存储器大揭秘:从原理到分类,一文解锁存储黑科技

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在微电子领域的不断探索进程中,新型存储技术的研发始终是推动行业发展的关键力量。如今,新型 3D 异质集成存储器件的出现,正为下一代微电子发展注入强大动力。在这个数字化的时代,存储器作为承载数据与程序的核心部件,其重要性不容小觑。它如同电子设备的 “记忆中枢”,默默地存储着程序和各种数据信息,支撑着各类电子设备的稳定运行。存储器主要分为主存储器(简称主存或内存)和辅助存储器(简称辅存或外存),接下来,让我们深入了解存储器的工作原理、性能特点等方面的知识。
 
存储器
 
存储器的基本构成单元是存储单元,这是构成存储器的核心存储介质。每一个存储单元都能存储一个二进制代码,它们由若干存储元组成。众多存储单元汇聚在一起,构建起了庞大的存储器。在这个存储器的 “大家庭” 里,每个存储单元可以存放一个字节,并且每个单元都被赋予了独一无二的编号,也就是地址,通常采用十六进制表示。存储容量作为衡量存储器能力的重要指标,代表着一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和。比如,当一个存储器的地址码由 20 位二进制数(即 5 位十六进制数)构成时,它能够表示 2 的 20 次方,也就是 1M 个存储单元地址,若每个单元存放一个字节,那么该存储器的存储容量就是 1MB。
 
存储器的工作原理复杂而精妙。以主存为例,它的工作方式是按照存储单元的地址进行各类信息的存放或读取,这一过程统称为访问存储器。主存中汇聚存储单元的载体被称作存储体,存储体里的每个单元都能容纳一串用二进制码表示的信息,这些信息的总位数就是一个存储单元的字长。存储单元的地址如同固定的门牌号,始终不变,而其中存储的信息却可以像房间里的物品一样随时更换。在寻找特定单元时,首先要给出对应的地址码,专门暂存这个地址码的寄存器就是存储器地址寄存器(MAR)。同时,为了能够存放从主存存储单元取出的信息,或者准备存入某存储单元的信息,还需要设置一个存储器数据寄存器。
 
衡量存储器性能的指标丰富多样。存储容量是指其可存储信息的字节数或比特数,通常用 “存储字数(单元数)× 存储字长(每单元的比特数)” 的格式表示,像 1Mb 就可以表示为 1M×1bit、128k×8bit 等多种形式。存取时间(访问时间)TA,是从存储器接收到读 / 写命令,到信息被成功读出或写入完成所需的时间,它主要取决于存储介质的物理特性和寻址部件的结构。例如,ROM 的存取时间一般在几百 ns,RAM 则通常在几十 ns 到一百多 ns,双极性 RAM 的存取时间最短,大约为 10 - 20ns。存储周期 TM 指的是在存储器连续读 / 写过程中,一次完整存取操作所需的时间,或者说是 CPU 连续两次访问存储器的最小时间间隔,由于有些存储器在完成读 / 写操作后还存在附加动作时间或恢复时间,比如刷新或重写时,所以 TM 会略大于 TA。此外,可靠性和平均故障时间间隔时间(MTBF)也是重要指标,它表示两次故障之间的平均时间间隔,像 EPROM 的重写次数在数千到 10 万次之间,ROM 的数据保存时限则长达 20 年到 100 多年。同时,性能价格比也是衡量存储器的关键因素,人们总是期望存储器能够具备高性能和低价格的双重优势。
 
在存储器的大家族中,只读存储器和随机存储器是最为常见的两种类型,它们在作用和特点上有着明显的区别。只读存储器主要负责完成系统的加电自检、各功能模块的初始化、基本输入/输出的驱动程序以及引导操作系统等重要任务。而随机存储器则是与 CPU 直接交换数据的内部存储器,它读写速度极快,常常作为操作系统或其他正在运行程序的临时数据存储介质。从特点上看,RAM 具有易挥发性,一旦掉电就会导致数据丢失;而 ROM 通常是固化存储器,具有一次写入、反复读取的特性,其特点与 RAM 恰好相反。ROM 又可以细分为一次性固化、光擦除和电擦除重写三种类型。打个比方,如果突然停电或者未保存就关闭文件,ROM 能够保留之前未储存的文件,而 RAM 则会让这些文件消失不见。随机存储器主要分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM),SRAM 依靠触发器的自保功能存储数据,而 DRAM 的存储矩阵由动态 MOS 存储单元组成,利用 MOS 管的栅极电容存储信息,但由于栅极电容容量小且漏电流不为 0,所以需要定时补充电荷以避免信息丢失。只读存储器的种类也十分丰富,包括只能读取资料的 ROM,它在制造过程中通过特制光罩将资料烧录于线路中,常用于电脑开机启动;还有可编程只读存储器 PROM,一般可编程一次,用户可根据需求写入所需数据。
 
随着科技的飞速发展,存储器技术也在不断革新。从早期简单的存储设备到如今高性能、大容量的存储器,它见证了电子技术的巨大进步。未来,存储器还将朝着更高性能、更大容量、更低功耗的方向发展,继续为我们的数字生活提供强大的支持。在这个信息爆炸的时代,存储器作为信息的承载者,其重要性不言而喻,它将持续推动着电子世界的发展,为我们创造更多的可能。
 
关键词:存储器
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