2021-10-26 数据存储的基本原理

1 数据存储的实现

介质实现数据存储必须有三个基本条件:存储介质的不同状态、存储介质的状态感知、存储介质的状态转换。
1,存储介质的不同状态:
根据磁性薄膜上剩余磁化方向不同实现此表面记录技术,磁化方向不同可表示电平的跳变,经解码识别为01,实现数据存储。
根据电平高低状态,实现用于记忆的电路,如半导体静态随机存取存储器(SRAM 6个晶体管组成)。
基于电阻值的大小存储数据,阻变存储器RRAM,相变存储器PCM、磁性存储器MRAM。
光盘表面采用不同波长激光产生凹坑大小不同,光盘记录容量也不同。
2,存储介质的状态感知:
写入时,写入电流的改变在磁介质表面留下不同方向的剩余磁化状态。读出时,读出磁头感应出剩余磁化方向的改变,经解码后转化为读出数据。通过对光盘表面照射激光束检测有无凹坑读出光盘数据。
3,存储介质的状态转换:
对磁盘而言,通过改变流经写入磁头的电流方向,改变磁盘表面的磁化方向。
对SRAM而言,通过改变位线上的电平改变高低电平状态。
对于阻变存储单元,通过对某一单元施加高低电平实现低高阻态。
光盘大多为一次写入,多次读出。

2 数据写入与读出技术

  • 首先是晶体管的工作原理,如下图所示,我们可以在栅极(Gate)上施加正电荷使得s和d两端导通。
    在这里插入图片描述
  • 六管SRAM单元图,1bit对应六个晶体管组成的基本单元:
    在这里插入图片描述
    M1和M3是高电平开关,M2和M4是低电平开关。
    SRAM的读取操作,SRAM读取信号是依靠两条bitline(BL和BLB)的电压信号差来读取信号的。假设bit存储数据为时对应的SNL=0,SNR=1,存储数据为1时,对应SNL=1,SNR=0。假设目前bit里面存储的数据为0,SNL=0,SNR=1. 在读取的时候对BL,BLB进行预充电,对应的测试条件如下:BL=BLB=1,WL=1。在这样的条件下,如下图所示 ,SNL=0 处于低电位,SNR=1处于高电位,左侧的PU关断,PD开启,右侧的PU开启,PD关断。右侧色BLB会保持电压不变,但是左侧的PD开启,导致电流由BL流向GND,会导致BL的电位下降。初始时BL=BLB=1,BL电位下降之后,BL和BLB会出现电压差,这个信号会通过外围放大电路输出,自此SRAM的信号读取完成。在这样的条件下,为了保证信号能够准确读取,需要使PD的电流大于PG的电流,以此来保证BL与BLB的电位差足够大,能够准确读取。
    在这里插入图片描述
    SRAM的写操作,假设目前bit里面存储的数据为0,SNL=0,SNR=1. 写操作就是将SRAM中SNL和SNR的电位反转,以此达到写入的目的。在写入的时候对BL,BLB进行预充电,对应的测试条件如下:BL= 1,BLB=0,WL=1。此时左侧的状态与读取时相同,而右侧由于BLB=0,SNR的电位会逐渐下降,SNR的电位下降又会导致左侧PU的开启,PD的关断,这样SNL电位会逐步抬升到1,右侧的PD打开,PU关断,数据翻转完成,为了保证写入的顺利,SNR的电位必须能够下降,所以PU的电流必须小于PG,这样PU的高电位就不足以拉升SNR的电位,SNR的电位由BLB的电位决定。
    保持操作,BL=BLB=1,WL=0,在这样的条件下,PG关断,BL,BLB不能对bit中保持的数据进行修改。

3 数据存储设备的发展历史与分类

3.1 数据存储设备发展史:
穿孔卡片、磁鼓存储器、磁带存储器、软盘存储器、硬盘存储器;
3.2 数据存储设备分类
(1)按照存储介质分类:

  • 半导体存储器: 计算机高速缓存的SRAM、用作内存的DRAM、用作大容量移动存储的闪存如固态硬盘(SSD)和U盘。
  • 磁表面存储器: 常见的磁带存储器和磁盘存储器(磁盘,硬盘)。
  • 光盘存储器: 光盘驱动器,光盘片。

(2)按照数据保持时间分类:

  • 易失性存储器: 需要依靠电源维持存储状态,一旦断电,数据丢失。如DRAM,SRAM;
  • 非易失性存储器: 不需要电源维持存储状态。如磁盘存储器、闪存等。

4 磁盘存储器(磁盘,硬盘)

4.1 磁盘存储器的基本结构:
4.2 磁盘存储器的工作原理:
4.3 磁盘存储器的性能指标:

5 光盘存储器

6 数据存储系统

1,cache、主存、外存;
2,cache基本原理与替换策略;
3,虚拟存储器(段页式);

没写完,后边有时间再补坑

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