記憶單元

1. 第 3 章 記憶單元

2. 學習目標 • 看完本章, 您應該學會以下主題： • 何謂主記憶體、輔助記憶體、虛擬記憶體與記憶體階層 • RAM 與 ROM 的特性與種類 • 磁碟機、光碟機與燒錄機的種類 • 硬碟機的原理、邏輯結構、連接介面, 以及各項常見規格

3. 學習目標 • 磁碟陣列的原理與種類 • 光碟機與燒錄機的原理 • 記憶卡、隨身碟與行動硬碟的特性與種類

4. 3-1 記憶單元的種類與功用 • 記憶單元是電腦存放程式與資料之處, 其中可分為兩大類：主記憶體與輔助記憶體。

5. 主記憶體與輔助記憶體 • 主記憶體可分為 RAM (Random Access Memory, 隨機存取記憶體) 與 ROM (Read Only Memory, 唯讀記憶體) 兩種, 而輔助記憶體的種類則相當多元, 目前常見的有磁碟機、光碟機、記憶卡等, 本節稍後會詳細地說明這些分類與設備。

6. 主記憶體與輔助記憶體

7. 主記憶體與輔助記憶體 • 主記憶體可以說是 CPU 的工作平台, 所有程式與資料都必須先載入主記憶體的 RAM 中, CPU 才能進行運算與處理。 • 不過 RAM 必須依靠電力才能維持資料, 關機之後所有資料便會消失, 所以 RAM 中需保存的資料便必須傳送到輔助記憶體, 才能儲存資料；而下次開機後, 如果 CPU 需要某些資料時, 便會從輔助記憶體尋找資料, 然後再載入 RAM 讓 CPU 進行處理。

8. 主記憶體與輔助記憶體 • 所以主記憶體可以比喻為大腦中的記憶功能, 而輔助記憶體則是筆記本, 當我們思考事情時, 會將所有資料放在腦中思索, 想出結果後為了怕忘記, 便將其記錄在筆記本中, 下次需要重新思考時, 只要翻開筆記本閱讀上次的記錄即可。 • 主記憶體的速度遠快於輔助記憶體, 但是單位容量的價格較高, 所以一般情形下, 每部電腦的主記憶體容量會遠小於輔助記憶體。

9. 虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術 • 隨著時代的進步, 人們用電腦處理的事情越來越多, 程式的複雜度與需求的資料量也越來越大, 所以不論安裝了多少主記憶體, 都有可能發生不夠用的情形。難道主記憶體不夠時, 只能放棄執行程式嗎？ • 主記憶體不夠時, 治本的方法應該是再多買一點記憶體來裝, 不過難免總會有臨時需要多一點記憶體空間的時候。為了解決這個問題, 便出現了虛擬記憶體 (Virtual Memory) 技術。

10. 虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術 • 現代多數的作業系統如 Windows、Linux、Mac OS 等都具備虛擬記憶體的功能, 此功能可以將輔助記憶體 (如硬碟) 的部分空間拿來模擬成主記憶體, 這個模擬的空間便稱為虛擬記憶體。 • 作業系統會自動將目前實體主記憶體中暫時不用的資料先搬到虛擬記憶體, 挪出的實體主記憶體空間便可以拿來放其他資料。

11. 虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術 • 如果被放入虛擬記憶體的資料需要使用時, 作業系統會再把其他暫時用不到的資料搬到虛擬記憶體, 然後將需要的資料搬回實體主記憶體。 • 上述的所有動作全部都是由作業系統進行處理, 應用程式可不需理會實體記憶體是否不足, 也可不必管自己的資料有沒有暫時被放入虛擬記憶體中, 所以虛擬記憶體對於應用程式而言, 就會像是真的實體記憶體一樣。

12. 虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術虛擬記憶體－將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術 • 前面曾經提到, 輔助記憶體的速度遠低於主記憶體, 因此雖然虛擬記憶體可以增加程式使用記憶體的彈性, 但是一旦系統大量地使用虛擬記憶體時, 便會降低整體的執行效率。 • 所以安裝足夠的實體記憶體, 讓系統儘量不要動用虛擬記憶體, 是提升效率的方法之一。

13. 記憶體階層 • 在 2-2 節介紹過暫存器與快取記憶體, 也具備存放的資料功能, 與前述的主記憶體、輔助記憶體相較, 可用下方階層圖來表示其差異性：

14. 記憶體階層 • 上圖的階層關係被稱為記憶體階層 (Memory Hierarchy) , 越上層速度越快, 但成本較高, 越下層則成本越低, 所以容量越大。所以一般電腦可能會具備總數約數百 bytes 的暫存器、2MB 快取記憶體、2GB主記憶體, 以及 500 GB 的硬碟 (輔助記憶體) , 至於存取速度則是暫存器遠快於硬碟。

