簡介：描述基本的存儲器知識，介紹基本的存儲器類型和差異。摘自《深入理解計算機系統》CSAPP
一：存儲技術概述
存儲器系統（memory system）是一個具有不同容量、成本和訪問時間的存儲設備的層次結構。
CPU寄存器：保存這最常用的數據。
高速緩存存儲器（cache memory）：靠近CPU的小的、快速的存儲器，作為一部分存儲的主存儲器中數據和指令的緩沖區域。
主存儲器：緩存存儲在容量較大的、慢速磁盤上的數據，
磁盤：常常又作為存儲在網絡連接的其他機器上的數據的數據。
二： 存儲器分類
2.1 隨機訪問存儲器（RAM： Random-Access Memory）
2.1.1靜態RAM，一般用作高速緩存存儲器
SRAM將每個位存儲在一個雙穩態（bistable）的存儲器單元里面，每個單元用一個六晶體管電路來實現。只要通電后就可以永遠保持它的值，即使有干擾來擾亂電壓，當干擾消除是電路就會恢復到穩定值。
2.1.2.動態RAM （DRAM）
DRAM每個單元由一個電容和一個訪問晶體管組成。可看成每個存儲位為對一個電容的充電，這個電容非常小，通常只有大約30毫微微法拉（femtofarad）--30*10-15 法拉。
這個電容的電壓被擾亂后就永遠不會恢復了。 暴漏在光線下回導致電容電壓改變。
很多原因會導致漏電， 使得DRAM單元在10-100毫秒時間內失去電荷。幸運的是計算機的運行時鍾周期是以納秒來衡量的，所以相對時間還是比較長的。內存系統必須周期性的通過讀出，然后重寫來刷新每一位。
2.1.3 傳統的DRAM
DRAM芯片的單元被分成d個超單元，每個超單元由w個DRAM單元組成，一個d*w單元的DRAM存儲了dw位信息。超單元被組織成一個r行c列的方形陣列，r*c=d。每個超單元由形似（i，j）的地址。
每個DRAM芯片連接到一個內存控制器電路，內存控制器一次讀或寫w位到DRAM芯片（即一個超單元大小），通過i,j確定的行列地址操作對應的超單元。
如讀操作時：每次操作內存控制器發送行地址i給DRAM芯片，DRAM芯片則將第i行復制到內部行緩沖區，接着內存控制器發送列地址j，DRAM芯片則從內部行緩沖去拷貝出（i，j）發送到內存控制器
2.1.4 內存模塊
DRAM芯片封裝在內存模塊（memory modul）上，它插到主板的擴展槽上（能買到的內存條）。
以Core i7為例，使用8個64Mbit（兆*位）的8M（r） * 8（c）的DRAM芯片，共64MBit（兆*字節），8個芯片編號0-7.每個超單元存儲一個字節（8bit），而相應的地址（i，j）在8個芯片中對應地址的超單元取出8個字節組合成一個64bit的字。
2.1.5增強的DRAM
廠家為了跟上迅速提高的處理器存取速度，不斷的更新DRAM。不過這些都是基於基本的DRAM單元，在訪問方式上進行速度提升。
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- 快頁模式DRAM（Fast Page Mode DRAM, FPM DRAM）, 傳統的DRAM將一行復制到緩沖區后使用一個后其余丟棄，即使再次讀取同一行的下一個超單元也需要重新復制此行到緩存區，即每一個超單元需要下發一個RAS/CAS.；快頁模式允許同一行連續超單元讀取不需要重新復制行到緩存區，即讀取（i，1） （i，2） （i，3）位置的超單元可以下發一個為i的RAS和3個CAS。
- 擴展數據輸出DRAM（Extended Data Out DRAM， EDO DRAM)，FPM DRAM的一個增強模式，允許各個CAS信號在時間上更緊密一些。 傳統的DRAM和FPM DRAM在存取每一bit數據時必須輸出行地址和列地址並使其穩定一段時間后，然后才能讀寫有效的數據，而下一個bit的地址必須等待這次讀寫操作完成才能輸出。EDO DRAM不必等待資料的讀寫操作是否完成，只要規定的有效時間一到就可以准備輸出下一個地址，由此縮短了存取時間，效率比FPM DRAM高20%—30%。
- 同步DRAM（Synchronous DRAM, SDRAM）, 是有一個同步接口的動態隨機存取內存（DRAM）。通常DRAM是有一個異步接口的，這樣它可以隨時響應控制輸入的變化。而SDRAM有一個同步接口，在響應控制輸入前會等待一個時鍾信號，這樣就能和計算機的系統總線同步。（不太懂，反正是比異步快了）
- 雙倍速率同步DRAM（Double Data Rate DRAM, DDR SDRAM), 是對SDRAM的增強，使用上下兩個時鍾沿（數電知識）作為控制信號，比僅使用一個時鍾沿的SDRAM快了一倍。不同的DDR是用提高有效帶寬的很小的預取緩沖區的大小來划分的：DDR(2位），DDR2(4位），DDR3(8位）。
- 視頻RAM（Video RAM, VRAM), 用在圖形系統的幀緩沖區中。與FPM基本思想相同，兩個主要區別：一：VRAM輸出是通過對緩沖區內容進行移位得到的，二: VRAM允許對內存並行讀寫
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2.2 只讀存儲器ROM
如果斷電RAM的數據都會丟失，所以RAM在這個意義上是易失的（volatile），非易失存儲器（nonvolatile memory）則在斷電后仍能保存數據。
由於歷史原因，ROM雖然也可以讀寫，但是他們整體上被稱為只讀存儲器（Read-Only memory）。
ROM以重寫次數和對它進行重編程的機制來區分
2.2.1 PROM(Program ROM，可編程ROM）
