计算机存储器的种类及特点

在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存）。

外存通常是磁表面储存器（软磁盘、硬磁盘）、光表面储存器（光盘，包括CD、DVD等）、半导体储存器（U盘）等，能长期保存信息，并且不依赖于电源来保存信息，但是多由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢得多。

内存指的就是主板上的存储部件，是CPU直接与之沟通，存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序。从一有计算机开始，就有内存。内存发展到今天也经历了很多次的技术改进，从最早的DRAM一直到FPMDRAM、EDODRAM、SDRAM、DDRRAM等，内存的速度一直在提高且容量也在不断地增加。

计算机工作时，一般先由内存ROM中的引导程序启动本身的系统，再从外存中读取系统程序和应用程序送到内存RAM中。在程序运行过程中，中间结果一般放在内存RAM中，程序结束时，又将最后结果送入外存。保存在外存中的程序和数据随时可以被调入内存再次运行或者被修改。

因为内存可由CPU直接访问，再加上内存由快速存储器件来构成，所以内存的存取速度很快。但是，内存空间的大小受到CPU的地址总线位数的限制。比如，在16位微型机系统中，地址总线的宽度是20位（即CPU有20根地址线），所以，最大的直接寻址空间为2²⁰个字节，即内存最大容量是1MB。32位地址总线的微型机系统中，直接寻址空间为2³²个字节，即内存最大容量是4GB。

基于内存的快速存取和容量受限制的特点，内存被用来存放系统软件、系统参数和当前正在运行的应用软件和数据。系统软件中有一部分软件，如系统引导程序、监控程序以及操作系统中的基本输入输出部分（BIOS），时刻都在被使用，它们必须常驻内存，更多的系统软件和应用软件则在用到时才传送到内存，比如，不用时通常放在硬盘中。整个内存区域由ROM和RAM两部分组成，但是，通常RAM的容量要大得多，所以，一般说的内存主要是指RAM，而对于PC，内存主要指主板上的内存条。

在通用计算机中离不开各种存储器，在针式打印机中同样也需要有关种类的存储器件。一般分为输入数据缓冲存储器、中间数据缓冲存储器、监控程序存储器、西文和汉字字符点阵存储器（字库）等多种。

其中ROM主要用来存储针打管理程序、字库，不加汉字库时容量一般在10KB以上，加上汉字库后容量更大。

RAM则主要作为打印机接收主机信息数据缓冲区，一部分在针打加电初始化后存储来自ROM的字符集，另一部分在程序执行中供动态参数交换使用。不同针打的RAM是不同的，汉字针打的RAM一般在几十KB左右，而非汉字针打的RAM一般只有1KB左右。

1.外存

外存也是用来存储各种信息的，但是，CPU不能直接访问外存，CPU要使用这些信息时，必须通过专门的机制将信息先传送到内存中，如硬盘、光盘、磁带等。因此，外存存放相对来说不经常使用的程序和数据，另外，外存总是和某个外部设备相关的。

传统外存多为磁记录，大多数磁记录设备应用的磁记录介质是磁带，而绝大部分磁带是将磁粉涂布在塑料带基上而制成。最常用的磁粉是针状γFe₂O₃，其次有Fe₃O₄、CrO₂、Co-γFe₂O₃、金属或合金磁粉。此外尚有以电镀、蒸发、溅射等工艺制成的金属或合金磁性薄膜磁带。

磁鼓和磁盘也都是电子计算机外部存储器件，具有很大的存储容量和较短的存取时间。

磁鼓是一个金属圆筒，磁记录介质位于筒的表面，工作时该筒高速旋转。紧靠圆筒表面设有一组固定的磁头，进行记录和读出。

磁盘是一种表面镀有或涂布有磁记录介质的圆形薄片。工作时，圆盘高速旋转。磁头位于磁盘表面，可径向运动，以便在磁盘表面的任意位置进行记录和读出。磁盘有软盘和硬盘两种。

磁心存储器是用具有矩形磁滞回线的铁氧体材料制成的微小型磁环，它有两个稳定的剩磁状态，可分别代表二进位中的“1”与“0”。它的特点是不需要功率来维持剩磁状态，写入和读出方便、快速，并可由许多记忆元件组合成三维矩阵，即所谓磁心存储器。它作为内存储器，曾在计算机的发展初期起过非常重要的作用，但由于很难进一步缩小体积，自20世纪70年代开始逐步被大规模集成电路的半导体存储器所代替。