15. 隨堂練習 1. 請觀察目前電腦的實體記憶體與虛擬記憶體的總量與使用量。

16. 3-2 RAM 與 ROM • 前文說過, 主記憶體主要可分為 RAM與 ROM, 本節將分別介紹各種不同的主記憶體。

17. RAM • RAM 是隨機存取記憶體 (Random Access Memory) 的縮寫, 可以隨機讀寫資料, 是電腦中用來暫時儲存資料的元件。RAM 依照電子特性的不同, 又可分為DRAM (Dynamic RAM, 動態隨機存取記憶體) 與 SRAM (Static RAM, 靜態隨機存取記憶體) 。

18. RAM • DRAM：DRAM 中的資料只能保存 2-4 毫秒 (ms, 10-3 秒) , 如果超過時間沒有對 DRAM 充電, 資料便會消失。 • 常見的 DRAM 有 SDRAM (Synchronous Dynamic RAM, 同步動態隨機存取記憶體) 、RDRAM (Rambus Dynamic RAM, Rambus 動態隨機存取記憶體) 、DDR (Double Date Rate, 雙倍資料速度) SDRAM。 • DDR2 SDRAM 及 DDR3 SDRAM 是目前的主流 DRAM, 稍後會另外說明。

19. RAM

20. RAM • SRAM：SRAM 使用特殊的電子元件製成, 所以不需要持續反覆充電, 便可以利用其電路的特性保存資料, 但是一旦電力消失後, 資料一樣會消失。SRAM 的速度比 DRAM 快, 但是價格也比 DRAM 昂貴。 • 因為 RAM 具有資料會消失的特性, 所以又稱為揮發性記憶體 (Volatile Memory) 。

21. RAM • 目前個人電腦大多使用 DRAM 做為主記憶體, DRAM 也因此逐漸變成了記憶體的代名詞。所以當聽到有人說：『我要去買記憶體』 時, 便是意指DRAM, 而不會是 SRAM 或其他種類的記憶體。

22. DDR/DDR2/DDR3 SDRAM • DRAM 的發展歷經了數個世代演變, DDR SDRAM 是從前一代 SDRAM 改良而產生的, 從 DDR (Double Data Rate, 雙倍資料速度) 這個名字, 便可以知道其可以在相同的時間下, 存取雙倍的資料量。

23. DDR/DDR2/DDR3 SDRAM

24. DDR/DDR2/DDR3 SDRAM • DDR2 的傳輸速度是 DDR 的 2 倍, 2007 年 6 月發表的 DDR3 規格, 其傳輸速度則是 DDR2 的 2 倍。亦即在相同的時間下, 若 SDRAM 可以存取 n 個位元的資料量, DDR/DDR2/ DDR3 則分別可存取 2n/4n/8n 個位元的資料量。並且新規格相較於舊的規格, 所需的電壓負荷都較小。

25. DDR/DDR2/DDR3 SDRAM • 目前市場上仍是 DDR2 和DDR3 共存, 但 Intel、AMD 的最新處理器只支援 DDR3, 未來 DDR2 將慢慢淘汰, DDR3 應會逐漸普及成為主流。

26. ROM • ROM 是唯讀記憶體 (Read Only Memory) 的縮寫, 顧名思義, ROM 在製造過程中即已將資料存於其中, 出廠後只具備讀取資料的功能, 不像 RAM 一樣可以隨意讀寫資料；但是 RAM 必須依靠電力保存資料, 而 ROM 裡面的資料則可永久保存, 不受電源影響。

27. ROM • 相對於 RAM 被稱為揮發性記憶體, 資料不會消失的 ROM 又稱非揮發性記憶體 (Nonvolatile Memory) 。因為 ROM 可永久保存資料的特性, 所以大多被用來儲存系統程式或開機程式。 • 為了改良傳統 ROM 無法寫入資料的缺點, 所以後來又發展出其他產品如下：

28. ROM • PROM (Programmable ROM) ：可使用特殊的裝置寫入資料, 但是只能寫入一次, 之後就無法更改了。 • EPROM (Erasable Programmable ROM) ：與 PROM 一樣可以使用特定的設備寫入, 而且能夠以紫外線刪除資料, 即可重新寫入新資料。

29. ROM • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) ：EEPROM 是由 EPROM 改良而來, 可使用電壓來抹除與寫入資料, 所以能夠在電腦內直接重寫, 不再需要特定的設備才能寫入資料, 使用上較 EPROM 方便。

30. ROM • Flash Memory (快閃記憶體) ：為英特爾 (Intel) 公司所發明, 與 EEPROM 一樣可在電腦內使用電壓刪除與寫入資料。快閃記憶體每單位面積的位元密度較 EEPROM 高, 成本較 EEPROM 低, 因此逐漸取代 EEPROM 的地位。 • 快閃記憶體除了用於電腦內部元件外, 目前也常做為行動隨身裝置 (如 PDA) 的儲存設備, 或是用來製作記憶卡、隨身碟等。

31. RAM 與 ROM 的比較 • 下表列出 RAM 與 ROM 的特性, 以及兩者的產品項目與相關特性：

32. 隨堂練習 1. 請上網查詢當年 RDRAM 與 DDR SDRAM 互相競爭, 最後 DDR SDRAM 勝出的歷史, 並分析其中的勝負因素。

33. 3-3 硬碟機 • 磁碟機是目前最主要的輔助記憶體, 常見的磁碟機有軟碟機 (FDD, Floppy Disk Drive) 與硬碟機 (HDD, Hard Disk Drive) 兩種, 本節將先介紹硬碟機, 至於軟碟機則留待下一節說明。

