硬件分析 --- 存储的一生

### 关键要点
计算机存储硬件经历了从机械到磁性再到固态的演变，主要包括穿孔卡片、磁带、硬盘驱动器（HDD）、软盘、光盘和固态驱动器（SSD）等。容量从千字节级增长到数万亿字节，速度和可靠性显著提高。

#### 早期存储技术
- **穿孔卡片和磁带（19世纪末至1950年代）：**
穿孔卡片用于早期数据处理，磁带则提供更高容量和更快访问，至今仍用于备份。
- **硬盘驱动器（1956年至今）：**
1956年IBM推出首款HDD，容量仅4.4MB，如今可达数TB，体积缩小，速度提升。
- **软盘（1970年代至2000年代）：**
从8英寸到3.5英寸，容量从160KB增至1.44MB，但已基本被淘汰。

#### 现代存储技术
- **光盘（1980年代至今）：**
CD容量700MB，DVD单层4.7GB，蓝光单层25GB，仍用于数据分发和备份。
- **固态驱动器（SSD，1990年代至今）：**
使用闪存，速度快于HDD，1990年代末出现，2000年代普及，如今常用作主要存储。
- **令人惊讶的细节：**
早期HDD如IBM 305 RAMAC，容量仅4.4MB，却有冰箱大小，现代1TB HDD成本不到100美元，技术进步令人惊叹。

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### 计算机存储硬件发展历程详述

计算机存储硬件的演变历程反映了人类对更高容量、更快访问和更低成本的持续追求。从19世纪末的机械存储到现代的固态技术，每一步都推动了数字世界的进步。以下是详细分析，涵盖主要技术、时间线和关键创新。

#### 引言
计算机存储硬件主要分为主存储（RAM，易失性）和次级存储（持久性）。本文重点探讨次级存储的演变，包括穿孔卡片、磁带、硬盘驱动器（HDD）、软盘、光盘和固态驱动器（SSD），并简述主存储的进展。

#### 早期存储技术
1. **穿孔卡片和磁带（1890年代-1950年代）**
- **穿孔卡片：** 由Hollerith在1890年美国人口普查中引入，用于数据处理。每个卡片通过特定位置的孔表示数据，容量有限，适合早期计算如IBM 650（1950年代）。
- **磁带：** 1950年代开始用于计算机存储，如Univac 1。相比穿孔卡片，磁带提供更高密度和更快访问，适合顺序数据存储。至今仍用于备份和归档，因其高容量和低成本。

2. **硬盘驱动器（HDD，1956年至今）**
- 1956年，IBM推出305 RAMAC，容量4.4MB，体积如冰箱，价格昂贵。
- 随后的几十年，HDD在容量、速度和成本上取得显著进步：
- **容量增长：** 从MB级到TB级，现代HDD超过20TB。
- **技术创新：** 包括增加面密度（更多数据每平方英寸）、旋转速度从3600 RPM增至15000 RPM（高端驱动器），以及从铁氧体磁头到磁阻磁头的演进。
- **接口发展：** 从ST-506/412（1980年代）到IDE（1986年，PATA），再到SATA（2003年）和SCSI（高端系统）。
- 如今，HDD广泛用于消费和企业存储，3.5英寸和2.5英寸为常见尺寸。

3. **软盘（1970年代-2000年代）**
- 1964年IBM引入8英寸软盘，容量100KB。1970年代后期，5.25英寸软盘普及，容量160KB至1.2MB；1980年代，3.5英寸软盘成为标准，容量1.44MB。
- 软盘因可移除性和便携性广受欢迎，1980年代的IBM PC和Apple II均使用5.25英寸软盘。
- 2000年代后，因容量小、速度慢，被USB驱动器和光盘取代。

#### 现代存储技术
4. **光盘（1980年代至今）**
- **CD（1980年代）：** 1984年Philips和Sony推出CD-ROM，容量700MB，适合数据存储和软件分发。
- **DVD（1990年代）：** 1995年标准发布，单层4.7GB，双层8.5GB，取代CD用于视频和数据存储。
- **蓝光（2006年至今）：** 单层25GB，双层50GB，适合高清视频和数据备份。
- 光盘因读取速度较慢，不适合频繁读写，但仍用于分发和归档。

