1、【硬件基础集训班】第七课存储篇大家好，今天我们要来讲讲计算机的存储系统了。按照经典理论，计算机的存储器大致可分为内存储器和外存储器，详细的存储层次如下：这里面，寄存器和高速缓存现在一般是集成在 CPU 上的（以前出现过板载的高速缓存） ，电子磁盘和磁带在 DIY 市场几乎没有，软盘已经被淘汰，而光盘颓废同学已经在前几天发过了，所以我们今天要讲的是内存、硬盘，还要说一说我们经常用到的 U 盘。一、 内存其实对于计算机来说，没有硬盘可以运行，没有内存就肯定完蛋了。内存是存储程序以及数据的地方。虽然硬盘也是存储数据的，但是由于速度原因，CPU 无法直接调用硬盘的数据进行处理，也就是说任何程序必须调入
2、内存才能被 CPU 执行，任何数据更改也必须先写道内存然后才能写道硬盘等外部设备。其实广义的说，内存的全称内部存储器包括随机存储器（RAM） ，只读存储器（ROM） ，寄存器（ Register） ，以及高速缓存（CACHE） 。但是由于 RAM 我们大家接触的比较多，并且是比较重要的，所以内存就渐渐的也可以单指 RAM 了。而我们平常所说的内存，其实是指由 RAM 芯片和电路板等组成的内存条。先说说内存条的组成。内存条主要由印刷电路板、内存颗粒、SPD 芯片、金手指等组成。(1) 印刷电路板 PCB内存颗粒和其他原件的载体，和主板显卡类似，也是使用了多层 PCB，一般为4、6、8 层（一般内
3、存边缘可以看出来） ，PCB 的层数越多，成本越高，但干扰越少，工作越稳定。此外，PCB 上的走线和覆铜面积也影响内存的稳定性。(2)内存颗粒内存颗粒是内存条的关键部分。而它也有不同的封装形式。其结构和封装对速度、电气性能、散热效果及抗干扰等影响极大。现在比较普遍的封装形式有两种 BGA 和TSOP 两种。BGA 封装具有芯片面积小的特点，可以减少 PCB 板的面积，发热量也比较小，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般 BGA 封装的芯片，需要多层 PCB 板布线，这就对成本提出了要求。此外， BGA 封装还拥有芯片安装容易、电气性能更好、信号传输延迟低、允许高频运作、散热性卓越等许
4、多优点。目前主流的DDR2 内存就使用的此种封装。而 TSOP 这种封装方式我们还会在一些老的 DDR 内存上看到。TSOP 封装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊接在 PCB 板上的，焊点和 PCB 板的接触面积较小，使得芯片向 PCB 办传热就相对困难。而且 TSOP 封装方式的内存在超过 150MHz 后，会产品较大的信号干扰和电磁干扰。(3)SPD 芯片它是用来保存内存生产厂家在内存出厂时所设定的有关内存的相关资料的，通常有内存条的容量、芯片模块的生产厂商、标称运行频率、是否具备 ECC 校验等基本信息。主板芯片组通过识别 SPD 内的信息，判断内存的相关性能并完成 BIOS 中内存的设
5、定。SPD 方便了系统对内存的检测，确保内存处于正常的工作状态。(4)金手指内存与插槽的物理连接点，采用金、锡等金属材料制成的导电触片。说完内存条的结构，我们再讲讲内存的指标。影响内存性能的参数主要有 3 个容量、频率、延迟。首先是容量。它是内存能容纳数据量的大小，单位为 MB 和 GB（1GB=1024MB） 。容量也不是越大越好，大道一定程度再增加就不会再提升性能了。需要注意的是，很多老主板不支持 4G 以上内存。然后就是时钟频率了。它代表着该内存所能达到的最高工作频率（当然，和 CPU 一样，体质好的内存还可以超频） 。内存频率是以 MHz（兆赫）为单位来计量的。内存频率越高在一定程度上
6、代表着内存所能达到的速度越快。目前较为主流的内存频率是333MHz 和 400MHz 的 DDR 内存，以及 800MHz 和 667MHz 的 DDR2 内存。内存同显存一样，也分实际运行频率和等效工作频率。DDR 内存因为能在时钟的上升沿和下降沿都能传送数据，因此，在相同的时钟频率和数据位宽度的情况下内存带宽是 SDRAM内存的两倍。换句话说，在显存速度相同的情况下，DDR 内存的实际工作频率是普通SDRAM 内存的 2 倍。而现在的 DDR2 内存由于采用 4bit 预取设计，内核的频率只有接口频率的 1/4，DDR2-800 的核心工作频率只有 200MHz。延迟作为影响性能的重要指标
7、，往往被大家忽视。通常情况下，我们用 4 个连着的阿拉伯数字来表示一个内存延迟，例如 4-4-4-12。其中，第一个数字最为重要，它表示的是 CAS Latency,也就是内存存取数据所需的延迟时间，简单的说，就是内存接到 CPU的指令后的反应速度。第二个数字表示的是 RAS-CAS 延迟，接下来的两个数字分别表示的是 RAS 预充电时间和 Act-to-Precharge 延迟。而第四个数字一般而言是它们中间最大的一个。延迟自然是越低越好。一般来说，内存代数越高，由于技术原因，延迟也就越高。其实内存还有一个指标位宽。：位宽指的是在一个时钟周期之内能传送的 bit 数。不过现代内存的位宽都基本
