计算机科学入门 ​

我们多次谈到内存（Memory），一般来说，电脑内存是 非永久性 ，如果电源线不小心拔掉了，内存里所有数据都会丢失。

所以内存叫 易失性 存储器，我们还没谈过的话题是 存储器 （Storage），存储器（Storage）和内存（Memory）有点不同，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，存储器是 非易失性 的。

以前是 易失性 的速度快， 非易失性 的速度慢，但随着技术发展，两者的差异越来越小，如今我们认为稀松平常的技术，比如这个 U 盘，能低成本+可靠+长时间 存储上 GB 的数据。

打孔纸卡 ​

最早的存储介质是 打孔纸卡 以及纸卡的亲戚 打孔纸带 ，到1940年代，纸卡标准是 80列x12行，一张卡能存 960 位数据 ( 80x12=960)。

最大纸卡程序是美国军方的 半自动地面防空系统 简称 SAGE，一个在 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，相当如今手机拍张照。

纸卡用了十几年，因为不用电而且便宜耐用，然而坏处是 读取慢 ，只能写入 一次 ，打的孔无法轻易补上，对于存临时值，纸卡不好用，我们需要更快更大更灵活的存储方式。

延迟线存储器 ​

J. Presper Eckert 在 1944 年建造 ENIAC 时发明了一种方法，叫 延迟线存储器（Delay Line Memory）原理如下：

拿一个管子装满液体，如水银，管子一端放 扬声器 （speaker），另一端放 麦克风（microphone） ，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。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)。

EDVAC ​

忙完 ENIAC 后，Eckert 和同事 John Mauchly，着手做一个更大更好的计算机叫 EDVAC ，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)。

这使得 EDVAC 成为最早的 存储程序计算机 之一，但 延迟线存储器 的一大缺点是 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，所以又叫 顺序存储器 或 循环存储器 。

磁芯存储器 ​

而我们想要的是 随机存取存储器 可以随时访问 任何 位置，增加 内存密度 也是一个挑战。

把压力波变得更紧密意味着更容易混在一起，所以出现了其他类型的 延迟线存储器 ，如 磁致伸缩延迟存储器 （magnetostrictive delay lines）。

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)。

然而，延迟线存储器在 1950 年代中期就基本过时了，因为出现了新技术，性能、可靠性和成本都更好。

磁芯存储器 （magnetic core memory），用了像甜甜圈的 小型磁圈 （core）。

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 1 和 0 ！

如果只存 1 位不够有用，所以把小甜甜圈排列成网格，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)。

Whirlwind 1 计算机 ​

磁芯内存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 ，用了 16 块板子，能存储大约 16000 位(bit)。

更重要的是，不像 延迟线存储器 磁芯存储器能随时访问 任何 一位(bit)。

磁芯存储器 从 1950 年代中期开始成为主流，流行了 20 多年，而且一般还是 手工编织 的！

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，不幸的是，即使每位 1 美分也不够便宜。

之前提过，现代手机随便拍张照片都有 5 MB ，5MB 约等于 4000 万 bit，你愿意花 40 万美元在 磁芯存储器 上存照片吗？

磁带 ​

当时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 （magnetic tape）。

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。

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，但到 1970 年代 磁鼓存储器 不再生产。

硬盘 ​

然而，磁鼓导致了 硬盘 （hard disk）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 RAMAC 305 就是这样做的。

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 （seek time）。

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 。

内存层次结构 ​

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，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。

软盘 ​

简单地提一下硬盘的亲戚，软盘 （floppy disk），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，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。

CD 和 DVD ​

光学存储器于 1972 年出现，12 英寸的 激光盘 （laser disc），你可能对后来的产品更熟：光盘 （Compact Disk），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 。

固态硬盘 ​

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 。

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，如今成本下降了更多机械硬盘 被 固态硬盘 （Solid State Drives） 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，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，内存和存储技术也有类似 摩尔定律 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。