34. 3-3-1 硬碟機的種類 • 硬碟機具備容量超大、存取速度快、單位成本低廉的優點, 所以硬碟機是目前電腦最重要的輔助記憶體, 不論是文件檔、資料檔或是軟體程式檔, 大多都會儲存在硬碟機中。 • 一般硬碟分為 3.5 吋與 2.5 吋兩種, 這個尺寸指的是硬碟內部圓形碟片的直徑大小：

35. 3-3-1 硬碟機的種類

36. 3-3-1 硬碟機的種類 • 2.5 吋因為具備體積小的優點, 所以常用於筆記型電腦或是行動硬碟等, 而 3.5 吋硬碟機大多用於桌上型的電腦及伺服器上。通常 3.5 吋硬碟機比 2.5 吋便宜, 可選用的容量比較大。

37. 3-3-2 硬碟機的讀寫原理 • 硬碟機內部是多個磁盤利用轉軸串起組成, 資料就放在磁盤上, 磁盤每一面都會有讀寫頭存取資料, 下面是硬碟機讀寫的簡要示意圖：

38. 3-3-2 硬碟機的讀寫原理

39. 硬碟機的結構 • 硬碟機使用以下的結構儲存資料： • 面 (Side) 與讀寫頭 (Head) ：每個磁盤都會有兩個面, 一般兩面都會存放資料, 每面各有一個讀寫頭。面 (讀寫頭) 的編號從 0 開始, 最上層磁盤朝上的一面為第 0 面 (讀寫頭0) , 朝下者為第 1 面 (讀寫頭1) , 第二層磁盤朝上為第 2 面 (讀寫頭2) , 其餘依此類推。

40. 硬碟機的結構 • 磁軌 (Track )：在磁盤上由外往內, 可以劃分為很多不同直徑的同心圓, 每個同心圓就是一個磁軌。最外圈的編號為 0, 由外往內依次為 1、2...。

41. 硬碟機的結構 • 磁區 (Sector)：每一個磁軌會再劃分固定大小的區段, 稱為磁區, 為資料存取的單位, 每個磁區為 512 Bytes 。與其他結構不同, 磁區的編號由 1 開始。

42. 硬碟機的結構 • 磁柱 (Cylinder)：目前硬碟內部通常具備多個磁盤與讀寫頭, 各讀寫頭並非單獨行動各自移動到不同位置存取資料, 而是如下圖一起移動到同一個位置上：

43. 硬碟機的結構 • 所以讀寫頭會同時存取不同磁盤上相同位置的磁軌, 我們可以將這些磁軌視為一體, 想像成一個組合而成的空心圓柱體, 這個圓柱體稱為磁柱。磁柱的編號方式與磁軌相同, 從 0 開始由外而內依序編號。

44. 硬碟機的結構

45. 硬碟的定址模式 • 為了在眾多的磁區中讀寫資料, 硬碟必須有一套定址方式, 才能找到資料所在的位址。早期硬碟使用 CHS (Cylinder-Head-Sector) 模式, 也就是使用 "磁柱編號 + 讀寫頭編號 + 磁區編號" 來定址。

46. 硬碟的定址模式

47. 硬碟的定址模式 • 硬碟的第 0 磁柱, 第 0 讀寫頭, 第 1 磁區稱為 MBR (Master Boot Record) 磁區, 被用來儲存開機戴入程式與分割表 (Partition Table) 等重要資料, 所以一旦 MBR 發生損壞, 整個硬碟便再也無法使用。

48. 硬碟的定址模式 • 磁柱、讀寫頭與磁區的數目也可以用來估算硬碟的容量大小, 例如規格標示CHS 63/16/665, 便表示此硬碟有 63 個磁柱與 16 個讀寫頭, 每個磁柱有 655 個磁區, 所以總共有 63 × 16 × 665 個磁區, 因為每個磁區大小為 512 Bytes, 故可如下計算其總容量大小：

49. 硬碟的定址模式 • 不過因為硬碟 IDE 介面 (隨後會說明) 與個人電腦 BIOS (Basic Input Output System, 基本輸入輸出系統) 規格上不同, 所以使用 CHS 定址時, IDE 硬碟最大容量只能達到 528 MB：

50. 硬碟的定址模式 • 隨著硬碟製作技術逐漸進步, 硬碟的容量越來越大, 對於個人電腦常用的IDE 介面硬碟而言, CHS 模式已經不敷使用了, 所以後來 IDE 硬碟逐漸改用 SCSI 硬碟 (隨後會說明) 所使用的 LBA (Logical Block Addressing) 模式。 • 與 CHS 使用實體位置定址的方式不同, LBA 使用邏輯的方式來為磁區設定位址。下表為 LBA 的定址方式 (假設每個磁柱有 100 個磁區)：