范文一:RAM,ROM,EEPROM存储器工作原理
一.基本工作原理 基本工作原理
1、存储器构造 、 存储器就是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的,也就是说,它存 放的实际上是电平的高、低,而不是我们所习惯认为的 1234 这样的数字,这样,我们的一 个谜团就解开了,计算机也没什么神秘的吗。
图1
图2 让我们看图 1。这是一个存储器的示意图:一个存储器就像一个个的小抽屉,一个小抽 屉里有八个小格子,每个小格子就是用来存放“电荷”的,电荷通过与它相连的电线传进来 或释放掉, 至于电荷在小格子里是怎样存的, 就不用我们操心了, 你可以把电线想象成水管, 小格子里的电荷就像是水,那就好理解了。存储器中的每个小抽屉就是一个放数据的地方, 我们称之为一个“单元” 。 有了这么一个构造,我们就可以开始存放数据了,想要放进一个数据 12,也就是
00001100, 我们只要把第二号和第三号小格子里存满电荷, 而其它小格子里的电荷给放掉就 行了(看图 2) 。可是问题出来了,看图 1,一个存储器有好多单元,线是并联的,在放入电 荷的时候, 会将电荷放入所有的单元中, 而释放电荷的时候, 会把每个单元中的电荷都放掉, 这样的话, 不管存储器有多少个单元, 都只能放同一个数, 这当然不是我们所希望的, 因此, 要在结构上稍作变化,看图 1,在每个单元上有个控制线,我想要把数据放进哪个单元,就 给一个信号这个单元的控制线,这个控制线就把开关打开,这样电荷就可以自由流动了,而 其它单元控制线上没有信号,所以开关不打开,不会受到影响,这样,只要控制不同单元的 控制线,就可以向各单元写入不同的数据了,同样,如果要某个单元中取数据,也只要打开 相应的控制开关就行了。 2、存储器译码 、 那么, 我们怎样来控制各个单元的控制线呢?这个还不简单, 把每个单元的控制线都引 到集成电路的外面不就行了吗?事情可没那么简单,一片 27512 存储器中有 65536 个单元, 把每根线都引出来, 这个集成电路就得有 6 万多个脚?不行, 怎么办?要想法减少线的数量。 我们有一种方法称这为译码,简单介绍一下:一根线可以代表 2 种状态,2 根线可以代表 4 种状态,3 根线可以代表几种,256 种状态又需要几根线代表?8 种,8 根线,所以 65536 种状态我们只需要 16 根线就可以代表了。 3、存储器的选片及总线的概念 、 至此,译码的问题解决了,让我们再来关注另外一个问题。送入每个单元的八根线是用 从什么地方来的呢?它就是从计算机上接过来的, 一般地, 这八根线除了接一个存储器之外, 还要接其它的器件
。这样问题就出来了,这八根线既然不是存储器和计算机之间专用的,如 果总是将某个单元接在这八根线上,就不好了,比如这个存储器单元中的数值是 0FFH 另一 个存储器的单元是 00H,那么这根线到底是处于高电平,还是低电平?岂非要打架看谁历害 了?所以我们要让它们分离。办法当然很简单,当外面的线接到集成电路的引脚进来后,不 直接接到各单元去,中间再加一组开关就行了。平时我们让开关打开着,如果确实是要向这 个存储器中写入数据,或要从存储器中读出数据,再让开关接通就行了。这组开关由三根引 线选择:读控制端、写控制端和片选端。要将数据写入片中,先选中该片, 然后发出写信号, 开关就合上了,并将传过来的数据(电荷)写入片中。如果要读,先选中该片,然后发出读 信号,开关合上,数据就被送出去了。读和写信号同时还接入到另一个存储器,但是由于片 选端不同, 所以虽有读或写信号,但没有片选信号, 所以另一个存储器不会“误会” 而开门, 造成冲突。 那么会不同时选中两片芯片呢?只要是设计好的系统就不会, 因为它是由计算控
制的,而不是我们人来控制的,如果真的出现同时出现选中两片的情况,那就是电路出了故 障了,这不在我们的讨论之列。 从上面的介绍中我们已经看到,用来传递数据的八根线并不是专用的,而是很多器件 大家共用的,所以我们称之为数据总线,总线英文名为 BUS,总即公交车道,谁者可以走。 而十六根地址线也是连在一起的,称之为地址总线。
二.存储器的种类及原理: 存储器的种类及原理: 及原理 1.RAM / ROM 存储器 1.
ROM 和 RAM 指的都是半导体存储器,ROM 是 Read Only Memory 的缩写,RAM 是 Random Access Memory 的缩写。ROM 在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而 RAM 通常都是在 掉电之后就丢失数据,典型的 RAM 就是计算机的内存。
2. RAM
随机存取存储器(RAM)是计算机存储器中最为人熟知的一种。之所以 RAM 被称为“随机 存储”,是因为您可以直接访问任一个存储单元,只要您知道该单元所在记忆行和记忆列的 地址即可。 RAM 有两大类: 1) 静态 RAM(Static RAM / SRAM),SRAM 速度非常快,是目前读写最快的存储设 备了,但是它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如 CPU 的一级缓冲,二级 缓冲。 2) 动态 RAM (Dynamic RAM / DRAM) DRAM 保留数据的时间很短, , 速度也比 SRAM 慢,不过它还是比任何的 ROM 都要快,但从价格上来说 DRAM 相比 SRAM 要便宜很多, 计算机内存就是 DRAM 的。 类似于微处理器, 存储器芯片也是一种由数以百万计的晶体管和电容器
构成的集成电路 (IC)。计算机存储器中最为常见的一种是动态随机存取存储器(DRAM),在 DRAM 中晶体 管和电容器合在一起就构成一个存储单元,代表一个数据位元。电容器保存信息位——0 或 1(有关位的信息,请参见位和字节)。晶体管起到了开关的作用,它能让内存芯片上的控 制线路读取电容上的数据,或改变其状态。 电容器就像一个能够储存电子的小桶。要在存储单元中写入 1,小桶内就充满电子。要 写入 0,小桶就被清空。电容器桶的问题在于它会泄漏。只需大约几毫秒的时间,一个充满 电子的小桶就会漏得一干二净。因此,为了确保动态存储器能正常工作,必须由 CPU 或是由 内存控制器对所有电容不断地进行充电,使它们在电子流失殆尽之前能保持 1 值。为此,内
存控制器会先行读取存储器中的数据, 然后再把数据写回去。 这种刷新操作每秒钟要自动进 行数千次如(图 3 所示)
图 3 动态 RAM 存储单元中的电容器就像是一个漏水的小桶。
它需要定时刷新,否则电子泄漏会使它变为 0 值。
动态 RAM 正是得名于这种刷新操作。 动态 RAM 需要不间断地进行刷新, 否则就会丢失它 所保存的数据。这一刷新动作的缺点就是费时,并且会降低内存速度。
存储单元由硅晶片蚀刻而成,位于由记忆列(位线) 和记忆行(字线) 组成的阵列之中。 位线和字线相交,就形成了存储单元的地址。
