存储介质
一、存储介质
前言
cache是计算机存储体系中的一部分，是存储体系发展这么多年逐渐稳定后的产物，涉及的知识甚广，光cache的设计就有许多门道，此外还可以扩展虚拟存储器的问题，甚至虚拟机的问题，每个大问题背后都有许多为了提高计算机性能而提出的方案和知识。笔者只是个正在找工作的入门者，由一个项目接触到cache，于是顺着cache这条线，边学边码，希望能够一点一点将存储体系结构这块地图给拼凑完整。内容基于个人理解，错误地方或者不恰当处，欢迎指正
一、存储介质是什么？
计算机中不论是数据还是指令，都是用很多个0/1，也就是高/低电平表示出来的，每一个0/1都是1bit。所以计算机存储的东西也就是这1bit1bit的电平信号。那么拿什么存储呢？基本可以分为ROM/RAM/FLASH。
先分个大概，ROM(read only memory)就是只读存储器，厂子做出来的时候，把里面每个单元里存储的电平高低给固定好了，你只能从ROM中读出高低电平，不能去修改单元的电平。
RAM（random access memory）随机存储器，可以往外读，也能往里写。
FLASH——前面ROM/RAM都是以字节为单位进行读或者写，FLASH跟他们最大的区别就是以块为单位。FLASH也是可读可写的存储器。
二、ROM
ROM存储高低电平是通过是否放置MOS管来实现的。放管子的地方存储0，没有管子的地方就是1。例如，要选字2的时候，字线输入’b0010，使得字线2上的两个管子被选通，有管子的位由于接地导通，输出为0，否则输出为1。如图将输出’b0101。
既然存储的电平是由有无管子决定的，有无管子在制作的时候就确定了，不能修改，所以它是个只读存储器，不能任意修改。
1.PROM
后来生厂商为了更好的满足客户需求，做了种PROM。跟上图的结构类似，但是每个cross点之间都有一根MOS管，用户拿到之后，可以根据自己的需要，把自己的程序烧写进去。写入为1的bit，会把对应的管子烧断，写入为0的，管子就不会断。这样PROM在烧写过一次程序之后，就变成了ROM，从此这个程序就固定在里面了。所以看出来了吧，PROM出生的时候是万能百变的，但只要被烧过一次，这辈子就定型了。
2.EPROM
EPROM（erasable programmable ROM）——由于PROM是个一辈子只能硬一次的货，一旦烧错或者更改程序，那PROM就得被扔了，跟durex一样，不够环保。为了响应地球母亲的号召，厂商又高出了个EPROM，写进去的程序可以被擦除，重新写入的ROM。
EPROM用的不是普通的MOS管，而是用的双栅极结构的管子，如下图。
控制栅上加个高压，可以让沟道里的电子温度上升，变成热电子，很容易就被勾引到浮栅上。当浮栅上有了电子之后，这群电子就赖着不走了。他们不仅赖着不走，还屏蔽了控制栅的电压。原本浮栅上无电子时，控制栅上施加正电压可以打开沟道，现在正电压被浮栅屏蔽了，沟道打不开了，就跟管子关断一样，也就是ROM结构中没有管子的情况。再整理一遍，浮栅上有电子=没管子，浮栅上没有电子=有管子。那么PROM是通过高电压把管子烧断，EPROM则是通过施加高压，让浮栅上存有电子，把管子关死。
浮栅上的电子动如脱兔，不动如死狗，一旦上到浮栅，就赖着不走了。这时候需要用紫外光照射，让电子逃出浮栅，于是管子又成了个新管子了。
3.EEPROM
EPROM用紫外光可以擦除所存储的信息——这里说的信息，就是0/1，也就是管子的有/无，也就是浮栅上是/否有电子。那么在平时工作，不想修改时，就不能让管子照到紫外光，需要遮挡。这样一个存储器除了添加紫外光源，还需要控制电路，十分麻烦。于是就有了EEPROM（electrically erasable programmable ROM）——也就是用电压实现擦除。前面说用紫外光可以烫走死狗，其实用一个雷劈也行。所以EEPROM有两个工作电压，平时小电压用来读存储信息，暖暖的很贴心。暴躁起来用十万伏特烧一遍，翻新重来。
三、RAM
RAM顾名思义，可读可写，那么EPROM和EEPROM也是可读可写，有啥区别？原理不同。ROM的每个cell是用有无管子来作为存储信息，没管子或者管子关断，就存1，否则反之。RAM主要分为SRAM和DRAM，他们跟ROM最大的区别就是断电后数据不能保存。（这类掉电不保存数据的称为挥发性记忆体volatile memory）
1.DRAM
DRAM（dynamic RAM）——动态存储的结构则是一个MOS管+一个电容。
写入1时，选通管子，给电容充电，写入0时，则给电容放电。读取时，选通管子，让电容中的电流出来输出0或1。充了电的电容，即使不用，里面的电荷也会慢慢泄露，所以需要时不时给它充电，也就是刷新。这就是dynamic的由来。DRAM需要刷新的特点，决定了一旦断电，里面存的数据就无法被保存了。计算机的内存就是DRAM的典型代表，计算机的内存在存储体系中算是中等体量的存储体，速度也中等。
2.SRAM
SRAM（static RAM）——静态存储，跟动态存储的区别很显然就是不用动不动就被刷新。这是因为SRAM中一个cell不是用电容存储信息的，而是用两个反相器相互连接形成锁存器，保持住Q与~Q的信息，如下图。
一个cell，也就是一个bit有6个MOS管管理。4个管子形成2个反相器(M1234)。M5和M6是控制管。
读的时候，给BL和~BL都预充为1，然后WL选通M56，此时Q=0，会把BL的电平卸掉。如果Q=1，则！BL的电平会被卸掉。写的时候，写1的时候，需要给BL一个高电压，超过反相器的翻转阈值，改变锁存器的锁存数据。
由于DRAM有刷新过程，而且充放电的过程让写入的速度变慢。所以SRAM速度要比DRAM快，在存储结构中，SRAM更适合做L1/L2的存储体，DRAM则适合作为L3/内存的存储体。而速度快的DRAM，一个bit需要6根管子，自然需要的体积就很大了，所以DRAM是个又小又快的货。这里的小是指存储体量小，因为L1/L2一般是作为片上高速缓存，没办法给它太大的体积。相同体积下，6个管子存1bit，能存的bit就比较少。