存储设备

内存是计算机或任何其他数字系统中的重要部件之一。它用于保存处理和执行任务所需的数据和程序。

内存还会影响数字系统的性能、效率和速度。如今，半导体存储器非常受欢迎，因为它们提供非常高速的运行、大存储容量和紧凑的尺寸。

在这里，我们将解释与半导体存储设备相关的基本到高级概念。

什么是内存?

在数字电子领域，内存是一种用于在数字系统(如计算机和其他基于微处理器的系统)中存储数据和指令的设备。在现代数字系统中，存储器由半导体材料制成，称为半导体存储器。

存储器是计算机或任何其他数字系统中提供存储空间的设备，其中要处理数据并存储处理所需的指令。

存储器被分成大量小部分。每个部分称为存储单元。每个存储单元或位置都分配有一个唯一的地址，该地址从零到总内存大小减一不等。

例如，如果计算机的内存大小为 64 kB，则该内存单元有 64 × 1024 = 65536 个内存位置或单元。因此，这些位置的地址范围从 0 到 65535。

内存分类

内存主要分为两种类型:内部内存和外部内存。

内部内存

内部内存也称为主内存，因为它直接连接到数字系统的硬件架构。它通常以 IC 的形式安装在系统的主板上。

内部内存的示例包括高速缓存、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)等。

外部内存

外部内存也称为辅助内存。该内存不直接连接到系统的硬件架构，而是通过电缆作为外围设备连接。

外部存储器主要用于提供额外的存储空间，以永久存储数据和指令。外部存储器的示例包括 CD、DVD、HDD、SSD、USB 驱动器等。

内存层次结构

内存层次结构被定义为根据数字系统中使用的不同类型内存设备的特性(主要是速度和容量)的排列。内存层次结构可帮助我们选择在特定级别上在系统中使用的合适内存。

下图显示了不同内存设备的典型内存层次结构 −

从上到下，此内存层次结构的一些关键特征 −

• 存储容量增加。
• 每位存储成本降低。
• CPU 访问内存的频率降低。
• CPU 的访问时间增加。

内存的功能框图

内存基本上是一组多个存储单元，具有支持电路来执行数据读/写操作。下图描述了典型存储设备的功能框图 −

它由以下主要部分组成 −

地址线

这些线用于加载特定内存位置或单元的地址。

数据线

这些线用于从内存单元读取数据或将数据写入内存单元。

读写信号 (R/W')

此信号用于从内存单元读取数据或将数据写入内存单元。当 R 信号为高电平时，所选单元的数据将加载到数据线上。当 W' 线变为低电平时，数据线上的数据将加载到所选内存单元中。

芯片选择信号 (CS')

此信号用于启用或禁用内存芯片。它是一个低电平有效信号，这意味着当此信号变为低电平时，内存芯片将启用并允许执行读写操作。否则，内存芯片将被禁用。

与内存操作相关的重要术语

以下是一些与内存读写操作相关的重要术语和定义 −

• 写入周期时间 − 写入周期时间定义为有效单元地址可用于在单元中执行数据写入操作的最短时间。通常，它的数量级为 200 纳秒。
• 写入脉冲时间 − 写入脉冲的最短持续时间称为写入脉冲时间，其数量级为 120 纳秒。
• 写入释放时间 − 写入脉冲之前内存地址有效的最短时间称为写入释放时间。
• 数据设置时间 −写入脉冲结束前数据保持有效的最短时间称为数据设置时间。通常，该时间约为 120 纳秒。
• 数据保持时间 − 写入脉冲结束后数据保持有效的最短时间称为数据保持时间。
• 读取周期时间 − 有效内存地址保持可用于从内存单元读取数据的最短时间称为读取周期时间。通常约为 200 纳秒。
• 访问时间 − 从内存单元访问数据所需的时间称为内存访问时间。它也约为 200 纳秒。
• 读取到输出有效时间 − 读取脉冲启动后启用输出缓冲区所需的最短时间称为读取到输出有效时间。通常，这个时间约为 20 纳秒。
• 读取到输出有效时间 − 读取脉冲开始和数据输出线上有效数据可用之间的最大延迟时间称为"读取到输出有效时间"。