图 4 将位元排列在二维栅格中,就构成了内存。 在上图中,红色的存储单元代表 1 值,而白色的存储单元代表 0 值。 在演示动画片中,先选出一个记忆列,然后对记忆行进行充电以将数据写入指定的记忆列中。
DRAM 工作时会向选定的记忆列(CAS)发送电荷,以激活该记忆列上每个位元处的晶体 管。写入数据时,记忆行线路会使电容保持应有状态。读取数据时,由灵敏放大器测定电容 器中的电量水平。如果电量水平大于 50%,就读取 1 值;否则读取 0 值。计数器会跟踪刷新 序列,即记录下哪些行被访问过,以及访问的次序。完成全部工作所需的时间极短,需要以 纳秒(十亿分之一秒)计算。存储器芯片被列为 70 纳秒级的意思是,该芯片读取单个存储 单元并完成再充电总共需要 70 纳秒。 如果没有读写信息的策略作为支持, 存储单元本身是毫无价值的。 所以存储单元拥有一 整套由其他类型的专用电路构成的底层设施。这些电路具有下列功能: 判别记忆行和记忆列的地址(行选址和列选址) 记录刷新序列(计数器) 从存储单元中读取、恢复数据(灵敏放大器) 告知存储单元是否接受电荷(写保护) 内存控制器要执行其他一些任务, 包
括识别存储器的类型、 速度和容量, 以及检错等等。
静态 RAM 使用了截然不同的技术。 静态 RAM 使用某种触发器来储存每一位内存信息 (有 关触发器的详细信息,请查见布尔逻辑的应用) 。存储单元使用的触发器是由引线将 4-6 个 晶体管连接而成, 但无须刷新。 这使得静态 RAM 要比动态 RAM 快得多。 但由于构造比较复杂, 静态 RAM 单元要比动态 RAM 占据更多的芯片空间。 所以单个静态 RAM 芯片的存储量会小一些, 这也使得静态 RAM 的价格要贵得多。静态 RAM 速度快但价格贵,动态 RAM 要便宜一些,但速 度更慢。因此,静态 RAM 常用来组成 CPU 中的高速缓存,而动态 RAM 能组成容量更大的系统 内存空间。
3. ROM
ROM 也分为很多种: 1) 掩膜式 ROM 芯片生产厂家在制造芯片过程中把程序一并做在芯片内部,这就是二次光刻版图形(掩 膜)。存储阵列中的基本存储单元仅由一只 MOS 管构成,或缺省,凡有 MOS 管处表示存储 0, 反之为 1. 工厂在生产时,根据客户提供的内容,决定是否布下只 MOS 管. 用户在生产好后,
是不能改写的( 难道撬开芯片,加个 MOS 管上去?) 由于集成电路生产的特点, 要求一个批次的掩膜 ROM 必须达到一定的数量 (若十个晶圆) 才能生产,否则将极不经济。掩膜 ROM 既可用双极性工艺实现,也可以用 CMOS 工艺实现。 掩膜 ROM 的电路简单,集成度高,大批量生产时价格便宜。 2) 一次性可编程 ROM(PROM= ROM(PROM=Programmable ROM) ) 允许一次编程 存储阵列除了三极管之外,还有熔点较低的连线(熔断丝)串接在每只存储三极管的某 一电极上,例如发射极. 编程之前,存储信息全为 0,或全为 1,编程写入时,外加比工作 电压高的编程电压,根据需要使某些存储三极管通电,由于此时电流比正常工作电流大,于 是熔断丝熔断开路,一旦开路之后就无法恢复连通状态,所以只能编程一次。如果把开路的 三极管存储的信息当作 0,反之,存储的信息就为 1 3) 紫外线擦除可编程 ROM(EPROM= 紫外线擦除可编程 ROM(EPROM=Erasable PROM) ) 用紫外线擦除后编程,并可多次擦除多次编程 FAMOS 管与 MOS 管结构相似,它是在 N 型半导体基片上生长出两个高浓度的 P 型区,通 过欧姆接触分别引出漏极 D 和源极 S,在漏源之间的 SiO2 绝缘层中,包围了一多晶硅材料, 与四周无直接电气连接,称之为浮置栅极,在对其编程时,在漏源之间加上编程电压(高于 工作电压)时,会产生雪崩击穿现象,获得能量的电子会穿过 SiO2 注入到多晶硅中,编程 结束后, 在漏源之间相对感应出的正电荷导电沟道将会保持下来, 如果将漏源之间感应出正 电荷导电沟道的 MOS 管表示存
入 0,反之,浮置栅不带负电,即漏源之间无正电荷导电沟道 的 MOS 管表示存入 1 状态 在 EPROM 芯片的上方, 有一圆形石英窗, 从而允许紫外线穿过透明的圆形石英窗而照射 到半导体芯片上,将它放在紫外线光源下一般照射 10 分钟左右,EPROM 中的内容就被抹掉, 即所有浮置栅 MOS 管的漏源处于断开状态,然后,才能对它进行编程输入 出厂未编程前,每个基本存储单元都是信息 1, 编程就是将某些单元写入信息 0 EPROM 是采用浮栅技术生产的可编程存储器,它的存储单元多采用 N 沟道叠栅 MOS 管 (SIMOS) ,其结构及符号如图 12.2.1(a)所示。除控制栅外,还有一个无外引线的栅极,称 为浮栅。当浮栅上无电荷时,给控制栅(接在行选择线上)加上控制电压,MOS 管导通; 而当浮栅上带有负电荷时,则衬底表面感应的是正电荷,使得 MOS 管的开启电压变高,如 图 12.1.3(b)所示,如果给控制栅加上同样的控制电压,MOS 管仍处于截止状态。由此可见, SIMOS 管可以利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据。
(a) 叠栅 MOS 管的结构及符号图
(b) 叠栅 MOS 管浮栅上积累电子与开启电压的关系
图 6 叠栅 MOS 管
在写入数据前,浮栅是不带电的,要使浮栅带负电荷,必须在 SIMOS 管的漏、栅极 加上足够高的电压(如 25V) ,使漏极及衬底之间的 PN 结反向击穿,产生大量的高能电子。 这些电子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上, 从而使浮栅带有负电荷。 当移去外加电压后, 浮栅上的电子没有放电回路,能够长期保存。当用紫外线或 X 射线照射时,浮栅上的电子形 成光电流而泄放, 从而恢复写入前的状态。 照射一般需要 15 至 20 分钟。 为了便于照射擦除, 芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。EPROM 的擦除为一次全部擦除,数据写入需要通用或 专用的编程器。 ROM( EPROM) 4) 电擦除可编程 ROM(EEPROM = Electrically EPROM) 加电擦除,也可以多次擦除, 可以按字节编程。 在 EPROM 基本存储单元电路的浮置栅 MOS 管 T1 上面再生成一个浮置栅 MOS 管 T2, T2 将 浮置栅引出一个电极,使该电极接某一电压 VG2,若 VG2 为正电压,T1 浮置栅极与漏极之间 产生一个隧道效应,使电子注入 T1 浮置栅极,于是 T1 的漏源接通,便实现了对该位的写入 编程。 用加电方法,进行在线(无需拔下,直接在电路中)擦写(擦除和编程一次完成)有字
节擦写、 块擦写和整片擦写方法, 按字节为单位进行擦除和写入, 擦除和写入是同一种操作, 即都是写入,只不过擦除是固定写“1”而已,在擦除时,输入的数据是 TTL 高电平。 EEPROM 在进行字节改写之前自动对所要写入的字节单元进行
