计算机存储原理及其技术发展

计算机存储原理及其技术发展

计算机的组织结构中的存储器是用来存放数据和程序的集成电路或介质，存储器的种类有很多。而存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有性能可接受的存储系统。

一、计算机存储原理

计算机中主要使用动态存储器（DRAM），动态存储器每片只有一条输入数据线，而地址引脚只有8条。为了形成64K地址，必须在系统地址总线和芯片地址引线之间专门设计一个地址形成电路。使系统地址总线信号能分时地加到8个地址的引脚上，借助芯片内部的行锁存器、列锁存器和译码电路选定芯片内的存储单元，锁存信号也靠着外部地址电路产生。当要从DRAM芯片中读出数据时，CPU 首先将行地址加在A0-A7上，而后送出RAS锁存信号，该信号的下降沿将地址锁存在芯片内部。接着将列地址加到芯片的A0-A7上，再送CAS锁存信号，也是在信号的下降沿将列地址锁存在芯片内部。然后保持WE=1，则在CAS有效期间数据输出并保持。

衡量存储器的主要性能指标为存储容量，速度，可靠性，访问方式及其价格等。计算机最初采用串行的延迟线存储器，不久又用磁鼓存储器。后来又使用磁芯存储器作为主存。而半导体存储器的产生逐渐取代磁芯存储器。在逻辑结构上，并行存储和从属存储器技术的采用提高了主存的供数速度，缓和了主存和高速的中央处理器速度不匹配的矛盾。1968年IBM- 360/85最早采用了高速缓冲存储器——主存储器结构。1970年，美国RCA公司研究成功虚拟存储器系统。IBM 公司于1972年在IBM370系统上全面采用了虚拟存储技术。

（一）存储器按其所处的位置可以分为内存和外存

1．内存是在主机板上用来存放当前运行所需要的程序和数据，以便向中央处理机高速提供信息。其特点是容量小、速度较快，也叫做主存。内存为随机存储器，主要由五部分组成，地址寄存器用来存放由地址总线提供的将要访问的存

储单元的地址码：存储体是内存放数据的场所；译码驱动器根据存放在地址寄存器中的地址码，在存储体中找到相应的存储单元；数据寄存器是用来存放要写入存储体的数据，或是从存储体中取出数据：时序控制线路根据该写命令，从时间上协调随机存储器的各部分，控制各部分完成相应的操作。

2．外存计算机的外存储器～般有：软盘、硬盘、CD—ROM、可擦写光驱即CD—Rw光驱还有USB接U的移动硬盘、光驱、或u盘，擦写电子硬盘(优盘)等，这些存储器的存储原理将在后面的文章里有详细的介绍。

（二）存储器的分类

按存储介质可以分为半导体存储器和磁表面存储器；按存储方式可分为随机存储器和顺序存储器；按读写功能可分为只读存储器(ROM)和随机读写存储器(RAM)；按信息保存性按信息保存性可分为非永久记忆的存储器和永久记忆性存储器；根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。

二、计算机存储技术的发展

目前，存储的主要方式有直接附加存储（DAS），网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。由于DAS直接将存储设备连接到服务器上，这导致它在传递距离、连接数量、传输速率等方面受到限制。因此，当存储容量增加时，DAS 方式很难扩展，这对存储容量的升级是一个巨大的瓶颈；另一方面，由于数据的读取豆芽通过服务器来处理，必然导致服务器的压力增加，数据处理和传输能力大大下降。目前，DAS基本上已逐渐被NAS所替代。

对于NAS，它去掉了通用服务器的大多数计算功能，而仅仅提供文件系统功能，从而降低了设备的成本，并且方便存储设备与服务器分离，其存储设备在功能上完全独立于网络的主服务器，客户机与存储设备之间进行直接的数据访问，所以不仅响应速度快，而且数据传输速率也高。其发展方向可以定位在解决备份过程中的带宽消耗。与将备份数据流从LAN中转移出去的存储区域网（SAN）不同，NAS仍使用网络进行备份和恢复。NAS 的一个缺点是它将存储事务由并行SCSI连接转移到了网络上。这就是说LAN除了必须处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操作的存储磁盘请求。

SAN实际是一种专门为存储建立的独立于TCP/IP网络之外的专用网络。目

前一般的SAN提供2Gb/S到4Gb/S的传输数率，同时SAN网络独立于数据网络存在，因此存取速度很快，另外SAN一般采用高端的RAID阵列，使SAN的性能在几种专业存储方案中傲视群雄。SAN由于其基础是一个专用网络，因此扩展性很强，不管是在一个SAN系统中增加一定的存储空间还是增加几台使用存储空间的服务器都非常方便。通过SAN接口的磁带机，SAN系统可以方便高效的实现数据的集中备份。目前，SAN被局限在其成本和复杂性上，因此，其发展可以定位在将光盘存储设备与网络进行连接，避免存储方式中的单点故障，同时还可以强调异地的数据备份等。

目前存储技术的发展主要方向为虚拟化技术。随着数据量的增长，如何有效利用现有的存储能力和存储架构，简化存储管理以降低维护成本成为人们关注的热点。虚拟存储技术的出现和应用有助于更充分地发挥现有存储硬件的能力和提高存储效率。存储虚拟化的核心在于将物理存储设备映射到单一的逻辑资源池中。

通常来说，虚拟化是通过建立一个虚拟抽象层来实现的。这个虚拟层向用户提供了一个统一的接口，向下隐藏了存储的物理的实现。根据虚拟层在存储系统中所处的位置，我们可以把存储虚拟化的实现方法分成以下几种方式：基于存储设备端的虚拟存储、基于服务器端的虚拟存储和基于存储网络的虚拟存储。

三、总结

移动存储和网络存储是存储技术发展的两大主题。存储技术的发展除了满足对高存储容量和高存取速度的基本要求，还对如何使数据的存储更加经济和安全，存储在时间上的可延展性和空间上的可扩展性提出了更高的要求，这就使得各种存储设备和存储技术趋于融合，最终统一在一个标准的架构之下。