只能編程一次。PROM每個存儲單元有一種熔絲（fuse），只能用高電流熔斷一次。
2.2.2 可擦寫可編程（Erasable Programmable ROM， EPROM）
有一個透明的石英窗口，允許光到達存儲單元。紫外線照射存儲單元后EPROM會被清0，對EPROM進行編程寫1的操作是通過特殊設備完成的。可被擦寫重編程次數數量級可以達到1000次。
2.2.3 電子可擦除PROM（Electriccally Erasable Programmable ROM， EEPROM )
類似EPROM，但是它不需要一個物理上獨立的編程設備，因此可以直接在印制電路板上進行編程。 EEPROM可重編程數量可達到105 次。
2.2.4 閃存（flash memory）
非易失性存儲器，基於EEPROM。 SSD是一種基於閃存的磁盤存儲器
2.3 磁盤存儲
磁盤讀取數據是毫秒級，比DRAM讀慢了10萬倍，比SRAM讀慢了100萬倍。
2.3.1 磁盤構造
1. 磁盤由一個或多個疊放在一起的盤片（platter）構成。封裝在一個密封的容器中。 整個裝置通常被稱之為磁盤驅動器（disk driver)。
2. 每個盤片有兩面或者稱之為表面（surface）。表面覆蓋着磁性記錄材料。
每個表面由一組稱為磁道（track）的同心圓組成。
每個磁道被划分為一組扇區（sector）。每個扇區包含相同數量的數據位（一般512字節）。
扇區之間由一些間隙（gap）分隔開，這些間隙不存儲數據位，存儲用來標識扇區的格式化位。
3.盤片中央有一個可以旋轉的主軸（spindle） ，它使得盤片以固定的旋轉速率（rotational tare）旋轉。
4. 磁盤制造商一般用術語柱面（cylinder）來描述多個盤片驅動器的構造。柱面指所有盤片表面上到主軸中心的距離相等的磁道的集合。
2.3.2 磁盤容量
磁盤上可以記錄的最大位數稱為它的最大容量 ，或者簡稱為容量。 磁盤容量由以下技術因素決定：
1.記錄密度（recording density）（位/英寸）： 磁道一英寸的段中放入的位數。
2. 磁道密度（track density）（道/英寸）： 從盤片中心出發半徑上一英寸可以存放的磁道數。
3.面密度（areal density）（位/平方英寸）： 記錄密度與磁道密度的乘積。
可以提高面密度來提高磁盤的容量，而面密度每隔幾年幾乎就會翻倍。
最初的磁盤是在面密度很低的時候設計的，將每磁道分為數目相同的扇區，扇區數目由最內部磁道決定，這樣越靠外間隙（gap）就會越大，在磁道密度越來越大的今天將會變得十分浪費空間。
因此現代大容量磁盤使用多分區記錄（multiple zone recording）技術，柱面集合被分為不相交的子集，稱為記錄區（recording zone），每個區包含一組連續的柱面，區中的柱面磁道含有相同數量的扇區。
磁盤容量計算參考書中公式：
2.3.3 磁盤操作
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- 硬件組成：磁盤用讀寫頭（read/write head）來讀寫存儲在磁盤表面的數據，而讀寫頭連接到一個傳動臂（actuator arm）一端。
- 尋道（seek）： 驅動器通過沿着半徑軸前后移動傳動臂，將讀寫頭定位到磁道上的扇區。
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讀寫頭沖撞（head crash） ： 傳動臂末端的讀寫頭在磁盤表面大約0.1微米處的一層氣墊上飛翔，速度大約80KM/h。如果讀寫頭碰到細小的微塵將會停下來撞到表面。
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2.3.4 磁盤訪問時間（access time）
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- 尋道時間（seek time）： 為了讀取某個扇區的內容，傳動臂移動讀寫頭到目標扇區的磁道上的時間。依賴與讀寫頭的位置和傳動臂在表面上的移動速度。通常3~9ms，最大時間可達20ms。
- 旋轉時間（rotational time）：讀寫頭到達目標磁道后，等待扇區第一個位旋轉到讀寫頭下的時間。依賴與讀寫頭到達時扇區的位置和旋轉速度。平均旋轉時間時1/RPM的一半。
- 傳送時間（transfer time）：當扇區第一位到達讀寫頭下方時就可以進行傳送了，時間依賴與扇區的大小和盤片旋轉速度。
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2.3.5 邏輯磁盤塊
現代磁盤邏輯復雜，讀取磁盤數據對操作系統而言太過復雜。所以現代磁盤進行封裝后對操作系統呈現了一個簡單視圖：一個由B個扇區大小的邏輯塊序列，編號0.1.。。。B-1.磁盤中封裝一個磁盤控制器，維護邏輯塊和實際扇區的對應關系。
當I/O操作一個磁盤數據時，操作系統發送命令到磁盤控制器，控制器將邏輯塊通過快速表查詢翻譯成一個（盤面，磁道，扇區）的三元組，將讀寫頭移動到特定地址，並將感知到的位存放到控制器的緩沖區，然后將它復制到主存中。
2.4 固態硬盤（Solid State Disk， SSD）
固態硬盤時基於閃存的存儲技術，由一個或多個閃存芯片和閃存翻譯層（flash translation layer）組成，閃存芯片替代傳統的旋轉磁盤的機械驅動器（盤片組），閃存翻譯層是一個固件設備，相當於磁盤控制器。
三：存儲器層次結構