擦除, 只需要像写普通 CPU RAM 一样写其中某一字节, 但一定要等到 5ms 之后, CPU 才能接着对 EEPROM 进行下一次写入 操作,因而,以字节为单元写入是常用的一种简便方式。 写入操作时,首先把待写入数据写入到页缓冲器中,然后,在内部定时电路的控制下把 页缓冲器中的所有数据写入到 EEPROM 中所指定的存储单元,显然,相对字节写入方式,第 二种方式的效率高,写入速度快。 EEPROM 也是采用浮栅技术生产的可编程存储器,构成存储单元的 MOS 管的结构如图 12.2.2 所示。它与叠栅 MOS 管的不同之处在于浮栅延长区与漏区之间的交叠处有一个厚度 约为 80 埃的薄绝缘层,当漏极接地,控制栅加上足够高的电压时,交叠区将产生一个很强 的电场, 在强电场的作用下, 电子通过绝缘层到达浮栅, 使浮栅带负电荷。 这一现象称为“隧 道效应”,因此,该 MOS 管也称为隧道 MOS 管。相反,当控制栅接地漏极加一正电压,则产 生与上述相反的过程,即浮栅放电。与 SIMOS 管相比,隧道 MOS 管也是利用浮栅是否积累 有负电荷来存储二值数据的, 不同的是隧道 MOS 管是利用电擦除的, 并且擦除的速度要快得 多。 EEPROM 电擦除的过程就是改写过程,它是以字为单位进行的。EEPROM 具有 ROM 的非易 失性, 又具备类似 RAM 的功能, 可以随时改写 (可重复擦写 1 万次以上) 目前, 。 大多数 EEPROM 芯片内部都备有升压电路。因此,只需提供单电源供电,便可进行读、擦除/写操作,为数 字系统的设计和在线调试提供了极大的方便。
图 7 隧道 MOS 管剖面结构示意图
图 8 快闪存储器存储单元 MOS 管剖面结构示意图
5) Flash 闪存 快速擦写,但只能按块编程 快闪存储器存储单元的 MOS 管结构与 SIMOS 管类似, 如图 12.2.3 所示。 但有两点不同, 一是快闪存储器存储单元 MOS 管的源极 N+区大于漏极 N+区, SIMOS 管的源极 N+区和漏极 而 N+区是对称的;二是浮栅到 P 型衬底间的氧化绝缘层比 SIMOS 管的更薄。这样,可以通过 在源极上加一正电压,使浮栅放电,从而擦除写入的数据。由于快闪存储器中存储单元 MOS 管的源极是连接在一起的,所以不能象 E2PROM 那样按字擦除,而是类似 EPROM 那样整片擦 除或分块擦除。整片擦除只需要几秒钟,不像 EPROM 那样需要照射 15 到 20 分钟。快闪存储 器中数据的擦除和写入是分开进行的, 数据写入方式与 EPROM 相同, 需输入一个较高的电压, 因此要为芯片提供两组电源。一个字的写入时间约为 200 微秒,一般可以擦除/写入 100 次 以上。 新型的 FLASH,例如 320C3B 等,在常规存储区域后面还有 128Bit 的特殊加密,其中前 64Bit(8 字节)是唯一
器件码(64BitUniqueDeviceIdentifier),每一片 Flash 在出厂时 已经带有,并且同一种 Flash 型号不会有相同的编码,哪怕这个字库是全新空白的字库。后 来 64Bit 为用户可编程 OTP 单元 (64BitUserProgrammableOTPCells) ,可以由用户自用设定, 单只能写入,不能擦除。
范文二:静态MOS存储器工作原理
静态MOS存储器
1.基本存储元
(1)六管静态MOS存储元 A 、 电路图:
由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。 B 、存储元的工作原理:
假设: T0 管导通,T1 管截止:存0;
T0 管截至,T1 管导通:存1;
说明:MOS 管有三极,如果栅极为高电平,则源极和漏极导通。如果栅极为低电平,则源极和漏极截至。
①写操作。在字线上加一个正电压的字脉冲,使T2 、T3 管导通。若要写“0”,无论该位存储元电路原存何种状态,只需使写“0”的位线BS0 电压降为地电位(加负电压的位脉冲),经导通的T2 管,迫使节点A的电位等于地电位,就能使T1 管截止而T0 管导通。
写入1,只需使写1的位线BS1 降为地电位,经导通的T3 管传给节点B,迫使T0 管截止而T1 管导通。
写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程。
②读操作。只需字线上加高电位的字脉冲,使T2 、T3 管导通,把节点A、B分别连到位线。若该位存储电路原存“0”,节点A是低电位,经一外加负载而接在位线BS0 上的外加电
源,就会产生一个流入BS0 线的小电流(流向节点A经T0 导通管入地)。“0”位线上BS0 就从平时的高电位V下降一个很小的电压,经差动放大器检测出“0”信号。
若该位原存“1”,就会在“1”位线BS1 中流入电流,在BS1 位线上产生电压降,经差动放大器检测出读“1”信号。
位/读/写”0”
BS1 读/写”1”
6管MOS 存储电路
读出过程中,位线变成了读出线。读取信息不影响触发器原来状态,故读出是非破坏性的读出。
③若字线不加正脉冲,说明此存储元没有选中,T2 ,T3 管截止,A、B结点与位/读出线隔离,存储元存储并保存原存信息。
(2)8管静态MOS存储元
A 、 目的:地址的双重译码选择,字线分为X选择线与Y选择线
B 、 实现:需要在6管MOS存储元的A、B节点与位线上再加一对地址选择控制管T7 、T8 ,形成了8管MO
S存储元。
位/读/写”0”
BS1 读/写”1”
8管MOS 存储电路
(3)6管双向选择MOS存储元
8管MOS存储元改进:在纵向一列上的6管存储元共用一对Y选择控制管T6 、T7 ,这样存储体管子增加不多,但仍是双向地址译码选择,因为对Y选择线选中的一列只是一对控制管接通,只有X选择线也被选中,该位才被重合选中。
位/读/写”0”
BS1 读/写”1”
6管双向选择MOS 存储电路
2.RAM结构与地址译码 ①字结构或单译码方式
A0 A1
A2
A3
写入
读出
写入
读出
写选通
字结构或单译码方式的RAM
(1) 结构:
(A)存储容量M=W行×b 列;
(B)阵列的每一行对应一个字,有一根公用的字选择线W; (C)每一列对应字线中的一位,有两根公用的位线BS0 与BS1 。
(D)存储器的地址不分组,只用一组地址译码器。 (2)示意图:16×8的字结构单译码方式的存储器。 (3)字结构是2度存储器:只需使用具有两个功能端的基本存储电路:字线和位线
(4)优点:结构简单,速度快:适用于小容量M 缺点:外围电路多、成本昂贵,结构不合理结构。
②位结构或双译码方式 (1) 结构:
(A)容量:N(字)×b (位)的RAM,把每个字的同一位组织在一个存储片上,每片是N×1;再把b 片并列连接,组成一个N×b 的存储体,就构成一个位结构的存储器。 (B)在每一个N×1存储片中,字数N被当作基本存储电路的个数。若把N=2n 个基本存储电路排列成Nx 行与Ny 列的存储阵列,把CPU送来的n 位选择地址按行和列两个方向划分成n x 和n y 两组,经行和列方向译码器,分别选择驱动行线X与列线Y。
