浅谈存储器件的发展历史和趋势

计算机组成与原理

课程论文

论文标题：浅谈存储器件的发展历史和趋势姓名：

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专业：计算机科学与技术

2013 年11 月20日

【摘要】：

存储器件是计算机系统的重要组成部分，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。由于RAM的存取速度比ROM快的多，其成为内存的主要组成元件。内存发展主要经历了FP DRAM（快页内存），FPM DRAM（快速页切换模式动态随机存取存储器），EDO DRAM（外扩充数据模式存储器），SDRAM（同步动态随机存取存储器），Rambus DRAM，DDR SDRAM（二倍速率同步动态随机存取存储器），DDR2等几个时期。

【关键字】：半导体存储器，随机存储器，动态，存取速度，同步

【正文】：

1. 存储器简介

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

构成存储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M 个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。

2. 半导体存储器

由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。

2.1 只读存储器

ROM是线路最简单的半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，在元件正常工作的情况下，其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般地，只读存储器用来存放固定的程序和数据，如微机的监控程序、BIOS (基本输入/输出系统Basic Input/Output System)、汇编程序、用户程序、数据表格等。

根据编程方法不同，ROM可分为以下五种：1、掩码式只读存储器，这类ROM在制造过程中，其中的数据已经事先确定了，因而只能读出，而不能再改变。它的优点是可靠性高，价格便宜，适宜批量生产。2、可一次性编程只读存储器（PROM），为了使用户能够根据自己的需要来写ROM，厂家生产了一种PROM。允许用户对其进行一次编程──写入数据或程序。一旦编程之后，信息就永久性地固定下来。用户可以读出和使用，但再也无法改变其内容。3、可擦可编程只读存储器（EPROM），这是一种具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程的ROM 内存，写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的IC卡上的透明视窗的方式来清除掉。4、电可擦可编程只读存储器（EEPROM），功能与EPROM一样，不同之处是清除数据的方式，它是以约20V的电压来进行清除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。5、快闪存储器（Flash Memory），是在EEPROM的基础上发展而来，只是它提高了ROM的读写速度。

然而，相比之下，ROM的读取速度比RAM要慢的多，因此，一般都用RAM来存放当前正在运行的程序和数据，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。而面对CPU的高速发展，内存的速度使得高速运算受到了限制，为了缓解这种矛盾，人们找到了几种方法，其中一种就是采用更高速的技术，使用更先进的RAM作为内存。于是，就有了RAM的发展历史。

2.2 随机存储器

RAM可分为SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）和DRAM（Dynamic RAM，动态随机存取存储器）。SRAM曾经是一种主要的内存，它以6颗电子管组成一位存储单元，以双稳态电路形式存储数据，因此不断电时即可正常工作，而且它的处理速度比较快而稳定，不过由于它结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本也相当高，所以现在常把SRAM用在比主内存小的多的高速缓存上。而DRAM 的结构相比之下要简单的多，其基本结构是一个电子管和一个电容，具有结构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等优点，适合制造大容量存储器，所以现在我们用的内存大多是由DRAM构成的。但是，由于是DRAM将每个内存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来做储存动作，因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。

3. 内存的发展

下面主要讲述内存条的发展历程。

首先，在一开始的时候，内存是以一块块的IC（集成电路）焊接到主板上的，然而，这样做对于后期维护产生了很多问题，十分不方便。于是，内存条的概念出现了。

3.1 FP DRAM

在80286主板刚推出的时候，内存条采用了SIMM（Single In-line Memory Modules，单边接触内存模组）接口。其在80286处理器上是30pin SIMM 内存，随后，到了386，486时期，由于CPU 已经向16bit 发展，30pin SIMM 内存无法满足需求，其较低的内存带宽已经成为急待解决的瓶颈，因此就出现了70pin SIMM内存。72线的SIMM内存引进了一个FP DRAM（快页内存），因为DRAM需要恒电流以保存信息，一旦断电，信息即丢失。它的刷新频率每秒钟可达几百次，但由于FP DRAM使用同一电路来存取数据，所以DRAM的存取时间有一定的时间间隔，这导致了它的存取速度并不是很快。另外，在DRAM中，由于存储地址空间是按页排列的，所以当访问某一页面时，切换到另一页面会占用CPU额外的时钟周期。

3.2 FPM DRAM

486时期普遍应用的内存是FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速页切换模式动态随机存取存储器），这是改良版的DRAM，传统的DRAM在存取一个BIT的数据时，必须送出行地址和列地址各一次才能读写数据。而FRM DRAM在触发了行地址后，如果CPU需要的地址在同一行内，则可以连续输出列地址而不必再输出行地址了。由于一般的程序和数据在内存中排列的地址是连续的，这种情况下输出行地址后连续输出列地址就可以得到所需要的数据，从而大大提高读取速度。

3.3 EDO DRAM

继FPM之后，出现的一种存储器——EDO DRAM（Extended Date Out RAM，外扩充数据模式存储器）内存开始盛行。EDO-RAM不需要像FPM DRAM那样在存取每一BIT 数据时必须输出行地址和列地址并使其稳定一段时间，然后才能读写有效的数据，而下一个BIT的地址必须等待这次读写操作完成才能输出，它取消了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔，在把数据发送给CPU的同时去访问下一个页面，故而速度要比普通DRAM快

15~30%。之后，由美光公司提出的改良型的EDO DRAM，BEDO DRAM（爆发式延伸数据输出动态随机存取存储器），它在芯片上增加了一个地址计数器来追踪下一个地址。它是突发式的读取方式，也就是当一个数据地址被送出后，剩下的三个数据每一个都只需要一个周期就能读取，因此一次可以存取多组数据。但支持BEDO DRAM内存的主板很少，不久就被取代了。

3.4 SDRAM

自Intel Celeron系列以及AMD K6处理器以及相关的主板芯片组推出后，EDO DRAM内存性能再也无法满足需要了，内存技术必须彻底得到个革新才能满足新一代CPU架构的需求，此时内存开始进入SDRAM时代。SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存取存储器），是一种与CPU实现外频Clock同步的内存模式。所谓clock同步是指内存能够与CPU同步存取资料，这样可以取消等待周期，减少数据传输的延迟，因此可提升计算机的性能和效率。它和原理是，SDRAM在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑（一个状态机），利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。SDRAM 内存有PC66 规范，PC100规范，PC133规范，甚至为超频需求，又提供了PC150、PC166规范的内存。

3.5 Rambus DRAM

Intel与Rambus公司联合开始在PC市场推广Rambus DRAM内存。与SDRAM不同的是，RDRAM 采用了新一代高速简单内存架构，基于一种类RISC（Reduced Instruction Set Computing，