如果没有大量的内存,计算机只能执行固定的操作并立即输出结果,必须重新配置才能改变它的行为。这对于台式计算器、数字信号处理器和其他专用设备来说是可以接受的。冯诺依曼机的不同之处在于它们有一个存储操作指令和数据的存储器。[1] 这种计算机用途更广,因为它们不需要为每个新程序重新配置硬件,而只需用新的内存指令重新编程即可;它们也易于设计,因为相对简单的处理器可以在连续计算之间保持状态,以建立复杂的程序结果。大多数现代计算机都是冯诺依曼机。
现代数字计算机使用二进制数字系统表示数据。文本、数字、图片、音频和几乎任何其他形式的信息都可以转换成一串比特或二进制数字,每个比特或二进制数字的值为1或0。最常见的存储单位是字节,等于8比特(位)。任何计算机或设备都可以处理一条信息,只要其存储空间足以容纳该条信息二进制表示或者仅仅是数据。例如,印刷大约1250页的《莎士比亚全集》可以存储在大约5MB(4000万比特)存储空间中,每个字符占一个字节存储空间。
通过为每个字符、数字或多媒体对象分配一个位模式来编码数据。存在许多编码标准(例如,字符编码如ASCII,图像编码如JPEG,视频编码如MPEG-4)。
通过向每个编码单元添加比特,冗余允许计算机检测编码数据中的错误,并根据数学算法进行纠正。由于随机位值翻转或“物理位疲劳”、物理位在存储过程中失去保持可分辨值(0或1)的能力,或者由于计算机间或计算机内通信的错误,错误通常低概率出现。随机位翻转(例如,由于随机辐射)通常在检测时被校正。一位或一组有故障的物理位(并不总是知道特定的有缺陷位;组定义取决于特定的存储设备)通常被自动隔离,被设备停止使用,并由设备中的另一个功能等同的组代替,在该组中恢复校正的比特值(如果可能)。循环冗余校验(CRC)方法通常用于通信和存储中进行错误检测。然后重试检测到的错误。
通常,存储器在层次结构中的层次越低,其带宽越小,从CPU访问的延迟就越大。这种将存储器划分为第一级、第二级、第三级和离线存储器的传统方式也受每比特成本的影响。
在当代用法,“内存”通常是半导体读写随机存取存储器,通常也是动态随机存取存储器(DRAM)或其他形式的快速但临时的存储器。“存储器”包括CPU(第二级或第三级存储器)不能直接访问的存储设备及其介质,通常是硬盘驱动器、光盘驱动器和其他比RAM慢但非易失性的设备(断电时保存内容)。[2]
历史上,内存被称为核心内存、主内存、真实内存或内部内存。同时,非易失性存储设备被称为第二级存储器、外部存储器或辅助/外围存储器。
第一级存储器(也称为主存储器、内部存储器或主内存),通常简称为内存,是唯一可由CPU直接访问的存储器。CPU持续读取存储在内存的指令,并根据需要执行它们。任何活跃操作的数据也以统一的方式存储在内存。
历史上,早期的计算机使用延迟线、威廉姆斯管或旋转磁鼓作为第一级存储器。到1954年,那些不可靠的方法大多被磁芯存储器所取代。直到20世纪70年代,当集成电路技术上的进步使半导体存储器具有经济竞争力时,磁芯存储器仍占主导地位。
这使得现代随机存取存储器(RAM)被制造出来。RAM体积小,重量轻,但十分昂贵。(用于第一级存储器的RAM也是易失性的,即它们在未通电时会丢失信息)。
如图所示,传统上,第一级存储器除了有主要的大容量RAM之外,还有两个或两个以上子层:
主存储器通过存储器总线直接或间接连接到中央处理单元。它实际上是两条总线(不在图上):一条地址总线和一条数据总线。中央处理器首先通过地址总线发送一个数字,这个数字被称为内存地址,它表示数据的期望位置。然后它通过数据总线读取存储单元中的数据或将数据写入存储单元中。此外,内存管理单元(MMU)是位于中央处理器和RAM之间的小型设备,用于重新计算真实存储器地址,例如提供虚拟存储器或其他任务的抽象。
因为用于第一级存储器的随机存取存储器RAM类型是易失性的(启动时未初始化),所以仅包含此类存储器的计算机将无法从中读取指令以启动计算机。因此,包含小型启动程序(BIOS)的非易失性第一级存储器被用来引导计算机,即从非易失性第二级存储器读取较大的程序到RAM并开始执行它。用于此目的的非易失性技术被称为只读存储器ROM(该术语可能有些混乱,因为大多数ROM类型也能够随机存取)。
许多类型的“ROM”不是字面上只读的,因为它们的更新是可能的;但是速度很慢,在重新写入之前,必须大部分擦除该存储器。一些嵌入式系统直接从ROM(或类似的存储器)运行程序,因为这样的程序很少被改变。标准计算机不将非基本程序存储在ROM中,而是使用大容量的第二级存储器,这种存储器也是非易失性的,并且成本也不高。
最近,在某些用途中,第一级存储器和第二级存储器分别指历史上所谓的第二级存储器和第三级存储器。[3]