A6 A7 A8 A9 A10 A11 位结构、双译码方式的RAM
(C)采用双译码结构,可以减少选择线的数目。
(2) 示意图:
(3) 三度存储器:三个功能端
(4) 优:驱动电路节省,结构合理,适用于大容量存储器。
③字段结构 (1) 结构:
(A)存储容量W(字)×b (位),W>>b:分段Wp (=W/S)*Sb
(B)字线分为两维结构:
/读出线
根
An-1
字段结构RAM
(C )位线有Sb 对 (D )双地址译码器 (2)示意图: (3)三度结构
(4)优:对字结构存储器的改进与提高,结构合理,适用于大容量存储器。
范文三:存储器的工作原理
1
存储器就是用来存放数据的地方。它是利用电平的高低来存放数据的,也就是说,它存
放的实际上是电平的高、低,而不是我们所习惯认为的1234这样的数字,这样,我们的一
个谜团就解开了,计算机也没什么神秘的吗。
图2
图3
让我们看图2。这是一个存储器的示意图:一个存储器就像一个个的小抽屉,一个小抽
屉里有八个小格子,每个小格子就是用来存放“电荷”的,电荷通过与它相连的电线传进来
或释放掉,至于电荷在小格子里是怎样存的,就不用我们操心了,你可以把电线想象成水管,
小格子里的电荷就像是水,那就好理解了。存储器中的每个小抽屉就是一个放数据的地方,
我们称之为一个“单元”。
有了这么一个构造,我们就可以开始存放数据了,想要放进一个数据12,也就是
00001100,我们只要把第二号和第三号小格子里存满电荷,而其它小格子里的电荷给放掉就
行了(看图3)。可是问题出来了,看图2,一个存储器有好多单元,线是并联的,在放入电荷的时候,会将电荷放入所有的单元中,而释放电荷的时候,会把每个单元中的电荷都放掉,
这样的话,不管存储器有多少个单元,都只能放同一个数,这当然不是我们所希望的,因此,
要在结构上稍作变化,看图2,在每个单元上有个控制线,我想要把数据放进哪个单元,就
给一个信号这个单元的控制线,这个控制线就把开关打开,这样电荷就可以自由流动了,而
其它单元控制线上没有信号,所以开关不打开,不会受到影响,这样,只要控制不同单元的
控制线,就可以向各单元写入不同的数据了,同样,如果要某个单元中取数据,也只要打开
相应的控制开关就行了。
2
那么,我们怎样来控制各个单元的控制线呢?这个还不简单,把每个单元的控制线都引
到集成电路的外面不就行了吗?事情可没那么简单,一片27512存储器中有65536个单元,
把每根线都引出来,这个集成电路就得有6万多个脚?不行,怎么办?要想法减少线的数量。
我们有一种方法称这为译码,简单介绍一下:一根线可以代表2种状态,2根线可以代表4
种状态,3根线可以代表几种,256种状态又需要几根线代表?8种,8根线,所以65536
种状态我们只需要16根线就可以代表了。
3
至此,译码的问题解决了,让我们再来关注另外一个问题。送入每个单元的八根线是用
从什么地方来的呢?它就是从计算机上接过来的,一般地,这八根线除了接一个存储器之外,
还要接其它的器件,如图4所示。这样问题就出来了,这八根线既然不是存储器和计算机之
间专用的,如果总是将某个单元接在这八根线上,就不好了,比如这个存储器单元中的数值
是0FFH另一个存储器的单元是00H,那么这根线到底是处于高电平,还是低电平?岂非要
打架看谁历害了?所以我们要让它们分离。办法当然很简单,当外面的线接到集成电路的引
脚进来后,不直接接到各单元去,中间再加一组开关(参考图4)就行了。平时我们让开关打开着,如果确实是要向这个存储器中写入数据,或要从存储器中读出数据,再让开关接通
就行了。这组开关由三根引线选择:读控制端、写控制端和片选端。要将数据写入片中,先
选中该片,然后发出写信号,开关就合上了,并将传过来的数据(电荷)写入片中。如果要
读,先选中该片,然后发出读信号,开关合上,数据就被送出去了。注意图4,读和写信号同时还接入到另一个存储器,但是由于片选端不同,所以虽有读或写信号,但没有片选信号,
所以另一个存储器不会“误会”而开门,造成冲突。那么会不同时选中两片芯片呢?只要是
设计好的系统就不会,因为它是由计算控制的,而不是我们人来控制的,如果真的出现同时
出现选中两片的情况,那就是电路出了故障了,这不在我们的讨论之列。 从上面的介绍中我们已经看到,用来传递数据的八根线并不是专用的,而是很多器件大家共
用的,所以我们称之为数据总线,总线英文名为BUS,总即公交车道,谁者可以走。而十六根地址线也是连在一起的,称之为地址总线。
4
按功能可以分为只读和随机存取存储器两大类。所谓只读,从字面上理解就是只可以从
里面读,不能写进去,它类似于我们的书本,发到我们手回之后,我们只能读里面的内容,
不可以随意更改书本上的内容。只读存 储器的英文缩写为ROM(READ ONLY MEMORY)
所谓随机存取存储器,即随时可以改写,也可以读出里面的数据,它类似于我们的黑板,我
可以随时写东西上去,也可以用黑板擦擦掉重写。随机存储器的英文缩写为RAM(READ
RANDOM MEMORY)这两种存储器的英文缩写一定要记牢。
注意:所谓的只读和随机存取都是指在正常工作情况下而言,也就是在使用这块存储器
的时候,而不是指制造这块芯片的时候。否则,只读存储器中的数据是怎么来的呢?其实这
个道理也很好理解,书本拿到我们手里是不能改了,可以当它还是原材料——白纸的时候,
当然可以由印刷厂印上去了。
顺便解释一下其它几个常见的概念。
PROM,称之为可编程存储器。这就象我们的练习本,买来的时候是空白的,可以写东
西上去,可一旦写上去,就擦不掉了,所以它只能用写一次,要是写错了,就报销了。 EPROM,称之为紫外线擦除的可编程只读存储器。它里面的内容写上去之后,如果觉得不
满意,可以用一种特殊的方法去掉后重写,这就是用紫外线照射,紫外线就象“消字灵”,
可以把字去掉,然后再重写。当然消的次数多了,也就不灵光了,所以这种芯片可以擦除的
次数也是有限的——几百次吧。
FLASH,称之为闪速存储器,它和EPROM类似,写上去的东西也可以擦掉重写,但它要
方便一些,不需要光照了,只要用电学方法就可以擦除,所以就方便许多,而且寿面也很长
(几万到几十万次不等)。
再次强调,这里的所有的写都不是指在正常工作条件下。不管是PROM、EPROM还是FLASH ROM,它们的写都要有特殊的条件,一般我们用一种称之为“编程器”的设备来做
这项工作,一旦把它装到它的工作位置,就不能随便改写了。
范文四:存储器工作原理 RAM SRAM SDRAM工作原理
存储器工作原理 RAM SRAM
SDRAM工作原理
存储器工作原理:RAM,SRAM,SDRAM工作原理之一(转)2010-07-31 20:31存储原理:
为了便于不同层次的读者都能基本的理解本文,所以我先来介绍一下很多用户都知道的东西。RAM主要的作用就是存储代码和数据供CPU在需要的时候调用。但是这些数据并不是像用袋子盛米那么简单,更像是中用有格子的书架存放书籍一样,不但要放进去还要能够在需要的时候准确的调用出来,虽然都是书但是每本书是不同的。对于RAM等存储器来说也是一样的,虽然存储的都是代表0和1的代码,但是不同的组合就是不同的数据。
