第六章 存儲設備的發展過程

6.1 引言

   數據處理系統常需要對海量數據進行存取，因此存儲器對一個數據處理系統來說至關重要。理論上，存儲器的速度越快，數據處理系統的效率越高，但有一個無法迴避的客觀現實，即是存儲器的價格和其速度是成正比的。在CPU中使用了立即存取存儲器，但其價格卻十分昂貴，因此，計算機實際採用的是多種存儲器搭配使用的方法進行工作。

　　這裡將存儲器分為以下兩種類型：
——（設置在CPU內部的）立即存取存儲器；
——（與CPU相連，但不屬於CPU的部件的）輔助存儲器。

6.2 立即存取-存儲器
       最早的計算機是通過導線將將電子管連接到電路中，以起到導電或非導電作用的。適當加一個“觸發”脉衝能引起管子及其電路由一種條件“改變”成另一種條件，直到下一個脉衝的到來再次改變為止。這就是“觸發器”電路。

       觸發器用於寄存器，主立即存取-存儲器中。這種電路耗電大，散熱強，導致電路內的電子管壽命很短成為其最大的缺點。

       其後發展至“延遲線”存儲數據。延遲線是一種帶發聲晶體且注滿水銀的長管子，發聲晶體運送聲波到管子另一端的接收裝置。運用時鐘，可以對時鐘脉衝與接收到的信號脉衝進行比較（AND邏輯操作），如此可得一位信息的譯碼（這是一種排錯的手段）。延遲線傳送數據時，不能在傳輸的過程中進行數據存取，因此，需要非常細緻且符合時間節拍的程序編制，才能讓控制器在預計應該到來的時刻對這些脉衝進行接收和譯碼。若程序佔用時間太長，則會丟失一些脉衝信號；而若數據一到就進行存取，更有可能使存取的時間比其在水銀柱中傳播的時間還長。這卻導致了存儲器在容量和可靠性上出現較大偏差。
　　還有一種普遍的磁芯存儲器。這種存儲器由鐵氧化合物材料的小環串在導線上，布網而成。一個小環在經過一個順時針或逆時針的磁化后完成狀態的反復切換，這樣就能表示1或0了。要完成這個操作，需要控制電流有選擇地通過一個或多個磁芯，從而達到改變磁化方向保存數據的目的。磁芯存儲器體積小（如一塊鼠標墊大小的面積上只須幾釐米就能表示近百萬位），耗電少，散熱小，磁化過程十分短暫——幾百萬分之一秒的時間內即可進行數據存取或磁環磁化，因此，它能完成數據的快速存取。另一優點則是因磁芯退磁極緩慢，因而即使斷電，數據仍能完整保存。

　　在一個大型計算機的CPU中，對電路脉衝的傳送需要花一段時間。這段時間事實上妨礙了CPU的操作速度：因為，移動數據的機器週期，比運算器（AU）和控制器（CU）所能操作的週期，前者比後者長。我們希望即使無法將這段多花費的時間除去，也要盡可能將前者保持在後者的最大值範圍內。這便促成了集成電路、芯片的產生。

　　如今，一個完整的CPU具有時鐘，其他一些控制器電路，運算器，一些存儲器。他們集成在一塊指甲大小的硅片/金屬材料上，也就是我們常說的微處理器/芯片。這種設備耗電極少，工作速度很高，可靠且穩定，一旦測試並交付使用，就能連續工作數年。

　　通常除了最小的CPU外，幾乎所有附加的存儲器都需要另外的芯片提供，這就使存儲器的使用更為靈活。如，通用存儲器採用RAM（隨機存取-存儲器，其用法完全和磁芯存儲器一致）；CPU中則用ROM（只讀-存儲器，程序指令永久保存，不會被意外毀掉，在計算機生產階段中運用）；某些情況下也需要改變ROM的數據，這時可以使用EPROM（可擦可編程-只讀-存儲器，紫外線重寫ROM）；等等。

6.3 輔助存儲器-串行存取
　　輔存可分為兩種，一是可以對數據進行直接存取的存儲器，另一種是對數據進行串行存取的存儲器。
　　類似唱片播放時要將唱機的唱頭直接放到音道上進行選擇，盒式磁帶播放時要都放過一邊才能找到所需部份一樣，這種存取方式被稱為串行存取。

6.4 輔助存儲器-直接存取
　　目前大多輔存都以磁力形式來記錄計算機的數據。存儲器所用的介質上有鐵氧化合物塗層，通過對該塗層的磁化來記錄由0和1構成的數據形式。
　　直接存取-存儲器中主要的一種是像音樂唱片一樣的平盤形式。該平盤有一個可磁化的面，并有一個跨越在這個面上進行移動的讀寫頭。唱片和計算機磁盤的區別在於它們所記錄的物理形式不同。
　　在唱機中，唱片按恒定的速度旋轉，其表面有一道從邊緣開始一直繞到中心的螺旋槽。
　　計算機磁盤轉速也恒定，但讀/寫操作時，讀/寫頭是固定不動的，因此，它沒有段杜一條的羅旋軌跡，而是有一個套一個的幾百個同心圓式的磁道。磁盤旋轉磁頭固定時，可讀出某一磁道中的信息；移動磁道需要將磁頭重新驅入進行固定，然後再進行讀寫操作。計算機磁盤驅動器上的磁頭和盤面上浮動的距離較小，磁頭的定位是通過外部一個驅動裝置來完成的。

