存储器

复习

1. 第二十六章：设计实现了寄存器，它可以保存少量数据
2. 第二十九章：为了解决“线太多“的问题，引入了地址、译码器和存储矩阵，得到了能按地址取用的存储器

TL;DR

• 存储器按地址存取数据，容量远大于寄存器
• RAM：可读可写，但断电后数据丢失（易失）
• ROM：只能读，断电后数据保留（非易失）
• “内存“指 RAM，“硬盘“属于外存，二者的速度和用途都不同

正文

　　上一章，我们靠着地址、译码器和矩阵，做出了能存很多数据、又能按需取用的存储器。这一章把它看仔细些。

按地址存取

　　存储器的使用方式很简单：给一个地址，它就吐出（或吞进）对应单元里的数据。

• 写：把地址和要写的数据一起送进去，再拉一下写信号，数据就存好了
• 读：把地址送进去，拉一下读信号，数据就从数据线上出来

　　一个存储器能存多少个单元、每个单元多少位，都是设计时定好的。比如“1K × 8 位“，就是 1024 个单元，每个单元 8 位。

RAM：可读可写

　　既能读、又能写的存储器，叫随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）。

　　“随机存取“的意思是：不管访问哪个地址，花的时间都差不多，想读哪个就读哪个，不需要从头一个个找。（与之相对的是“顺序存取”，比如老式磁带，必须倒带倒到位置才能读。）

　　RAM 有个要命的缺点：断电就全忘了。所以它属于“易失性存储器“。这也是为什么电脑一断电，没保存的东西就没了。

　　RAM 按保存数据的方式，又分两种：

• 静态 RAM（SRAM）：用触发器保存数据，速度快，但每个 bit 要很多晶体管，贵、占地方
• 动态 RAM（DRAM）：用电容上的电荷保存数据，电容会漏电，需要不停地“刷新“，速度慢一些，但便宜、密度高

　　我们平时说的“内存条“，大多是 DRAM；而 CPU 里那种又快又小的缓存，用的是 SRAM。

ROM：只能读

　　另一种存储器叫只读存储器（ROM，Read-Only Memory）。顾名思义，它里面的数据是预先写好的，平时只能读、不能随便改，而且断电后数据依然保留。

　　你可能会问：那手机、电脑里那些能升级的系统固件是怎么回事？其实现在的 ROM 早已不是“绝对不可写“，而是发展出了可擦写、可电擦写的各种变体。但“断电不丢“这个基本特点没变。它常用来存放开机时就要用到的程序，比如主板上的 BIOS。

内存与硬盘

　　日常生活中，人们常把 RAM 叫作“内存“，把硬盘叫作“硬盘“（外存）。它们的区别很关键：

　　这两者的速度和容量差距极大，正是下一章“存储层次结构“要处理的核心矛盾。

思考题

　　为什么“内存“断电会丢数据，而“硬盘“不会？如果有一天内存也能断电不丢，电脑还需要硬盘吗？

小结

知识点

• 存储器按地址存取
• RAM 与 ROM 的区别
• SRAM 与 DRAM
• 内存与外存的区别

参考资料

1. Wikipedia(zh)：随机存取存储器：RAM 的详细介绍
2. Wikipedia(zh)：只读存储器：ROM 的详细介绍
3. Wikipedia(zh)：動態隨機存取記憶體：DRAM 的工作原理

思考题答案（仅供参考）

　　内存用 DRAM（靠电容电荷）或 SRAM（靠触发器）保存数据，一旦断电，电荷消失、触发器状态也没了，所以数据丢失；硬盘把数据记录在磁性介质或闪存单元上，不依赖持续供电，所以断电也能保留。如果内存真的做到又快又大又断电不丢，那“内存“和“硬盘“的界限就会模糊，电脑也许不再需要传统意义上的硬盘——但那意味着成本和工艺的巨大突破。

协议

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设计师 | 南国微雪