让我们重新回到书和书架上来,如果有一个书架上有10行和10列格子(每行和每列都有0-9的编号),有100本书要存放在里面,那么我们使用一个行的编号+一个列的编号就能确定某一本书的位置。如果已知这本书的编号87,那么我们首先锁定第8行,然后找到第7列就能准确的找到这本书了。在RAM存储器中也是利用了相似的原理。
现在让我们回到RAM存储器上,对于RAM存储器而言数据总线是用来传入数据或者传出数据的。因为存储器中的存储空间是如果前面提到的存放图书的书架一样通过一定的规则定义的,所以我们可以通过这个规则来把数据存放到存储器上相应的位置,而进行这种定位的工作就要依靠地址总线来实现了。对于CPU来说,RAM就象是一条长长的有很多空格的细线,每个空格都有一个唯一的地址与之相对应。如果CPU想要从RAM中调用数据,它首先需要给地址总线发送地址数据定位要存取的数据,然后等待若干个时钟周期之后,数据总线就会把数据传输给CPU。下面的示意图可以帮助你很好的理解这个过程。
存储原理
上图中的小园点代表RAM中的存储空间,每一个都有一个唯一的地址线同它相连。当地址解码器接收到地址总线送来的地址数据之后,它会根据这个数
据定位CPU想要调用的数据所在的位置,然后数据总线就会把其中的数据传送到CPU。
上面所列举的例子中CPU在一行数据中每次知识存取一个字节的数据,但是在现实世界中是不同的,通常CPU每次需要调用32bit或者是64bit的数据(这是根据不同计算机系统的数据总线的位宽所决定的)。如果数据总线是64bit的话,CPU就会在一个时间中存取8个字节的数据,因为每次还是存取1个字节的数据,64bit总线将不会显示出来任何的优势,women工作的效率将会降低很多。
从"线"到"矩阵"
如果RAM对于CPU来说仅仅是一条"线"的话,还不能体现实际的运行情况。因为如果实际情况真的是这样的话,在实际制造芯片的时候,会有很多实际的困难,特别是在需要设计大容量的RAM的时候。所以,一种更好的能够降低成
空格"排列为很多行-每个"空格"对应一个bit存储的本的方法是让存储信息的"
位置。这样,如果要存储1024bits的数据,那么你只要使用32x32的矩阵就能够达到这个目的了。很明显,一个32x32的矩阵比一个1024bit的行设备更紧凑,实现起来也更加容易。请看下图:
知道了RAM的基本结构是什么样子的,我们就下面谈谈当存储字节的过程是怎样的:上面的示意图显示的也仅仅是最简单状态下的情况,也就是当内存条上仅仅只有一个RAM芯片的情况。对于X86处理器,它通过地址总线发出一个具有22位二进制数字的地址编码-其中11位是行地址,另外11位是列地址,这是通过RAM地址接口进行分离的。行地址解码器(row decoder)将会首先确定行地址,然后列地址解码器(column decoder)将会确定列地址,这样就能确定唯一的存储数据的位置,然后该数据就会通过RAM数据接口将数据传到数据总线。另外,需要注意的是,RAM内部存储信息的矩阵并不是一个正方形的,也就是行和列的数目不是相同的-行的数目比列的数目少。(后面我们在讨论DRAM的过程中会讲到为什么会这样)
上面的示意图粗略的概括了一个基本的SRAM芯片是如何工作的。SRAM是"static RAM(静态随机存储器)"的简称,之所以这样命名是因为当数据被存入其中后不会消失(同DRAM动态随机存储器是不同,DRAM必须在一定的时间内不
停的刷新才能保持其中存储的数据)。一个SRAM单元通常由4-6只晶体管组成,当这个SRAM单元被赋予0或者1的状态之后,它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。SRAM的速度相对比较快,而且比较省电,但是存储1bit的信息需要4-6只晶体管制造成本太高了(DRAM只要1只晶体管就可以实现)。
RAM芯片和SRAM芯片
RAM芯片:
前面的介绍都相对比较简单、抽象。下面我们会结合实际的RAM芯片进行介绍。在谈到这个问题的时候,我们会涉及到一个比较重要的技术:封装。你应该听说过诸如30线SIMMS、72线SIMMS和168线DIMMS或者RIMMs其中的一个或者几个术语吧。如果要解释这些术语之间的不同,就应该了解RAM的封装技术。
SRAM芯片:
早期的SRAM芯片采用了20线双列直插(DIP:Dual Inline Package)封装技术,它们之所以具有这么多的针脚,是因为它们必须:每个地址信号都需要一根信号线;一根数据输入线和一根数据输出线部分控制线(Write Enable,Chip Select);线和电源线
上图显示的是SRAM芯片,但是并不是下面示意图中的SRAM芯片,下面的是一个16K x1-bit SRAM芯片的针脚功能示意图:
A0-A13是地址输入信号引脚,CS是芯片选择引脚。在一个实际的系统中,一定具有很多片SRAM芯片,所以需要选择究竟从那一片SRAM芯片中写入或者读取数据。WE是写入启用引脚(如上表,在CS、WE上面的线我没有写入,表示低电平有效或者是逻辑0时有效):当SRAM得到一个地址之后,它需要知道进行什么操作,究竟是写入还是读取,WE就是告诉SRAM要写入数据。Vcc是供电引脚。Din是数据输入引脚。Dout是数据输出引脚。GND是接地引脚
Output:
Enable(OE):有的SRAM芯片中也有这个引脚,但是上面的图中并没有。这个引脚同WE引脚的功能是相对的,它是让SRAM知道要进行读取操作而不是写入操作。从Dout引脚读取1bit数据需要以下的步骤:
SRAM读取操作:1)通过地址总线把要读取的bit的地址传送到相应的读取地址引脚(这个时候/WE引脚应该没有激活,所以SRAM知道它不应该执行写入操作)。2)激活/CS选择该SRAM芯片。3)激活/OE引脚让SRAM知道是读取操作。第三步之后,要读取的数据就会从DOut引脚传输到数据总线。怎么过程非常的简单吧?同样,写入1bit数据的过程也是非常的简单的。SRAM写入操作:1)通过地址总线确定要写入信息的位置(确定/OE引脚没有被激活)。2)通过数据总线将要写入的数据传输到Dout引脚。3)激活/CS引脚选择SRAM芯片。4)激活/WE引脚通知SRAM知道要尽心写入操作。
经过上面的四个步骤之后,需要写入的数据就已经放在了需要写入的地方。
DRAM芯片介绍
现在我们知道了在一个简单的SRAM芯片中进行读写操作的步骤了了,然后我们来了解一下普通的DRAM芯片的工作情况。DRAM相对于SRAM来说更加复杂,因为在DRAM存储数据的过程中需要对于存储的信息不停的刷新,这也是它们之间最大的不同。下面让我们看看DRAM芯片的针脚的作用。
