB/s≈7.6MB/s；24倍速的DVD光驱的读取速度为1358 KB/s×24=32 592 KB/s≈30MB/s。

光盘具有存储密度大、价格低廉、适合长久保存等优点，但也存在容易损坏、不方便携带等缺点。随着U盘的广泛使用，以及网络速度的提高，光盘已很少被使用。但在数据备份方面，使用光盘一直是很多企业的首选方案。