这些是一些关键术语，了解这些术语对于理解存储设备的读写操作必不可少。

存储设备的特性

在本节中，我们将重点研究存储设备的一些关键特性及其定义和重要性 −

存储容量

此参数表示设备的总内存。它通常以可以存储的字节数来表示。例如，1k × 8 位的内存可以存储 1024 × 8 = 8192 字节的数字数据。

数据传输单位

在单个读写周期中可以读取或写入的位数称为数据传输单位。通常，数据传输单位等于处理器数据总线的字长或大小。

访问模式

它指的是数据可以读取或写入内存的方式。数字存储设备使用以下三种模式 −

顺序访问

在此模式下，数据以预定义的顺序方式从内存读取或写入内存。换句话说，要访问第二个文件，我们首先访问第一个文件，要访问第三个文件，首先访问第一个和第二个文件，依此类推。

随机访问

在此模式下，我们可以以任何顺序直接访问任何内存位置。

直接访问

此模式是顺序访问模式和随机访问模式的组合。它也被称为半随机访问模式。

数据传输率

它被定义为一秒钟内读取或写入的数据量。它通常以每秒位数来衡量。数据传输速率称为内存带宽。

内存设备的类型

这里列出并解释了计算机和数字系统中使用的一些重要的内存设备分类。

根据数据存储性质对内存进行分类 −

• 易失性存储器
• 非易失性存储器

根据访问模式对内存进行分类 −

• 顺序存取存储器
• 随机存取存储器

现在，让我们详细讨论所有这些类型的内存及其子类型和特征。

易失性存储器

需要持续供电来维持存储数据的内存类型称为易失性存储器。如果存储器的电源关闭，其中存储的数据将丢失。因此，它也被称为临时存储器。

易失性存储器的属性

当易失性存储器的电源关闭时，其存储的数据将丢失。易失性存储器具有快速的运行速度;因此，它可以在短时间内读取和写入数据。

易失性存储器用于存储需要访问和执行操作的数据。RAM(随机存取存储器)是易失性存储器的一个例子。

非易失性存储器

一种即使在没有电源的情况下也可以保留存储数据的存储器被称为非易失性存储器。它也被称为永久存储器，用于长期存储数字数据。

非易失性存储器的属性

非易失性存储器永久存储数据。即使电源关闭，它也可以保留存储的数据。

非易失性存储器比易失性存储器慢。因此，这种内存具有更长的读写周期。

非易失性存储器的示例包括 ROM(只读存储器)、磁带、光盘、磁盘、USB 驱动器等。

顺序存取存储器

一种以预定义的顺序方式访问存储数据和信息的内存称为顺序存取存储器。

有时，它也被称为串行存取存储器，因为存储的数据是按串行顺序检索的。

在顺序存取存储器中，系统必须从内存地址的开头搜索存储设备，直到找到所需的数据。换句话说，为了检索所需的数据，系统必须访问所有内存地址，直到找到所需的数据。

顺序存取存储器的属性

在顺序存取存储器中，数据检索过程以顺序方式执行。其中，系统从内存的开头开始，并按顺序遍历所有内存地址，直到获得所需的数据。

顺序存取存储器的访问速度较慢，读写时间较长。磁带就是顺序存取存储器的例子。

随机存取存储器

随机存取存储器，也称为直接存取存储器，是一种可以直接访问所需数据的存储器，而无需经过前面的数据。因此，这种存储器允许以任何顺序访问任何数据。

换句话说，直接存取存储器或随机存取存储器能够同时读取或写入任何内存位置的数据。因此，所有存储单元的访问时间相同，并且不依赖于单元在存储阵列内的物理位置。

随机存取存储器的属性

随机存取存储器允许以任何随机顺序访问数据。它提供高速数据访问，即快速读写操作。

随机存取存储器的所有存储位置都可以直接由数字系统的处理元件访问。

随机存取存储器的示例包括 RAM、ROM、硬盘、光盘和其他半导体存储器等。

结论

总之，存储设备是数字系统(如计算机)中用于存储数据和信息的重要组成部分。

不同类型的存储设备用于不同的目的。例如，RAM 等易失性存储器用于保存在处理完成之前所需的临时数据。

另一方面，非易失性存储器用于在较长时间内永久保存数据。例如，硬盘用于在计算机系统中存储用户的数据。