最早、最简单也是最重要的一款DRAM芯片是Intel在1979年发布的2188,这款芯片是16Kx1 DRAM 18线DIP封装。"16K x1"的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit数据,在同一个时期可以同时进行1bit的读取或者写入操作。(很抱歉找不到这款芯片的实物图片,只好自己简单的画了一个示意图)。
上面的示意图可以看出,DRAM和SRAM之间有着明显的不同。首先你会看到地址引脚从14根变为7根,那么这颗16K DRAM是如何完成同16K SRAM一样的工作的呢?答案很简单,DRAM通过DRAM接口把地址一分为二,然后利用两个连续的时钟周期传输地址数据。这样就达到了使用一半的针脚实现同SGRAM同样的功能的目的,这种技术被称为多路技术(multiplexing)。
那么为什么好减少地址引脚呢?这样做有什么好处呢?前面我们曾经介绍过,存储1bit的数据SRAM需要4-6个晶体管但是DRAM仅仅需要1个晶体管,那么这样同样容量的SRAM的体积比DRAM大至少4倍。这样就意味着你没有足够空
因为针脚并没有因此减少4倍)。当然为了安装同样数间安放同样数量的引脚(
量的针脚,也可以把芯片的体积加大,但是这样就提高芯片的生产成本和功耗,所以减少针脚数目也是必要的,对于现在的大容量DRAM芯片,多路寻址技术已经是必不可少的了。
当然多路寻址技术也使得读写的过程更加复杂了,这样在设计的时候不仅仅DRAM芯片更加复杂了,DRAM接口也要更加复杂,在我们介绍DRAM读写过程之前,请大家看一张DRAM芯片内部结构示意图:
在上面的示意图中,你可以看到在DRAM结构中相对于SRAM多了两个部分:由/RAS(Row Address Strobe:行地址脉冲选通器)引脚控制的行地址门闩线路(Row Address Latch)和由/CAS(Column Address Strobe:列地址脉冲选通器)引脚控制的列地址门闩线路(Column Address Latch)。DRAM读取过程:1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚。2)/RAS引脚被激活,这样行地址被传送到行地址门闩线路中。3)行地址解码器根据接收到的数据选择相应的行。
4)/WE引脚被确定不被激活,所以DRAM知道它不会进行写入操作。5)列地址通过地址总线传输到地址引脚。6)/CAS引脚被激活,这样列地址被传送到行地址门闩线路中。7)/CAS引脚同样还具有/OE引脚的功能,所以这个时候Dout引脚知道需要向外输出数据。
8)/RAS和/CAS都不被激活,这样就可以进行下一个周期的数据操作了。其实DRAM的写入的过程和读取过程是基本一样的,所以如果你真的理解了上面的过程就能知道写入过程了,所以这里我就不赘述了。(只要把第4步改为/WE引脚被激活就可以了)。
RAM基础知识
我们已经提到过,DRAM同SRAM最大的不同就是不能比较长久的保持数据,这项特性使得这种存储介质对于我们几乎没有任何的作用。但是DRAM设计师利用刷新的技术使得DRAM称为了现在对于我们最有用处的存储介质。这里我仅仅
简要的提及一下DRAM的刷新技术,因为在后面介绍FP、EDO等类型的内存的时候,你会发现它们具体的实现过程都是不同的。
DRAM内仅仅能保持其内存储的电荷非常短暂的时间,所以它需要在其内的电荷消失之前就进行刷新直到下次写入数据或者计算机断电才停止。每次读写操作都能刷新DRAM内的电荷,所以DRAM就被设计为有规律的读取DRAM内的内容。这样做有下面几个好处。第一,仅仅使用/RAS激活每一行就可以达到全部刷新的目的;第二,DRAM控制器来控制刷新,这样可以防止刷新操作干扰有规律的读写操作。在文章的开始,我曾经说过一般行的数目比列的数据少。现在我可以告诉为什么会这样了,因为行越少用户刷新的时间就会越少。
RAM模块基础:
在前面的一节文章中我们对于DRAM和SRAM的基本工作原理做了一些简单的介绍,在我们所列举的例子中都是介绍了最基本的存储单元的工作模式,所以应该不难理解,看到很多朋友对于这个方面的东西很感兴趣,今天我就继续介绍关于RAM(Random Access Memory)的部分知识。理解这个部分知识,是更好的了解以后我们介绍各种RAM的实际工作情况的基础。
在SRAM或者DRAM的每一个基本存储单位(也就是上一节中介绍用来存储1bit信息的存储单位)都只能存储0或者1这样的数据,而且在上一节中IDT6167和Intel 2188芯片都仅仅只有Din(数据输入)和Dout(数据输出接口),而CPU存取数据的时候是按照字节(也就是8bit)来存储的,那么RAM究竟如何满足CPU的这样的要求呢?
首先为了能存储1字节(8 bit)的信息,就需要8个1bit RAM基本存储单元堆叠在一起,这也意味着这8颗芯片被赋予了同样的地址。下面的示意图可以帮助你比较形象的了解这一点(下图所示的图例中仅仅画了4个存储单元,大家当成8个来看就可以了)。
通常这8颗1bit芯片是通过地址总线和数据总线在PCB(印刷电路板)上连接而成的,对于CPU来说它就是一颗8bit的RAM芯片,而不再是独立的8个1 bit芯片。在上图所示的地址总线位宽是22bit,这样这个地址总线所能控制的存储模块的容量应该是222=4194304 bit,也就是4MB的容量;数据总线的位宽
是8bit,就是通过刚才提到的8个1bit的基本存储单元的Dout并联在一起实现的-这样也能够满足CPU的要求了。(对于这种存储颗粒我们称之为4194304 x8模块或者4Mx8,注意这里的"M"不是"MByte"而是"Mbit")。为了举例说明,我们用一条TI(德仪公司)出品的TM4100GAD8 SIMM内存为例来说明,因为这种内存的构造相对比较简单,便于大家理解。TM4100GAD8基于4M x8模块制造,容量4MB,采用30线SIMM封装。如果前面我说的东西你看明白了,就应该知道这条内存采用了4Mx1 DRAM颗粒。下面的数据是我在TI官方网站上找到的(目前很少有公司的网站还提供自己以前产品的数据):构造:4194304×8。工作电压:5-V。30线SIMM(Single In-Line Memory Module:SIMM)。采用8片4Mbit DRAM内存颗粒,塑料SOJs封装。长刷新期16 ms(1024周期)。
在上面的示意图中,A0– A10是地址输入引脚。/CAS:行地址脉冲选通器引脚。DQ1– DQ8:数据输入/数据输出引脚。NC:空信号引脚。/RAS:列地址脉冲选通器引脚。VSS:接地引脚。/W:写入启用引脚。VCC 5V供电引脚。
上面的电路示意图应该能够让我们更加清楚的理解这个问题,TM4100GAD8由8片4096x1bit芯片组成,VCC和VSS为所有的芯片提供5v的电压。每个芯片都具有/RAS、/CAS、/W引脚同内存相应的引脚连通。每个芯片都具有不同的
输出接口。这样我们应该就能够知道RAM是如何满足CPU存取数据的数据输出/
需要的了。
范文五:可移动存储器工作原理
可移动存储器工作原理