第二级存储器(也称为外部存储器或辅助存储器)与第一级存储器的不同之处在于它不能被CPU直接访问。计算机通常使用其I/O通道来访问第二级存储器,并将所需数据传输到第一级存储器。第二级存储器是非易失性的(断电时保留数据)。现代计算机系统通常第二级存储器比第一级存储器多两个数量级,因为第二级存储器更便宜。
在现代计算机中,硬盘(HDDs)和固态硬盘(SSDs)通常被用作第二级存储器。硬盘和固态硬盘的每字节访问时间通常以毫秒(千分之一秒)为单位,而第一级存储器的每字节访问时间以纳秒(十亿分之一秒)为单位。因此,第二级存储器明显慢于第一级存储器。旋转光学存储设备,如CD和DVD驱动器,需要更长的访问时间。辅助存储技术的其他例子包括USB闪存驱动器、软盘、磁带、纸带、穿孔卡和RAM磁盘。
一旦硬盘上的磁盘读/写磁头到达正确的位置和数据,磁道上的后续数据就可以非常快地访问。为了减少寻道时间和旋转延迟,数据在大的连续块中来回传输于磁盘。磁盘上的顺序访问或块访问比随机访问快几个数量级,并且已经开发了许多复杂的范例来设计基于顺序访问和块访问的高效算法。减少I/O瓶颈的另一种方法是并行使用多个磁盘,以增加第一级存储器和第二级存储器之间的带宽。[4]
第二级存储器通常根据文件系统格式进行格式化,这提供了将数据组织到文件和目录中所必需的抽象,同时还提供了描述某个文件的所有者、访问时间、访问权限和其他信息的元数据。
大多数计算机操作系统使用虚拟内存这一概念,允许使用比系统中物理可用容量更多的第一级存储器容量。当第一级存储器填满时,系统会将最少使用的区块(页面)移动到第二级存储器上的交换文件或页面文件中,然后在需要这些区块(页面)时进行检索。如果将大量页面移动到速度较慢的第二级存储器,系统性能会下降。
第三级存储设备或第三级存储器[5] 比第二级存储器低一级。通常,它包括一个机器人机制,该机制将根据系统的需求将可移动大容量存储介质安装(插入)到存储设备中,和从存储设备中拆卸;这些数据通常在使用前被复制到第二级存储器。它主要用于存档很少访问的信息,因为它比第二级存储器慢得多(例如第三级存储器5-60秒vs.第二级存储器1-10毫秒)。这主要适用于超大型数据存储,无需人工操作即可访问。典型的例子包括磁带库和光盘机。
当计算机需要从第三级存储器中读取信息时,它将首先查阅目录数据库,以确定哪个磁带或光盘包含该信息。接下来,计算机将指示机械臂取出介质并将其放入驱动器中。当计算机读取完信息后,机械臂将介质放回其在库中的位置。
第三级存储也称为近线存储,因为它“接近在线”。在线存储、近线存储和离线存储之间的正式区别是:[6]
例如,始终在线旋转的硬盘驱动器是在线存储设备,而自动旋转的旋转驱动器(如大规模空闲磁盘阵列(MAID))是近线存储设备。可移动介质(如磁带库中可自动加载的磁带盒)是近线存储设备,而必须手动加载的盒式磁带是离线存储设备。
离线存储是不在处理单元控制下的介质或设备上的计算机数据存储。[7] 介质通常被记录在第二级或第三级存储设备中,然后被物理移除或断开。它必须由操作员插入或连接,计算机才能再次访问它。与第三级存储器不同,没有人的交互就无法访问它。
离线存储用于传输信息,因为分离的介质可以容易地物理传输。此外,如果灾难(例如火灾)破坏了原始数据,远程位置的介质可能不会受到影响,从而实现灾难恢复。离线存储提高了一般信息的安全性,因为它在物理上无法从计算机访问,并且数据的保密性和完整性不受基于计算机攻击技术的影响。此外,如果出于存档目的而存储的信息很少被访问,离线存储设备比第三级存储器便宜。
在现代个人计算机中,大多数二级和三级存储介质也用于离线存储。光盘和闪存设备最受欢迎,可移动硬盘驱动器的受欢迎程度要低得多。在企业应用中,磁带占主导地位。更早的例子是软盘、压缩磁盘或穿孔卡。
可以通过评估特定核心特性以及可以通过测量得知的特性来区分存储层次结构中所有级别的存储技术。这些核心特征是易失性、可变性、可访问性和可寻址性。对于任何存储技术的任何特定实施,值得测量的特性是容量和性能。
即使没有持续供电,非易失性存储器也能保留存储的信息。[8] 它适合信息的长期存储。易失性存储器需要恒定的功率来保持存储的信息。最快的内存技术是易失性的,尽管这不是一个普遍的规则。由于主存储器要求非常快,所以它主要使用易失性存储器。
动态随机存取存储器是易失性存储器的一种形式,它也要求存储的信息被周期性地重读、重写或刷新,否则它将消失。静态随机存取存储器是一种类似于动态随机存取存储器的易失性存储器,唯一不同之处是只要通电就不需要刷新;当电源中断时,它会丢失内容。