6.5 計算機磁盤
　　計算機磁盤主要有兩種形式——大型、小型。

　　大型磁盤常按“磁盤組”形式安裝。每一面都有他們各自所屬的讀寫頭，且這些磁頭是相互關聯地固定著的。

　　小型磁盤即早先我們稱的軟盤。

6.6 磁盤容量
       磁盤所能存儲的數據量。直接按實際情況表達即可，關於計量數據的量的方式，見4.1 。

6.7 补充

　　顯微鏡下的金氧半場效電晶體測試用元件。圖中有兩個閘極的接墊（pads）以及三組源極與汲極的接墊。
　　金屬—氧化層—半導體結構：

  幾種常見的MOSFET電路符號，加上接面場效電晶體（Junction Field-Effect Transistor, JFET）一起比較：

第七部份 輸入/輸出設備
　　輸入，即把從外界得到的數據編程計算機能識別的編碼電子脉衝。
　　通常這可以分成一步或兩步來做。前者最常見的方法是把一個鍵盤與計算機連接起來，打字錄入數據。後者是將信號發送分為兩步進行，第一步準備，第二步輸 入。準備時涉及到鍵盤，鍵盤可連接到一個磁介質。輸入則是在數據準備之後，利用光敏元件或電磁元件對磁介質、卡片、紙帶或幾張紙進行掃描，使上面的編碼或 標記直接地轉換成電子脉衝。
　　類似還有高速紙帶閱讀機，直接輸入設備：電傳打字機、工程師控制台、VDU等。

第八部份 數據的收集及轉換
　　把問題轉換為數據，將數據收集起來，提供給機器處理，這是本文自始至終的出發點。這裡先說討論數據的收集。
　　把數據收集起來提供給機器，這裡有兩方面，一是人收集數據，另一是由機器進行準備或轉換數據。人這邊的主要問題是數據的收集。
　　通常，數據的收集并無法由一個人完成，這就意味著需要在參與收集的人群範圍中達成一定的共識，否則收集無法完成。
　　人工的做法常涉及三個步驟：

• 記錄；
• 傳送；
• 轉錄。

　　例如一个快递公司的運轉。
　　这里面的每一步工作都可能引起新的错误，而且最后一步最易出錯，原因主要是一下兩點：
　　數據準備操作員要讀出那些手寫的單據——這些素材有可能不清晰；
　　數據準備操作員實際上與數據并沒有關係——他們不懂得這些數據是何含義，也許在不經意中就將其篡改了。
　　由於以上原因，常引出數據收集的下一個步驟（事實上已經開始進入數據轉換），即對準備的數據進行校驗。
　　數據校驗的方式多種多樣，但主要還是通過重複數據準備的活動，然後對兩次結果進行比較來完成。對兩次結果的比較可以交給機器完成，機器只識別相同與不同，而具體差異的處理仍舊需要人來完成，這事實上又增加了一次出錯的可能性。
　　目前，几乎所有专门的應用中，都必須解決數據收集及其轉換中所存在的幾個問題：
1）   數據越陳舊，用處越少；
2）   檢查及校驗錯誤需要花費大量時間，且延長了輸入階段；
3）   收集和轉換過程中，步驟越多，出錯機會越多。
　　爲了儘量減少以上問題所造成的影響，數據收集及轉換的設備在兩個領域中都得到了發展。
　　首先，集中化的數據準備部門發展除了更有效、更尖端的設備，以求最大程度地減少延遲，并把人為的錯誤保持到最低程度。
　　其次，新的设备能允许收集和转换的发生尽可能地接近于数据的生成源。这样也就又省下了一些步骤，检验需要花费时并非所有的数据在收集阶段都会发生错误， 校驗目的是为防止錯誤，但是这项工作是否有價值，卻是因情況而異的。

→精確度
　　一些时候精确度十分重要 ，比如在一个银行系统中帳戶的记录；但有时它又不那么重要，比如个人信息当中的姓名及通讯地址。精确度的重要性决定了 检验的必要性，因此我们需要考察数据准备过程中 影響精确度的各种因素——首先就是传统的数据准备设备。历史上十分著名的包括了卡片穿孔机，卡片穿孔检验机，紙帶穿孔机，紙帶校驗機等（这里不做详细介 绍）。後來又發展出了鍵盤，各種直接錄入設備和直接記錄設備，極大程度地提升了數據收集階段的效率。
　　但由數據收集到數據處理始終需要歷經數據轉換，各種設備的發展也衍生了各種數據記錄方式，具體體現就是種類繁多的數據格式。
　　要將這些不同格式的數據進行轉換，目前它們共通的都是轉換為計算機處理系統下的二進制數據，需要我們提前對數據表示的相關知識有所瞭解。

→数据表示
　　數據有離散、連續之分，在計算機內，數據都是離散型數據。處理連續數據，我們將其進行近似處理，這便是所謂的近似法。
　　數據的表示，有二進制、八進制、十六進制等，不一而足。各種數據在使用中爲了統一，往往存在一個通行的標準，這樣做被稱之為標準化。
　　數據的標準化事實上對應了各種編碼，常見的編碼如ASCII，UTF-8等。
　　對數據進行標準化處理，其目的在於統一數據格式。數據的格式指數據以特定位置、特定形式組合的方式進行表示的規定。標準化的數據其實就意味著統一的數據格式，如此，在處理時就能省去對各個數據項進行重複說明，能提高數據處理的效率。

注：在《數據處理入門（下）》中，所有的圖片均來自網絡。