可移动存储器的历史几乎同计算机本身一样悠久。早期的可移动存储器基于磁带,就是盒式录音带使用的那种。此前,一些电脑甚至使用过纸质的穿孔卡片来储存信息~
如上图所示,穿孔卡片上面的小孔会被电脑转译成特定的信息。
从穿孔卡片时代一路走来,我们的科技有了长足的进步。新型的可移动存储设备可以在单个磁盘、盒式磁带、闪存卡或磁碟上储存几百兆字节(甚至可达几千兆字节)的数据。在本文中,您将会了解到三种主流存储技术。我们还会探讨采用上述技术的各种存储设备,以及这几种技术各自的前景。不过,先让我们来了解一下人们使用可移动存储器的原因吧。
移动存储器
可移动存储器之所以会有用武之地,主要有下面几个原因:
商业软件
备份重要信息
在两台电脑间传输数据
保存不经常使用的软件或信息
复制信息以供他人使用
保护那些你不希望被别人看到的信息
一部微型硬盘驱动器为这一可移动存储设备提供电源。
面对当今各类可移动存储设备,我们有很大的选择空间,既有存储容量仅为1.44兆字节(MB)的标准软盘,也有容量达20GB的移动硬盘。这些设备通通可以归入三大类:
1 磁存储器
2 光学存储器
3 固态存储器
在下面几节里,我们会一一剖析上述三种技术。
磁存储器
磁存储技术在各类可移动存储技术中最为普遍,也最是经久不衰。举例来说,使用3.5英寸盘片的1.44MB的软盘驱动器已经有大约15年的历史,并且直至今日,市场上售出的每一部电脑几乎都要安装软驱。多数情况下,可移动磁性存储设备需要使用驱动器,这是一种与主机相连的机械设备。您需要将实际存储信息的介质插入驱动器。
同硬盘驱动器一样,可移动的磁存储设备使用的介质也具有一个氧化铁涂层。这种氧化物为铁磁性材料,意即只要将这种材料暴露在磁场下,就能使其永久磁化。这种介质一般称为磁盘或磁碟。驱动器使用马达让介质高速转动起来,并通过一种称为磁头的小
型设备访问(读取)介质上存储的信息。
每一个磁头上都有一个微型电磁体,由包裹线圈的铁芯构成。该电磁体会施加一个磁通量到介质的氧化涂层上,氧化物能永久性地“记住”它感受到的磁通效应。进行写操作时,数据信号沿线圈传播,继而在铁芯中产生一个磁场。在磁通效应的作用下,磁头和介质间的空隙内会形成干涉条纹。这种干涉效应会在空隙间形成一个桥接,继而磁化介质上的氧化物。当驱动器读取数据时,读磁头会施加一个能穿过空隙的变化磁场,于是铁芯中也会产生一个变化的磁场,线圈上就会得到一个电信号。随后,这一信号会以二进制数据的形式传送给计算机。
磁存储:直接访问
磁盘或磁碟有几点共同之处:
采用带有氧化铁涂层的薄塑料或金属基片。
可以瞬时记录信息。
可以反复擦除、反复使用。
价格合理,使用方便。
如果您用过盒式录音带,就会知道它有一个很大的缺点——它是一种顺序存储设备。磁带有一个起始点,有一个终止点,若想让磁带跳转到后面的歌曲,您必须使用快进按钮和回退按钮,才能找到歌曲开始的地方。这是因为磁带中磁头的位置是固定的。
磁盘或磁碟同磁带一样,都是由双面涂有磁性材料的塑料薄片构成。只是其形状更像是一个圆盘,而非细长的薄带。磁道以同心圆环的形式排列,因而软件可以从“文件1”跳转到“文件19”,而无需快进通过文件2到文件18。磁盘或磁碟可以像唱片一样旋转,而磁头会移动到正确的磁道上,这就是直接访问存储设备。事实上,一些可移动设备带有一张磁盘盘片,类似于硬盘驱动器的内部结构。磁带仍然用于某些长期存储事务,例如备份服务器硬盘等无需迅速访问数据的应用场合。
如上图所示,您可以看到磁盘被分为磁道(棕色)和扇区(黄色)。
读写磁头(“写”是指将新信息保存到存储介质中)在磁道间移动时,不会接触介质。通常存在某种形式的保护机制,设定之后磁盘或磁碟将受到保护,任何信息都不能写入。例如,利用电子光学设备检测3.5英寸软盘底角处是否存在一个缺口(或是5.25英寸软盘侧面的凹口),计算机就能知道用户是否想对磁盘实施写保护。
磁存储:Zip
多年间,磁存储技术有了很大进步。由于软盘得到了广泛普及并且成本很低,容量更高的可移动存储器还不能完全取代软盘的地位。但市场上还是出现了很多替代产品,它们各有千秋,也大受欢迎。Iomega公司出品的Zip存储器就是其中一例。
Zip驱动器可以使用多种端口规格,
如SCSI、USB、并行端口以及内置ATAPI接口等。
Iomega Corporation供图一张Zip盘
Zip盘同软盘最主要的区别在于使用的涂层不同。Zip盘使用的涂层品质要高得多。高品质的涂层意味着,Zip盘可以使用比软盘磁头小得多(十分之一左右)的读写磁头。更为小巧的磁头配合上类似于硬盘所使用的磁头定位机制,让Zip驱动器在磁盘表面上每英寸的空间内可以压缩数千条磁道。Zip驱动器在每个磁道中使用可变数目的扇区,以便能最大程度地利用磁盘空间。所有这些属性结合起来,可以让软盘拥有巨大的数据容量——目前可达750MB。
磁存储:磁碟
采用磁存储技术制造可移动存储器的另一种方法是,将盘片(实质上是硬盘)装入独立的外壳中。Iomega Jaz是采用此法最为成功的产品之一。每片Jaz磁碟实质上是一个装在硬质塑料外壳中的多盘片硬盘。磁碟中既没有磁头,也没有用来转动磁盘的马达;这些设备装置在驱动器单元里。
Iomega Corporation供图
最新的Jaz驱动器采用2GB磁碟,
但仍可以兼容早先Jaz所用的1GB盘片。
磁存储:可移动驱动器
由于移动硬盘是完全外接型设备,所以它能迅速赢得市场,这很大程度上还要归功于USB技术。这些移动硬盘类似于一般PC机的内置硬盘,将驱动设备和存储介质全部封装在外壳内。驱动器通过USB线与PC机相连,只要安装了驱动软件,就能自动被Windows列为可用的驱动器。
这个20GB Pockey Drive可以放到您的手掌心上。
另一种移动硬盘称为微型硬盘(Microdrive)。这种嵌入PCMCIA卡的微型硬盘可以插入任何一款具有PCMCIA插槽的计算机,例如膝上型电脑。
这种微型硬盘能保存340MB的数据,大小略同于一个火柴盒。
在《硬盘工作原理》和《磁带录音机工作原理》两篇文章中,您可以了解到更多有关磁存储器的信息。要了解光学存储技术,请查看下一页的内容。
光学存储器
我们最熟悉的光学存储器是紧凑盘(CD)。CD盘可以将大量的数字信息(783MB)储存在一张非常小的盘面上,而这种盘片的生产价格极其低廉。实现这一理念的设计方案十分简单:CD盘的表面是一个印盖着数十亿个坑点的镜面,这些坑点排列在一个缠绕得很紧的长螺旋结构中。CD播放机利用精确的激光能够读出坑点所代表的信息,并将其转译为位元数据。
坑点螺旋起始于CD盘的中心。CD轨道极其窄小,须用微米(百万分之一米)衡量。CD轨道宽约0.5微米,相邻轨道间距约为1.6微米。单个延长坑点宽约0.5微米,最小长度为0.83微米,最小高度为125纳米(十亿分之一米)。
厚度约1.2毫米的清晰聚碳酸酯注塑件基片占据了CD盘大部分的重量。生产过程中,这种塑料基片上会压盖上微小的坑点,并形成长螺旋形轨道。随后,盘面表层会涂上一个很薄的反射铝层,并覆盖坑点。CD技术中最精巧的地方,在于它能以正确的顺序、正确的速度,正确地读取全部坑点。为了完成这些作业,当CD播放机发出的激光定焦于坑点轨道上时,必须处理得极为精确。
