信息存储的家族

二、信息存储的家族

用什么来记载已经发生的事？怎样记录这些数据？数据和信息存储在什么地方？当计算机问世以后，数据的存储一直是个大问题。因为计算机是要存储程序的，它们存到哪里呢？

自从计算机发明以来，计算技术发展过程中最重要的问题就是数据的存储问题，计算机科学家和技术人员为信息存储设备可谓呕心沥血。每一次存储技术的创新和发展都带来计算机和软件的创新，都带来数据存储的革命性进展。

在计算机系统中，通常分为两类存储设备（器件），一类称为内部存储器，简称内存，另一类称为外部存储器，也简称外存。内存是用于存放运算指令和数据的地方，也是即将运行的程序的暂时存放之地。而外存则是文件、程序和文本等数据、信息的“永久”存放之地，只是这个“永久”是相对的。

可以作为信息存储的材料、器件、设备和存储技术、方式有多种，每一种都有它自己的特点，每一种都在电脑的生命周期和历史发展中有过一席之地。这个庞大的家族，它们分布广阔，我们只能管中窥豹般看看它们在信息存储中的角色，了解它们对信息存储无限所作出的贡献。

在这个大家族中，有这么一些主要的分支：

（1）物理存储器：汞延迟线、阴极射线管、纸卡、纸带存储

（2）半导体存储器：寄存器、存储器、Flash存储芯片

（3）磁性存储器：磁芯、磁环、磁泡、磁鼓、磁带、磁盘

（4）光存储器：光盘、磁光盘

（5）新型存储器：铁电存储器等

随着计算机的发展，数据记录和存储走过了一条从物理、机械到磁体存储，再到半导体存储，再进入光存储的不平凡的道路，这就是信息存储技术发展的道路。沿着这条道路，我们会感知计算机前进的脉搏，也能够看到我们的前辈在信息存储技术上的传世之作，更能体会到作为创新者的责任、义务和快乐！

让我们一同再回首这段历史，再掂掂我们身上的担子！

存储程序是计算机的基本结构，那么，程序存储在哪里？早期的计算机用什么来存储数据呢？

我们知道，电子数字计算机数据的记录是以一个二进制数位（bit）作为基本单位，以2的幂次组合成不同的数位段，形成存储、记录、传送、计算的基本格式。例如：8个二进制位组合为一个数据字节（byte），16位二进制位组合为一个数据字（word）。但在现代计算机中，仍然以数据字节作为存储和计算的单位。

早期的计算机还没有真正程序的概念，更没有软件的概念，也没有像现在计算机所具有的输入/输出设备，如键盘、鼠标、显示器等等。运算操作还仅仅局限在向计算机发出一条又一条的指令，这些指令开始是顺序地通过开关的闭合与开启来表示数据的0或1，也同时以保持这个开或闭的状态，将数据0和1“记录”了下来。这就是早期的机械式的数据记录和输入原理与方式。

我们现在知道，一条程序是由若干运算和操作指令所组成的，每一条指令对应的是机器能够识别的一个编码组合，这一个编码组合经过机器硬件的解释，会产生一个或者多个运算和操作的电子信号，由信号所到达部位的电子器件遵照执行。指令本身也是一种数据编码，它与数据一样都必须存放在计算机中。

进入计算机内部的数据是按照电子管（真空管）这个当时计算机处理计算部件的原理暂时“存储”在这些“管子”中的，因为这些真空管可以在某种条件下保持一种稳定状态，数据就根据这种稳定状态来表示0和1。但是，存储在这些电子管中的数据是不能持久的，当电源一旦关闭，电子管失去了电压，也就失去了某种稳定状态，自然，数据也就丢失了。这些作为计算单元和处理单元的电子管以及后来的晶体管的组合，通过某种方式互联并建立进位关系，就形成了一种暂存器，在计算机系统中它们被称为寄存器。根据处理单元的不同，又分别被叫做累加器、移位器等。8个管子或者管子的组合就是一个字节的数据的记录。

稍后，为了解决指令的集中输入和一段编写好的指令组（程序的雏形）的永久保存和重复使用，人们又在特殊材料的纸带上打上孔，用事先规定好的穿孔格式代表一定的数据编码，聪明地解决了数据输入和输出的问题。

图3-1　纸卡片存储

计算机发展的初期，为了寻找合适的存储器，人们费尽了心血。几乎所有能利用的物理现象，电、光、声、磁，都被探索过。阴极射线管存储器和超声延迟线存储器被实际地用于计算机的主存储器，它们只作为系统运行时的指令和数据存储。由于容量小，又不可靠，很快就被淘汰。而数据的记录和较长期的保存仍然不得不依靠纸，用纸卡片的形式来保留数据、指令和程序。这种与一张普通信封大小类似的纸卡片可保存60个字符。蓝色巨人IBM公司在50年代就曾经是一个制造卡片机的著名企业。

新生的计算机在成长中遇到了很多很多的问题，人们在解决这些问题的同时促进了计算机的发展，也同时创新了自己的思维！

另一类早期的存储，是与“机械”有关的。机械能存储数据吗？

这是最早的数据存储器件，1950年，由冯·诺依曼博士领导设计的存储程序功能计算机EDVAC中则使用了汞延迟线作存储器，使得有限的指令和程序可以存入计算机中。

汞延迟线存储装置是一种声电转换设备，是由埃克特博士从军用雷达里“移植”过来的。汞延迟线存储的原理是基于汞在室温时是液体，同时又是导体的特性。每一个数据位（比特：bit）用机械波的波峰来表示1、波谷来表示0。表示数据的机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，在管的另一端，采用一个传感器感受传来的机械波，从而得到每一位的信息，并反馈到起点。这个过程是汞获取波振动、振动沿线传递并延迟，又反馈到起点，这样，数据就能存储了。所以，这种原始的方法称为“汞延迟线”存储器。这个过程是机械和电子的奇妙结合，但由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。第一代计算机的存储器，几乎都是采用汞延迟线装置作为主存储器。

此外，声音作为数据的一类，人类也已经很早就开始了它的记录，“留声机”就是人们期望将声音留下来的发明，它的记录方式是借助声波振荡的原理，以声纹刻录的方式“记录”下来的。早期的唱片则是声音数据存储的载体。

早期的存储设备是利用某种具有记忆功能的器件或者能够达到记忆和记录的方式来进行的，存储原理简单，记忆容量相当有限，速度慢，能耗大。

不断的创新，推动着计算机技术和信息存储技术不断地进步和发展。

图3-2　以物理刻纹记录的音频唱片