5. **固态驱动器（SSD，1990年代至今）**
- SSD使用闪存存储数据，无机械部件，读写速度远超HDD。
- 1995年M-Systems展示首款闪存SSD，1998年DiskOnChip上市，但初期价格高、容量小。
- 2006-2007年，SanDisk和Intel推出首款用于笔记本的消费级SSD，2000年代后期价格下降，容量增加。
- **技术进步：**
- NAND闪存密度提升，从单级单元（SLC）到多级单元（MLC）、三级单元（TLC）、四级单元（QLC），提高容量。
- 接口从SATA到PCIe，支持NVMe（2011年标准化，2013年首款NVMe SSD上市），提供更高性能。
- 如今，SSD常用作主要存储，尤其在笔记本和高性能系统中，因其静音、低功耗和可靠性高。

#### 其他存储技术
6. **存储卡和USB驱动器：**
- 使用闪存，适合便携存储。SD卡和USB驱动器容量从MB级增至TB级，方便数据传输。

7. **新兴技术：**
- **磁性随机存取存储器（MRAM）：** 非易失性，可能替代DRAM和闪存，提供更快、更节能的存储。
- **相变存储器（PCM）：** 另一种非易失性技术，研究中，未来可能用于高效存储。
- **DNA存储：** 使用合成DNA存储数据，密度极高，但仍处于早期研究阶段。

#### 主存储（RAM）简述
- 1948年，Williams管用于Manchester Baby计算机，基于阴极射线管存储二进制数据。
- 1950年代至1970年代，使用磁芯存储器，随后由半导体存储器取代。
- 1970年，Intel 1103推出首款商用DRAM芯片。现代RAM以DDR（双倍数据率）为主，从DDR1到DDR5，带宽和效率不断提升。

#### 成本与性能趋势
- 存储成本随时间大幅下降：1980年代10MB HDD可能数千美元，如今1TB HDD不到100美元。
- 性能提升体现在访问速度、容量和可靠性上，SSD的普及标志着从机械到固态的重大转变。

#### 结论
计算机存储硬件从穿孔卡片和磁带起步，历经HDD、软盘、光盘和SSD的演变，每一步都提升了容量、速度和可靠性。未来新兴技术如MRAM和PCM可能进一步改变存储格局。

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### 关键引用
- [History of Hard Disk Drives](https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive)
- [History of Floppy Disks](https://en.wikipedia.org/wiki/Floppy_disk)
- [History of Optical Discs](https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_disc)
- [History of SSDs](https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_drive)
- [Timeline of Computer Storage](https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_computer_hardware)

存储器分为两大类：RAM和ROM,RAM类似内存，ROM类似硬盘。最早的ROM是不能写入数据的，非常不方便，后来出现了PROM，只能写入一次数据。之后又出现了EPROM，用紫外线照射后可以多次写入。直到出现了EEPROM，电可擦除可编程的ROM，实现了随意写入和读取数据的方法。但是今天已经存在多种EEPROM的变种，变成了一类存储器的统称。

EEPROM

每个存储单元（晶体管）独立控制，通过双层栅极结构（浮栅和控制栅）实现电擦写。也就是说随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写入0或者1。结构复杂，存储密度较低，容量通常较小（KB到MB级别）。广泛应用于需要保存用户设置、设备参数或运行日志的场景。在物联网、汽车电子、工业控制等领域中，它往往是配置数据存储的首选。日常我们常接触芯片型号有AT24C02、FM24C02、CAT24C02等，其常见的封装多为DIP8，SOP8，TSSOP8等。

Flash存储器也叫闪存（Flash EEPROM的衍生技术），但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的EEPROM，它是以块为单位，简化了电路，数据密度更高，降低了成本，我们叫它flash。

核心区别

特性	EEPROM	Flash
擦写单位	单字节（Byte-level）	块/扇区（Block-level）
擦除方式	直接覆盖目标字节	需先擦除整块（全置1），再写入
典型操作	可直接修改任意地址数据	需“读-改-写”整块数据
技术本质	基础电可擦写技术	EEPROM 的改进衍生技术

