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  • 存储技术的发展：
  • 内存 & 储存介质
    • 内存 memory：”易失性”存储器，断电则数据丢失
    • 储存介质/存储器 storage：是”非易失性”的，任何写入”存储器”的数据，比如你的硬盘数据会一直存着，直到被覆盖或删除，断电也不会丢失

打孔纸卡 & 打孔纸带

时间：打孔纸卡以及打孔纸带是最早的存储介质。
容量：到1940年代，纸卡标准是 80列x12行，一张卡能存 960 位数据 (80x12=960)
实例：美国军方 1958 年投入使用的防空系统，主程序存储在 62,500 个纸卡上，大小 5MB 左右, 相当如今手机一张照片的大小
优点：不用电而且便宜耐用
缺点：

  • 读取慢
  • 容量小
  • 只能写入一次（打的孔无法轻易补上），不灵活，不方便存储临时值

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延迟线存储器 Delay Line Memory

原理：拿一个管子装满液体，如水银，扬声器发出脉冲时会产生压力波，压力波需要时间传播到另一端的麦克风，麦克风将压力波转换回电信号。我们可以用压力波的传播延迟来存储数据。假设有压力波代表 1，没有代表 0，扬声器可以输出 1010 0111，压力波沿管子传播，过了一会儿，撞上麦克风，将信号转换回 1 和 0，如果加一个电路，连接麦克风和扬声器，再加一个放大器（Amplifier）来弥补信号衰弱，就能做一个存储数据的循环。
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特点：

  • 信号沿电线传播几乎是瞬时的，所以任何时间点只显示 1 bit 数据
  • 但管子中可以存储多个位(bit)

实例：1949 年，EDVAC计算机使用了延迟线存储器。总共有 128 条延迟线，每条能存 352 位（bits），总共能存 45,000 位(bit)。
缺点：

  • 是 顺序存储器/循环存储器，访问速度慢：由于每一个时刻只能读一位 (bit) 数据，如果想访问一个特定的 bit，比如第 112 位(bit) ，你得等待它从循环中出现
  • 难以增加内存密度，即难以提升存储容量：把压力波变得更紧密就更容易混在一起。
    • 改良： “磁致伸缩延迟存储器”，用金属线的振动来代表数据，通过把线卷成线圈，1英尺×1英尺的面积能存储大概 1000位(bit)

时间：延迟线存储器在 1950 年代中期就基本过时了

磁芯存储器 Magnetic Core Memory

原理：

  • 使用一个像甜甜圈的小型磁圈，如果给磁芯绕上电线，并施加电流，可以将磁化在一个方向；如果关掉电流，磁芯保持磁化；如果沿相反方向施加电流，磁化的方向（极性）会翻转。这样就可以存一位 1 和 0。
  • 把磁圈排列成网格来存储多位数据。有电线负责选行和列；也有电线贯穿每个磁芯, 用于读写一位(bit)。

实例：磁芯存储器的第一次大规模运用是 1953 年麻省理工学院的 Whirlwind 1 计算机，磁芯排列是 32×32，所以能存 1024 位(bit) (32x32=1024)；用了 16 块板子，能存储大约 16000 位(bit)
优点：磁芯存储器能是随机存取存储器，能随时访问任何一位(bit)
缺点：

  • 手工编织磁芯网格
  • 存储成本依然很高：刚开始时，存储成本大约 1 美元 1 位(bit)；到1970年代，下降到 1 美分左右 1 位(bit)，这意味着存储现代手机的一张照片（5MB ≈ 4000 万 bit），需要花费 40 万美分

时间：”磁芯存储器” 从 1950 年代中期开始成为主流，流行了 20 多年
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磁带 Magnetic Tape

原理：磁带是纤薄柔软的一长条磁性带子，卷在轴上，可以在”磁带驱动器”内前后移动。

  • 写：磁带驱动器里面有一个”写头”绕了电线，电流通过产生磁场，导致磁带的一小部分被磁化，电流方向决定了极性，代表 1 和 0。
  • 读：磁带驱动器里还有一个”读头”，可以非破坏性地检测极性。

实例：1951 年，最早进行商业销售的电脑之一 UNIVAC 用了半英寸宽、8条并行的磁带，磁带每英寸可存 128 位数据，每卷有 1200 英尺长，意味着一共可以存 1500 万位左右，接近2兆字节（2 MB）
优点：虽然磁带驱动器很贵，但磁带又便宜又小，因此磁带至今仍用于存档。
缺点：访问速度慢：因为磁带是连续的，必须倒带或快进到达特定位置才能访问相应的数据，可能要几百英尺才能得到某个字节(byte)，这很慢。

磁鼓存储器 Magnetic Drum Memory

时间：1950, 60年代。到 1970 年代 “磁鼓存储器” 不再生产。
原理：类似磁带。有金属圆筒，盖满了磁性材料以记录数据。滚筒会持续旋转，周围有数十个读写头，data.
等滚筒转到正确的位置，读写头会读或写 1 位(bit) 数据。为了尽可能缩短延迟, 鼓轮每分钟上千转。
实例：到 1953 年，磁鼓技术飞速发展，可以买到存 80,000 位的”磁鼓存储器”，也就是 10 KB
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硬盘 Hard Disk Drives

原理：

  • 硬盘和磁鼓类似，磁鼓导致了硬盘的发展。不过硬盘用的是盘，不像磁鼓用圆柱体。磁盘表面有磁性，写入头和读取头 可以处理上面的 1 和 0。
  • 要访问某个特定 bit，一个读/写磁头会向上或向下移动，找到正确的磁盘，然后磁头会滑进去

优点：

  • 容量大：硬盘薄，可以叠在一起，提供更多表面积来存数据
  • 价格便宜

实例：1956年，IBM生产的世界上第一台磁盘计算机 RAMAC 305，有 50 张 24 英寸直径的磁盘，总共能存 5 MB 左右。RAMAC 305 访问任意数据，平均要六分之一秒左右（寻道时间）
发展 & 容量：如今的硬盘可以轻易容纳 1TB 甚至更多的数据，能存 20 万张 5MB 的照片，网上最低 40 美元就可以买到，每 bit 成本 0.0000000005 美分。另外，现代硬盘的平均寻道时间低于 1/100 秒。

软盘 Floppy Disk

时间：在 1970~1990 非常流行，现已淘汰。
原理：除了磁盘是软的，软盘与硬盘基本一样。
优点：便携

光盘 CD & DVD - Compact Disk

时间：光学存储器于 1972 年出现，12 英寸的”激光盘”；后来出现光盘，简称 CD；90年代流行 DVD
原理：光盘表面有很多小坑，造成光的不同反射，光学传感器会捕获到，并解码为 1 和 0

固态硬盘 SSD - Solid State Disk

原理：固态硬盘没有机械活动部件，里面是集成电路。
优点：快：由于 SSD 没有移动部件，磁头不用等磁盘转，所以 SSD 访问时间低于 1/1000 秒。
缺点：还是比 RAM 慢很多倍

内存层次结构 Memory Hierarchy

原理：

  • 一小部分高速但昂贵的内存 + 一部分稍慢但相对便宜些的内存 + 更慢更便宜但容量更大的内存。
  • 在成本和速度间取得平衡

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