存储器：计算机的 “记忆中枢”，一文读懂其奥秘与发展
存储器：计算机的 “记忆中枢”，一文读懂其奥秘与发展
在现代计算机系统中，存储器无疑占据着举足轻重的地位，堪称计算机的 “记忆中枢”。从我们日常使用的个人电脑，到复杂精密的大型服务器，存储器始终默默记录着程序和数据，为计算机的高效运行提供坚实支撑。无论是运行办公软件、浏览网页，还是畅玩大型游戏，背后都离不开存储器的强大功能。而当下，一项突破性创新 —— 新型 3D 异质集成存储器件正崭露头角，助力下一代微电子发展。今天，就让我们深入探索存储器的世界，揭开其神秘面纱。
存储器的分类方式多样，依据存储介质、存储方式以及在计算机中的作用，可进行细致划分。从速度、容量和价格等性能指标综合考量，其呈现出独特的层次结构。主存储器，简称主存，作为计算机硬件的关键部件，肩负着存放指令和数据的重任，且能被中央处理器（CPU）直接随机存取。主存由 MAR（存储器地址寄存器）和 MDR（存储器数据寄存器）协同工作，MAR 负责寻址操作，访问存储单元时，需历经地址译码、驱动等电路；MDR 则承担数据读入写出操作，读出时经读出放大器，写入时借助写入电路。主存中的存储单元被赋予唯一地址，地址分配还涉及字节顺序的大端模式和小端模式。存储容量和存储速度是主存的主要技术指标。
半导体存储芯片有着独特的基本结构，译码驱动能将地址总线的信号转化为存储单元的选择信号，配合读 / 写电路完成操作。地址线单向输入，数据线双向传输，其位数与芯片容量紧密相关。译码驱动方式分为线选法和重合法，线选法每个存储单元由独特地址线组合选中，适用于存储容量小或对速度要求高的场景；重合法复用地址线，在高密度存储器设计中更为常见。
随机存取存储器（RAM）包括静态 RAM（SRAM）和动态 RAM（DRAM）。SRAM 以触发器寄存代码，读写操作依靠行、列开关控制，速度快但成本高、集成度低，常用于缓存。DRAM 则利用电容存储电荷寄存信息，有三管 MOS 和单管 MOS 等基本单元电路。三管 MOS 读出时预充电，根据电容电荷状态判断数据；单管 MOS 读出后需再生。DRAM 刷新与行地址相关，有集中式刷新、分散刷新和异步刷新等方式。集中式刷新存在死区，分散刷新无死区，异步刷新则结合二者优点。与 SRAM 相比，DRAM 集成度高、功耗小、价格低但速度慢，常用于做主存。
只读存储器（ROM）发展历程丰富，从早期厂家写内容的 MROM，到用户可一次性编程的 PROM，再到可多次擦写的 EPROM、电可擦写的 EEPROM，以及闪速型存储器 Flash Memory。掩模 ROM 通过 MOS 管有无决定输出数据；PROM 靠熔丝熔断判断；EPROM 利用紫外线擦除，通过 D 端电压形成浮动栅控制导通；EEPROM 可多次编程，断电保留数据，擦写速度较慢且有擦写周期限制；Flash Memory 则具备快速擦除和编程能力，常用于大容量存储。
存储器与 CPU 连接时，需进行容量扩展，包括位扩展、字扩展和字位扩展。地址线低位与存储芯片相连，高位或用于扩充；数据线数量不同时需扩位；读 / 写命令线直接与芯片控制端相连；合理选择存储芯片类型和数量，ROM 存系统程序，RAM 供用户编程。同时要考虑时序、负载等因素。为保证数据准确，可采用汉明编码校验，通过海明码检错纠错。
为提高访存速度，可采用高速器件、构建 Cache - 主存层次结构，也可调整主存结构。单体多字系统能在一个存取周期取出多条指令，但存在数据读取和存储的复杂性问题；多体并行系统顺序编址主要用于容量扩展，不适合提高带宽；低位交叉编址可提高带宽和访问速度，通过物理地址（体号）和虚拟地址（体内地址）协同工作。
高速缓冲存储器（Cache）旨在避免 CPU 空等，依据程序访问局部性原理工作。主存和缓存按块存储，块大小相同，Cache 通过标记记录主存块号。CPU 访问数据时，若命中则直接读取，未命中则根据情况装入或替换。命中率与 Cache 容量和块长有关，访问效率取决于 Cache 和主存的存取时间。Cache 由存储体、地址映射变换机构和替换机构组成。读写操作有写直达和写回法，Cache 对用户透明。Cache 可改进为片内缓存、片外缓存，依据主存结构和指令执行控制方式选择统一缓存或分立缓存。Cache - 主存地址映射有直接映射、全相联映射和组相联映射。直接映射简单但不灵活，全相联映射灵活但电路复杂，组相联映射则折衷二者。替换算法有先进先出（FIFO）和近期最少使用（LRU），LRU 命中率更高。
辅助存储器用于长期存储大量数据，包括硬磁盘、软磁盘和光盘存储器。硬磁盘利用磁记录技术，由磁盘驱动器、控制器和盘片组成，有固定磁头、移动磁头，可换盘、固定盘等类型。软磁盘存储原理与硬磁盘相似，但速度低、磁头接触盘片、盘片可换且价格低、环境要求不苛刻。光盘存储器采用光学技术，通过激光在光盘表面形成凹槽存储数据，有只读型、只写一次型和可擦写型，存储原理涉及热作用和热磁效应。
存储器作为计算机系统不可或缺的部分，其技术不断革新，从提升存储容量、加快存取速度，到优化能耗和成本，每一次进步都推动着计算机技术的飞速发展。未来，随着科技的持续进步，存储器有望在性能上实现更大突破，为计算机系统的智能化、高效化发展注入源源不断的动力，在更广泛的领域发挥关键作用，深刻改变人们的生活和工作方式。
本文原文来自eefocus.com