播放CD盘时,激光束穿过CD上的聚碳酸酯层,然后从铝层反射出来,最终触击一个能监测光线变化的光电设备。从坑点反射出的光线与从平坦铝层(称为平台)反射出的光线有所不同。光电传感器可以探测出反射光线中的变化,然后CD机驱动器中的电子设备就能将其转译为数据位元。
CD播放机的基本零件
光学存储:CD-R/CD-RW
上文介绍了普通CD的工作原理,这非常适用于预先打包的软件,但对于用来存储个人文件的可移动存储设备来说,不会有任何帮助。这就引出了可刻录光盘(CD-R)和可复写光盘(CD-RW)。
CD-R用一种有机染料化合物替代了普通CD盘中的铝层。这种化合物通常具有反射性,但当激光照射在某一点并将其加热到某一温度时,就会“灼烧”染料,使其色彩暗沉。当你需要重新取回CD-R上所写的数据时,激光会重新扫描光盘,并将烧过的染料点判为坑点。这种方法的问题是,您只能一次性地向CD-R写入数据。坑点上的染料在灼烧之后不能复原。
CD-RW通过相性变换的方法解决了这个难题,这要依赖于一种非常特殊的锑、铟、银、碲的金属混合物。这种特殊的混合物有一种令人称奇的特性:当加热到某一温度时,它就会结晶,冷却后就会具有很高的反射性;当加热到另一更高的温度时,混合物就会转化为非晶态,冷却后其表面就会变暗沉。
Predator是一种由Iomega公司出品的高速CD-RW驱动器。
CD-RW驱动器利用了这一特性,设定了三种激光。
读——普通设定,能够将光线反射到光电传感器。
擦——将激光设定为能使混合物结晶所需的温度。
写——将激光设定为能使混合物去结晶化所需的温度。
其他光学存储设备出离了CD标准,例如DVD采用了类似CD-R和CD-RW的技术。更早的磁光(MO)技术是一种混合型技术,目前己很少采用。MO利用激光使介质表面升温。当表面温度达到某一数值,磁头就会在介质上滑动,根据需要改变存储单元的磁极性。
固态存储器
闪存是一种很流行的可移动存储器,非常适宜应用在数码相机和掌上型电脑等小型设备中。闪存技术是一种固态存储技术,所谓固态存储,主要是指其中没有运动的部件。芯片的内部是由记忆行与记忆列交叉而成的网栅,在网栅的交点处有一个由两个晶体管构成的存储单元。这两个晶体管被一个薄氧化层隔开。其中一个称为浮栅,另一个为控制栅。由浮栅通往记忆行(字线)的唯一路径必须经过控制栅。只要这条线路能够接通,存储单元就取“1”值。
若想将单元取值转换为0值,则需要经过一个奇妙的过程,这就是福勒诺德海姆隧道
效应(Fowler-Nordheim tunneling)。隧道效应能改变浮栅上的电子分布。浮栅上要施加一个电压(通常是10-13伏)。电流从记忆列(位线)流出,经过浮栅后流向大地。
这一外加电压让浮栅晶体管起到了电子枪的作用。受激发的负电电子被推向薄氧化层的另一面并陷入其中,使得薄氧化层带有负电荷。这些带负电的电子在控制栅和浮栅之间起到了壁垒的作用。一种称为单元传感器的设备能监测流过浮栅的电量水平。如果穿过浮栅的电流超过总电量的50%,记忆单元就取“1”值。如果流过浮栅的电量低于阈值的50%,则记忆单元取“0”值。
通过施加一个电场(高电压),就能让闪存芯片单元中的电子回归常态(“1”值)。为了能施加电场,闪存采用了电路内接线技术,既可以将电场施加在整个芯片上,也可以将其施加于某一个预先选定的区域上(称为区块)。这样就能擦除芯片内的指定区域,之后就能进行复写。闪存的工作速度要远远高于传统的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)芯片,这是因为闪存并非每次只能擦除一个字节,而是能对一个区块或整个芯片进行擦除。
固态存储器:闪存卡
闪存设备(例如CompactFlash卡或SmartMedia卡)已经成为时下最常见的非易失性电子存储器。Sandisk公司于1994年研发了CompactFlash闪存卡,它同SmartMedia闪存卡有两点重要区别:Compact Flash更厚,并使用控制器芯片。
CompactFlash由包含闪存芯片的小型电路板和专用的控制器芯片组成,它们全部封装在一个非常耐用的外壳里,其厚度数倍于Smart Media卡。增厚的闪存卡能确保更大的存储容量。
CompactFlash的存储容量最小为8MB,最高可达4GB,令人难以置信。集成的控制器能够提升性能,特别是当它被用在那些处理器速度较低的设备上时。但相比于SmartMedia卡,外壳和控制器芯片的存在使得CompactFlash卡的尺寸、重量和复杂度都有所增加。
固态软盘卡(SSFDC),更为人熟知的名字是SmartMedia,最早由东芝公司研发。
SmartMedia卡的容量范围是2MB-128MB。如下图所示,这种闪存卡本身是非常小巧的。
SmartMedia闪存卡的表面积大约为一个25美分硬币的两倍。
正因其简洁的设计理念,SmartMedia卡更显得卓越不俗。平面电极通过接合线与闪存芯片相连。采用超塑薄封装(OMTP)技术,就能将闪存芯片、平面电极和接合线全部嵌入到一个合成树脂基片上。这种技术无需焊接,就能把所有元件集成到一个简易的封装之内。
只要您指明了想要保存的数据,SmartMedia卡就能展现其高速、可靠的性能。它们体型小巧,重量很轻,并且便于使用。同其他可移动固态存储器相比,它们比较娇气,所以使用和放置它们时,您应该更加小心。请查阅《闪存工作原理》一文,获取更多信息。
存储器还能变得更小么,
在缩小物理外包装的同时增加数据存储量,这是可移动存储技术发展的总趋势之一。来看看几种存储技术各自的产品实例:
磁存储技术
磁性存储技术有两个并行不悖的发展方向。在这些不断推陈出新的产品中,既有容量以兆字节计算的小型磁碟,也有容量可达几千兆字节的移动硬盘。
光学存储技术
一家名为DataPlay的公司推出了一种微光驱动器。这种微型驱动器只有火柴盒一般大小,它使用的微型光盘被封装在塑料外壳中。每张光盘可存储500MB的信息。实际上,驱动器读取的是光盘的正反两面,因而光盘的每一面可以存储250MB的信息。
DataPlay光碟略大于25美分硬币
DataPlay驱动器的体积也很小。
固态存储技术
SmartMedia卡和CompactFlash卡一直在增加它们的存储容量,却还能保持很小的外形尺寸。还有更为小巧的固态存储设备,例如索尼公司的记忆棒。
这种SmartMedia卡的容量为64MB。
这种CompactFlash卡的容量为128MB
在外形尺寸不断减小、存储容量不断增加的同时,每兆字节的存储价格也在不断下跌,这对我们大家来说是一个好消息~Iomega和Pockey Drives等公司曾经预言,在不久的将来,您就能随身携带您的硬盘,在不同的电脑上享用全部个性化设置。这种技术的影响
力不仅限于桌上型PC机,还将延及各种各样的产品,如数码相机、MP3播放器乃至掌上
型电脑等等,DataPlay公司的微光系统就是其中的一个范例。
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