8、相同，大家也就没必要关心了。我们再看看内存的类型。市面上可以见到的主要有 DDR/DDR2/DDR3，其中 DDR2是主流。每代内存的借口都是不同的，购买的时候千万要看清主板支持的类型和最大频率。DDR：SDRAM 在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输；而 DDR 内存则是一个时钟周期内传输两次次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此称为双倍速率同步动态随机存储器。DDR 内存可以在与 SDRAM相同的总线频率下达到更高的数据传输率。DDR2:：它与上一代 DDR 内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式
9、，但 DDR2 内存却拥有两倍于上一代 DDR 内存预读取能力（即：4bit 数据读预取） 。换句话说，DDR2 内存每个时钟能够以 4 倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线 4 倍的速度运行。此外，由于 DDR2 标准规定所有 DDR2 内存均采用 FBGA 封装形式，而不同于以前广泛应用的 TSOP/TSOP-II 封装形式，FBGA 封装可以提供了更为良好的电气性能与散热性，为 DDR2 内存的稳定工作与未来频率的发展提供了坚实的基础。DDR3：DDR3 采用 8bit 预取设计，而 DDR2 为 4bit 预取。采用点对点的拓朴架构，以减轻地址/命令与控制总线的负担。采用
10、 100nm 以下的生产工艺，将工作电压从 1.8V 降至1.5V，增加异步重置（Reset）与 ZQ 校准功能。它吸取了 DDR2 的教训，在控制成本的基础上减小了能耗和发热量，使得 DDR3 更易于被用户和厂家接受。显卡可以 SLI 和 CF，内存也可以用双通道来提升性能。双通道是在北桥芯片（或者CPU 内部）里设计两个内存控制器，这两个内存控制器可相互独立工作，每个控制器控制一个内存通道。在这两个内存通可分别寻址、读取数据，从而使内存的带宽增加一倍，数据存取速度也相应增加一倍（理论上） 。实际上由于主流 PC 的内存速度并不构成瓶颈，所以双通道对性能的提升很小。二、 硬盘硬盘是计算机储存
11、大量数据的设备，是计算机中最重要的部件之一。与内存不同，它储存的内容断电后不会消失。它由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。而我们平常所说的硬盘，其实是指硬盘和硬盘驱动器所组成的整体。先说说硬盘的结构吧。硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径
12、方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。不像光盘和软盘，硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。(一)硬盘的外部结构。目前市场上的常见的台式机硬盘基本为 3.25 英寸产品，其中又有半高型和全高型之分。 常用的 3.5 英寸硬盘外形大同小异，在没有元件的一面贴有产品标签，标签上是一些与硬盘相关的内容。在硬盘的一端有电源插座、硬盘主、从状态设置跳线器和数据线联接插座。1.接口包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为
13、SATA 接口、 EIDE 接口和 SCSI 接口等。目前主流的接口为 SATA。2.控制电路板大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机 ROM 芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。3.固定盖板就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。(二) 硬盘的内部结构硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件
14、、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。1.浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有 0.10.3um ，可以获得极高的数据传输率。现在转速 7200rpm 的硬盘飞高都低于 0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。2.磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精
15、度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。3.盘片和主轴组件盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。以往 IBM 曾经采用过玻璃盘片，但是由于高故障率直接导致了作为硬盘发明者的 IBM卖掉了其硬盘部门。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。4.前置控制电路前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
