计算机存储技术入门

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01

磁带

对存储技术进行了大量的研究,到 1951 年,Eckert 和 Mauchly 创立了自己的公司,设计了一台叫 UNIVAC 的新电脑,最早进行商业销售的电脑之一。它推出了一种新存储:磁带。磁带是纤薄柔软的一长条磁性带子 卷在轴上,磁带可以在"磁带驱动器"内前后移动,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,还有一个"读头",可以非破坏性地检测极性。

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)。

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。磁带的主要缺点是访问速度,磁带是连续的,必须倒带或快进到达特定位置,可能要几百英尺才能得到某个字节(byte),这很慢。

02

磁鼓存储器

1950,60年代,有个类似技术是 "磁鼓存储器",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,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。

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。

03

硬盘

但到 1970 年代 "磁鼓存储器" 不再生产,然而,磁鼓导致了硬盘的发展 硬盘和磁鼓很相似,不过硬盘用的是盘,不像磁鼓用圆柱体,因此得名。原理是一样的,磁盘表面有磁性,写入头和读取头 可以处理上面的 1 和 0。硬盘的好处是薄,可以叠在一起,提供更多表面积来存数据。

IBM 对世上第一台磁盘计算机就是这样做的(RAMAC 305),它有 50 张 24 英寸直径的磁盘,总共能存 5 MB 左右,太棒啦! 终于能存一张现代手机的照片了!这年是 1956 年。

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。就像磁鼓存储器一样,磁盘也会高速旋转,所以读写头要等到正确的部分转过来。RAMAC 305 访问任意数据,平均只要六分之一秒左右,也叫寻道时间,虽然六分之一秒对存储器来说算不错,但对内存来说还不够快,所以 RAMAC 305 还有"磁鼓存储器"和"磁芯存储器"。

这是"内存层次结构"的一个例子,一小部分高速+昂贵的内存,一部分稍慢+相对便宜些的内存,还有更慢+更便宜的内存这种混合在成本和速度间取得平衡。

1970 年代,硬盘大幅度改进并变得普遍,如今的硬盘可以轻易容纳 1TB 的数据,能存 20 万张 5MB 的照片。网上最低 40美元左右就可以买到,每 bit 成本 0.0000000005 美分,比磁芯内存 1 美分 1 bit 好多了。另外,现代硬盘的平均寻道时间低于 1/100 秒。

04

软盘

我简单地提一下硬盘的亲戚,软盘,除了磁盘是软的,其他基本一样。你可能见过某些程序的保存图标是一个软盘,软盘曾经是真实存在的东西!软盘是为了便携,在 1970~1990 非常流行,如今当杯垫挺不错的。密度更高的软盘,如 Zip Disks,在90年代中期流行起来,但十年内就消失了。

05

光盘

光学存储器于 1972 年出现,12 英寸的"激光盘",你可能对后来的产品更熟:光盘(简称 CD)。以及 90 年代流行的 DVD,功能和硬盘软盘一样,都是存数据。但用的不是磁性,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。

如今,存储技术在朝固态前进,没有机械活动部件。比如这个硬盘,以及 U 盘,里面是集成电路,我们在前面讨论过。第一个 RAM 集成电路出现于 1972 年 成本每比特 1 美分,使"磁芯存储器"迅速过时。

06

SSD

如今成本下降了更多机械硬盘被固态硬盘逐渐替代,简称 SSD,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,这很快!但还是比 RAM 慢很多倍,所以现代计算机 仍然用存储层次结构。

我们从 1940 年代到现在进步巨大,就像在前面讨论过的 晶体管数量和摩尔定律,内存和存储技术也有类似的趋势,从早期每 MB 成本上百万美元,下滑到,2000 年只要几分钱,如今远远低于 1 分钱。完全没有打孔纸卡,你能想象 SEGA 的纸卡房间风一吹会怎样吗?62,500 张卡,我想都不敢想。

原文发布于微信公众号 - 程序员成长充电站(qianpangzi8)

原文发表时间:2019-09-17

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