不间断电源(UPS)可用于给计算机一个短暂的时间窗口,以便在电池耗尽之前将信息从易失性的主存储器转移到非易失性存储器。一些系统,例如EMC公司开发的Symmetrix,集成了电池,可保持易失性存储几分钟。
位置可寻址
对于大多数存储设备,全磁盘加密、卷和虚拟磁盘加密和或文件/文件夹加密都是现成的。[16]
英特尔架构提供硬件内存加密,支持全内存加密(TME)和多密钥页面粒度内存加密(MKTME),[17][18] 以及自2015年10月以来的SPARC M7处理器。[19]
截至2011年,最常用的数据存储介质是半导体、磁性和光学材料,而纸张仍然有一些有限的用途。其他一些基本的存储技术,如全闪存阵列(AFAs)也被提议开发。
半导体存储器使用基于半导体的集成电路来存储信息。半导体存储芯片可能包含数百万个微小的晶体管或电容。半导体存储器有易失性和非易失性两种形式。在现代计算机中,第一级存储器几乎完全由动态易失性半导体存储器或动态随机存取存储器组成。自本世纪初以来,一种被称为闪存的非易失性半导体存储器作为家庭计算机的离线存储设备,其份额稳步上升。非易失性半导体存储器也用于各种高级电子设备和为其设计的专用计算机的第二级存储器。
早在2006年,笔记本电脑和台式机制造商就开始使用基于闪存的固态硬盘(SSDs)作为第二级存储器的默认配置选项,作为更传统的HDD的补充或替代。[20][21][22][23][24]
磁存储器在磁性涂层表面使用不同的磁化模式来存储信息。磁存储是非易失性的。使用一个或多个可包含一个或多个记录换能器的读/写头来访问信息。读/写头仅覆盖表面的一部分,因此为了访问数据,磁头或介质或两者必须相对于另一个移动。在现代计算机中,磁存储器将采取以下形式:
在早期的计算机中,磁存储器也被用作:
光学存储器(典型的是光盘),它将信息以变形形式存储在圆盘表面,并通过用激光二极管照射表面和观察反射来读取这些信息。光盘存储是非易失性的。变形可以是永久的(只读介质)、一次形成的(一次写入介质)或可逆的(可记录或读/写介质)。以下形式目前普遍使用:[25]
磁光盘存储器是一种光盘存储器,其中铁磁表面上的磁状态存储信息。信息通过光学方式读取,并通过结合磁性和光学方法写入。磁光盘存储是非易失性、顺序存取、慢写、快读存储,用于第三级和离线存储器。
还提出了3D光学数据存储。
对于高速低能耗磁光存储,还提出了磁光电导体中的光诱导磁化熔化。[26]
纸数据存储,通常以纸带或穿孔卡片的形式,长期以来被用于存储信息以进行自动处理,特别是在通用计算机出现之前。通过在纸或纸板介质上打孔来记录信息,并通过机械方式(或后来通过光学方式)读取信息,以确定介质上的特定位置是实心的还是有孔的。一些技术允许人们在纸上做容易被机器阅读的标记——这些技术被广泛用于选票列表和标准化测试的评分。条形码使得任何要出售或运输的物品安全地附着一些计算机可读信息成为可能。
虽然一组位故障可以通过错误检测和纠正机制来解决,但是存储设备故障需要不同的解决方案。以下解决方案通常用于大多数存储设备,并且有效:
设备镜像和典型的RAID设计用于处理RAID设备组中的单个设备故障。但是,如果第二次故障发生在从第一次故障完全修复RAID组之前,则数据可能会丢失。单一故障的概率通常很小。因此,同一个RAID组中两个故障在时间上接近的概率要小得多(近似概率的平方,即乘以自身)。如果数据库不能容忍如此小的数据丢失概率,则复制(再现)RAID组本身。在许多情况下,这种镜像是在地理位置上远程进行的,在不同的存储阵列中进行,也是为了处理灾难恢复。
第二级或第三级存储器可以利用计算机网络连接到计算机。这一概念不适用于第一级存储器,第一级存储器在多个处理器之间共享的程度较低。
大量单独的磁带和光盘或磁光盘可以存储在机器人第三级存储设备中。在磁带存储领域,它们被称为磁带库,而在光存储领域,它们被称为光盘机或类似的光盘库。任一种技术仅包含一个驱动设备的最小形式被称为自动加载器或自动转换器。
机器人存取存储设备可以具有多个插槽,每个插槽容纳单独的介质,通常一个或多个拾取机器人穿过插槽并将介质加载到内置驱动器。槽和拾取装置的布置会影响性能。这种存储器的重要特征是可能的扩展选项:添加插槽、模块、驱动器、机器人。磁带库可能有10到100,000多个插槽,并提供太字节或拍字节数量的近线信息。光盘机是稍小一些的解决方案,最多有1000个插槽。
机器人存储用于备份,以及成像、医疗和视频行业的高容量存档。分层存储管理是一种众所周知的归档策略,可以将长期未使用的文件从快速硬盘存储自动迁移到库或光盘机。如果需要这些文件,它们将被检索回磁盘。
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