磁泡是一种圆柱形磁畴。在一些磁性薄膜中，磁参数与厚度符合一定关系，磁化轴垂直于膜面，若无外加磁场，则磁性薄膜中存在蜿蜒曲折的条形磁畴。如在垂直于薄膜的方向加上磁化场，这种条形磁畴就会收缩。当磁场达到一定强度时，条形磁畴会收缩成圆柱状，即所谓磁泡或泡畴。在梯度磁场作用下，磁泡将在材料中运动。若以磁泡的有无表示二进位的“1”与“0”，并在磁泡薄膜面上蒸镀各种电路和磁路，且将旋转磁场加于膜面，就能控制磁泡的产生、传输、分裂以至检测和消失，从而完成信息的存储、读出、逻辑运算等功能。利用这种磁泡特性可以制造各种功能的磁泡器件，磁泡存储器即是一例。磁泡存储器与磁鼓、磁盘等外存相比，具有存取速度快、存储密度高，已达到微秒级的存取速度和每片兆位级的存储容量，并具有体积小、功耗低、无机械运动部分、工作可靠、结构简单等优点。但由于工艺复杂、成本高，尚不能大量推广应用。但已在具有特殊要求的场合得到应用，应用范围正不断扩大，但在速度方面尚不能满足内存的要求。常用的磁泡材料有正铁氧体、石榴石型铁氧体、磁铅石型铁氧体及非晶态Gd-Co、Gd-Fe薄膜，其中应用最广的是外延石榴石复合铁氧体薄膜。

除了上述的磁记录外存，现在还广泛使用光盘（CD、DVD）、MO、Flash存储器等多种现代外存设备。

2.RAM

RAM（Random Access Memory，随机存储器）的特点是存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

RAM具有如下的一些特点：

1）随机存取：所谓“随机存取”是指当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。相对的，读取或写入顺序访问（Sequential Access）存储设备中的信息时，其所需要的时间与位置就会有关系（如磁带）。

2）易失性：当电源关闭时，RAM不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入一个长期的存储设备中（例如硬盘）。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会。

3）高访问速度：现代的RAM几乎是所有访问设备中写入和读取速度最快的，取存延迟和其他涉及机械运作的存储设备相比，也显得微不足道。

4）需要刷新：现代的RAM依赖电容器存储数据。电容器充满电后代表1（二进制），未充电代表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。需要刷新正好解释了RAM的易失性。

5）对静电敏感：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。

按照存储信息的不同，RAM又分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（DynamicRAM，DRAM）两种。

在RAM中，根据器件生产工艺的不同，又可以分为双极型（Bipolar）RAM和MOSRAM两大类，后者又分互补MOS（Complementary MOS，CMOS）和高密度MOS（High Density MOS，HMOS）等类型。用前一类技术制造的器件速度快，但功耗大、价格高；用后一类技术制造的器件功耗非常低，但速度较慢，不过随着工艺的提高和改进，此类器件的速度也在不断提高。

双极型RAM具有如下一些特点：

1）存取速度快。

2）以双极型晶体管的触发器作为基本存储电路，故管子较多。

3）集成度较低（与MOSRAM相比）。

4）功耗大。

5）成本高。

所以，双极型RAM主要用在速度要求较高的微型机中或作为Cache（高速缓冲存储器）使用。

用MOS器件构成的RAM，又可分为SRAM和DRAM两种。

（1）SRAM

SRAM是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而DRAM每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积。

SRAM具有如下一些特点：

1）由6管构成的触发器作为基本存储电路。

2）集成度高于双极型RAM，但低于动态RAM。

3）不需要刷新，故可省去刷新电路。

4）功耗比双极型的低，但比DRAM高。

5）易于用电池作为后备电源。

6）存取速度较DRAM快。

（2）DRAM

DRAM是最为常见的系统内存。DRAM只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（Refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。(www.xing528.com)

DRAM具有如下一些特点：

1）基本存储电路由单管电路组成（靠电容存储电荷，通常有电荷表示1）。

2）集成度高。

3）比SRAM的功耗更低。

4）价格比SRAM便宜。

5）因为DRAM靠电容来存储信息，总是存在着泄漏电流，所以需要定时刷新。典型的是要求每隔1ms刷新一次。

3.ROM

按照不同的技术，ROM芯片可以细分为PROM（可编程ROM）、EPROM（可擦写可编程ROM）、EEPROM（电可擦可编程ROM）、Mask ROM、Flash ROM（闪存）等多个品种。

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进历史，因为开发新技术的初衷就是为了消除或减弱某种特定存储器产品的不足之处。例如，闪存技术脱胎于EEPROM，它的一个主要用途就是为了取代用于PCBIOS的EEPROM芯片，以便方便地对这种计算机中的BIOS代码进行更新。

尽管目前非挥发性存储器中最先进的就是闪存，但技术却并未就此停步。生产商们正在开发多种新技术，以便使闪存也拥有像DRAM和SDRAM那样的高速、低价、寿命长等特点。总之，存储器技术将会继续发展，以满足不同的应用需求。而在其他非挥发性存储器领域，供应商们正在研究闪存之外的各种技术，以便满足不同应用的需求，未来必将有更多更新的存储器芯片技术不断涌现。

（1）Mask ROM

由半导体厂按照某种固定电路制造的一种ROM。这种ROM适用于批量生产的产品中，成本较低，但不适合在产品开发期间使用。

Mask ROM是一种电路最简单的存储器，通过掩膜工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存在里面（除非坏掉），不能事后进行修改。

（2）PROM

PROM（Programmable Red-Only Memory，可编程只读存储器）只允许写入一次，所以也被称为一次可编程只读存储器（One Time Programming ROM，OTP-ROM）。用户可以用专用的编程器将自己的资料写入，但是这种机会只有一次，一旦写入后也无法修改，若是出了错误，已写入的芯片只能报废。

PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0（部分的PROM在出厂时数据全为0，则用户可以将其中的部分单元写入1），以实现对其“编程”的目的。

PROM的典型产品是“双极性熔丝结构”，如果想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。

另外一类经典的PROM为使用“肖特基二极管”的PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态，还是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即可。

PROM的特性和MaskROM相同，但是其成本比ROM高，而且写入资料的速度比ROM的量产速度要慢，一般只适用于少量需求的场合或ROM量产前的验证。

（3）EPROM

EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦写可编程只读存储器）的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端，但是缺点是需要使用紫外线照射一定的时间后才能擦除原来的存储内容。

EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据。

EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（一般峰值电压为12～24V，随不同的芯片型号而定）。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。

（4）EEPROM

EEPROM或E²PROM（Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，电可擦可编程只读存储器），是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。

EPROM的擦除不需要借助于其他设备，它是以电子信号来修改其内容的，而且是以Byte为最小修改单位，不必将资料全部洗掉才能写入，彻底摆脱了EPROM擦除器和编程器的束缚。EPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，它属于双电压芯片。

EEPROM的擦写次数大于1万次，数据可保存10年以上。电擦写的EEPROM与紫外光擦除的EPROM相比，使用起来更加方便。但相对于读出操作来说，擦写所用的时间还是比较长的，完成一个字节的擦写约需10ms左右。

早期EEPROM产品一般需要外接+20V左右的高压电源才能擦写，但目前很多产品已将电压提升电路集成到了片内，所以只需单一的+5V电源即可。

为了方便擦写，各种EEPROM芯片提供了不同的方法。例如，有些芯片有字节擦除和整片擦除两种擦除方式（EPROM只能整片擦除）；有些芯片具有状态输出引端RDY/BUSY，通过它，CPU可查询擦写过程是否完成，或者用完成信号来引起CPU的中断；有些芯片具有页缓冲功能，编程时，可向片内缓冲器连续写入1页数据（16个字节），然后由芯片来自动完成1页的擦写，其费时与字节擦写差不多。

当前EEPROM有两类产品：一类是并行传送数据，称为并行EEPROM，这类芯片具有较高的传送速率，如Intel的2817A（2K×8位）；另一类是串行传送数据，称为串行EEPROM，这类芯片只用少数几个引脚来传送地址和数据，使引脚数、芯片体积和功耗大为减少，如AT24C16（2K×8位）。AT24C16只有8个引脚，支持I²C串行接口总线标准。

（5）Flash ROM

Flash ROM则属于真正的单电压芯片，在使用上很类似EPROM，因此，有些书籍上便把Flash ROM作为EPROM的一种。事实上，两者还是有差别的。

Flash ROM在擦除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资料时，并非以Byte为基本单位，而是以Sector（又称Block）为最小单位，Sector的大小随厂商的不同而有所不同；只有在写入时，才以Byte为最小单位写入。

Flash ROM芯片的读和写操作都是在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即可方便地修改其内容；Flash ROM的存储容量普遍大于EPROM，约为512kbit～8Mbit，由于大批量生产，价格也比较合适，很适合用来存放程序代码，近年来已逐渐取代了EPROM。

4.参数

（1）存储容量

对于制造商，一般用总的位容量来描述存储容量，如某存储芯片的容量是512Mbit，对于用户，一般用“存储单元数×每个单元的存储位数”来表示容量，如某存储芯片的容量128KB，即表示该芯片有128×1024个存储单元，每个存储单元是一个字节（即8个二进制位）。在设计存储系统时，选用单片容量较大的存储芯片，不仅可减小电路板的面积，而且还可使系统工作更加可靠，简化译码、驱动电路。

（2）存取速度

一般可以用下面的两个参数描述存取速度。

1）存取时间（Access Time，TA）：指从存取命令发出到操作完成所经历的时间。

2）存取周期（Access Cycle Time，TAC）：指两次存储器访问所允许的最小时间间隔。因为该时间包括了数据存取的准备和稳定时间，所以，TAC比TA稍大。该参数常常表示为读周期TRC或写周期TWC，而TAC是它们的统称。

存储器的存取速度必须和CPU的总线时序相匹配。一般来说，CPU的工作速度要比存储器的快。如果存储器的存取速度跟不上CPU的时序，就要在CPU的总线周期中插入等待周期，以延长CPU的读写操作时间，导致CPU工作效率降低。

（3）功耗

存储器的功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率，该功率由“维持功率”和“操作功率”两部分组成。“维持功率”是指存储芯片未被选中工作时所消耗的电能。“操作功率”是指存储芯片被选中工作时所消耗的电能。

一般来讲，半导体存储器的功耗与其存取速度有关，速度越快功耗越大。CMOS能够很好地满足低功耗要求。但CMOS器件容量较小，并且速度慢。用高密度金属氧化物半导体（HMOS）技术制造的存储器件在速度、功耗、器件容量方面得到了很好的折中。