示例电路

+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
|   MCU             |     |   EEPROM          |     |   NAND Flash      |
| (STM32F4)         |<--->| (AT24C256, 32KB)  |<--->| (K9F1G08U0D,1GB) |
|                   | I2C |                   | SPI |                   |
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+

flash分为nor flash和nand flash。

NOR Flash

采用浮栅晶体管结构，单元之间共享控制线，存储密度较高。容量更大（MB到GB级别），成本更低。支持随机访问（XIP，Execute-In-Place）：可直接通过地址总线访问，允许CPU直接从存储器执行代码，无需加载到RAM。块擦除字节读取，读取速度快，常用于存储启动代码（Bootloader）或固件。

**NOR Flash凭借其快速随机读取和可靠性的优势，主要用于需要直接执行代码、高稳定性及小容量存储的场景，以下为其核心应用领域：**

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### **1. 嵌入式系统与启动代码**
- **设备启动（XIP特性）**：
- **Bootloader存储**：如路由器（华硕、TP-Link）、工控机通过NOR Flash加载启动代码，实现CPU直接执行（无需复制到RAM）。
- **微控制器（MCU）固件**：STM32系列单片机将程序固化在NOR中，保障上电即运行。

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### **2. 网络与通信设备**
- **网络设备固件**：
- **5G基站**：存储基带处理单元的初始化代码（如华为AAU设备）。
- **光纤模块**：存储光模块的配置参数和诊断程序（如思科SFP+模块）。

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### **3. 汽车电子**
- **关键系统代码存储**：
- **ECU（电子控制单元）**：存储发动机控制、ABS系统的核心算法（如博世ECU方案）。
- **仪表盘与ADAS**：仪表盘UI代码、ADAS传感器初始化程序（如特斯拉Autopilot模块）。

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### **4. 工业控制与医疗设备**
- **高可靠性场景**：
- **PLC控制器**：西门子S7系列存储逻辑控制程序，耐受工厂环境震动和温度变化。
- **医疗设备**：呼吸机、MRI设备的控制代码（如飞利浦医疗设备），确保长期稳定运行。

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### **5. 消费电子**
- **智能设备固件**：
- **智能手表**：Apple Watch的轻量级操作系统（watchOS）存储于NOR中，实现快速启动。
- **家电控制板**：冰箱、空调的嵌入式系统代码（如海尔智能家电）。

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### **6. 物联网（IoT）与可穿戴设备**
- **低功耗小容量需求**：
- **传感器节点**：LoRa模块存储通信协议栈（如Semtech SX1276）。
- **TWS耳机**：蓝牙芯片固件存储（如AirPods的H1芯片）。

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### **7. 航空航天与国防**
- **极端环境应用**：
- **卫星控制系统**：抗辐射型NOR Flash存储姿态调整代码（如SpaceX Starlink卫星）。
- **军用通信设备**：加密算法和协议固化存储，防止数据篡改。

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### **为何选择NOR而非NAND？**
- **XIP支持**：CPU可直接从NOR执行代码，减少启动延迟（NAND需加载至RAM）。
- **高可靠性**：单比特错误率低，适合关键系统（如汽车、医疗）。
- **小容量性价比**：1MB~2GB容量下，NOR成本与NAND接近，且管理更简单（无需复杂FTL）。

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### **NOR Flash技术演进**
- **工艺升级**：从65nm向40nm推进，提升密度（如华邦电子的1.8V低功耗系列）。
- **3D NOR**：铠侠等厂商探索3D堆叠，突破容量瓶颈（尚处早期阶段）。
- **eFlash替代**：在MCU中逐步被嵌入式Flash取代，但独立NOR仍占市场。

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### **与NAND的互补关系**
| **场景** | **NOR Flash** | **NAND Flash** |
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| 启动代码 | ✅ 直接执行 | ❌ 需加载至RAM |
| 大容量数据 | ❌ 容量成本高（>2GB） | ✅ 高密度、低成本 |
| 工业温域 | ✅ -40°C~125°C宽温支持 | ❌ 多数限于0°C~70°C |

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**总结**：NOR Flash在**代码存储、快速启动、高可靠性**领域不可替代，尤其在汽车、工控、IoT等场景持续增长，而NAND主导大容量存储。两者协同构成电子设备的存储层级（如：NOR存Bootloader + NAND存OS）。