Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Принцип работы блока памяти компьютера

классификация, принцип работы, основные характеристики

Запоминающее устройство (память) компьютера предназначено для хра­нения данных и программ для их обработки. Память компьютера дискретна, она состоит из отдельных ячеек. Наименьший элемент памяти — бит — дво­ичный разряд. В нем хранится двоичный код (0 или 1). Восемь последова­тельных двоичных разрядов составляют байт. Максимальное количество байтов, которое может быть одновременно обработано командой процессора, называется машинное слово, длиной которого определяется разрядность процессора

Объем памяти компьютера измеряется в байтах и их производных: кило­байтах (1 Кб = 1024 б), мегабайтах (1Мб = 1024 Кб), гигабайтах (1Гб = = 1024 Мб) и т. д. Основными характеристиками запоминающих устройств являются быстродействие и емкость.

Память компьютера имеет многоуровневый характер. Такое сочетание запоминающих систем называется иерархией памяти компьютера.

Память компьютера по способу организации и использования можно разделить на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память компьютера включает в себя оперативную памяти, постоянную памяти, кэш-память.

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ или Random Access Memory — RAM) — энергозависимое, быстродействующее

запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется.

Постоянная память (постоянное запоминающее устройство — ПЗУ или Read Only Memory — ROM) используется для хранения неизменяемой ин­формации: загрузочные программы ОС, программы тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS -Basic Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию.

Кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, которая является буфером между оперативной памятью и микропроцессором и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в бли­жайшие такты своей работы. Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память (или кэш-память 1-го уровня). Кэш-память 2-го уровня размещается на материнской плате вне микропроцессора и хранит дан­ные и результаты, обрабатываемые процессором в текущий момент времени.

Внешняя память компьютера предназначена для долговременного хране­ния информации. Внешние ЗУ также называют накопителем.

Накопители бывают внешними (собственный корпус и источник питания), встроенными в корпус компьютера, со сменными и несменными носителями, с носителями разной формы (диски, ленты). Накопители имеют разные характеристики: максимально возможный объем хранимой информации, время доступа.

Накопители на магнитных лентах называются стримерами. В современ­ных стримерах используются специальные кассеты (картриджи) с магнит­ной лентой. Стримеры имеют разные стандарты, определяющие интерфейс с компьютером, формат магнитной ленты, методы кодирования и сжатия.

Отличительной особенностью накопителей на дисках является использо­вание в качестве носителей информации дисков разного диаметра, отличаю­щихся форм-фактором. Выпускаются носители с форм-фактором (размером) 1,8", 2,5", 3,5", 5,25".

Жесткие несменные диски называются винчестерами. Они представляют собой систему, состоящую из механического привода головок чтения-записи, нескольких носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего уст­ройства. Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Носи­тель информации состоит из нескольких дисков, каждый из которых имеет две рабочие поверхности. При записи информации используются магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность.

Гибкие диски (floppy) в зависимости от размера бывают двух видов — 5,25". и 3,5". Операции чтения/записи осуществляются контактным способом,

т. е. при соприкосновении магнитной головки устройства с поверхностью носителя. У таких носителей невысокая плотность записи, скорость обмена, значительное время доступа.

Магнитооптические диски имеют различную емкость от 128 Мбайт до 640 Мбайт. Запись производится после нагревания лазером магнитного слоя до определенной температуры. Надежность хранения информации обес­печивается тем, что при обычной температуре информация не подвержена действию внешних магнитных полей.

Устройства CD-ROM используют носители емкостью до 650 Мбайт, пред­ставляющие собой диски со светоотражающим слоем на одной стороне, где хранится информация. На диск нанесена дорожка-спираль от центра к краю диска, состоящая из отражающих и не отражающих свет точек; считывание производится лазерным лучом.

Накопители CD-R позволяют лишь однократно записывать информацию на диски. Луч лазера прожигает пленку на поверхности диска, меняя его отражающую способность. Перезапись при этом невозможна. Такие диски считываются на любом приводе CD-ROM.

Накопители CD-RW позволяют делать многократную запись на диск. Здесь используются свойство рабочего слоя переходить под воздействием лазерного луча в кристаллическое или аморфное состояние, имеющие разную отражательную способность.

Накопители DVD предназначены для хранения видео, аудио, высокого качества, компьютерной информации большого объема. Плотность записи выше, чем у обычных CD-ROM.+

Накопители DVD-RAM позволяют записывать и перезаписывать ин­формацию.

Накопители на сменных жестких дисках используют технологию винчес­теров. Параметры таких устройств приближаются к параметрам устройств с жесткими несъемными дисками.

В последние годы в ПК стали использоваться новые ЗУ — флэш-память. Модули или карты флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы. Флэш-память обладает рядом преимуществ в использова­нии: высокая надежность и ударопрочность, малое энергопотребление. Одним из основных преимуществ флэш-памяти является ее компактность, поэтому она постепенно все активнее применяется для хранения и переноса данных.

studfiles.net

Организация и основные характеристики памяти компьютера

микросхемы ОП

Память (memory) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК» 

Скачать тест по теме «Характеристики памяти ПК» 

 

Всю память ЭВМ можно разделить на:

1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
3. РОН (регистры общего назначения) внутренняя память процессора – его регистры.
4. CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплементарные пары метал-оксид-полупроводник указывает на технологию изготовления данной памяти) – память системных установок(конфигурации).
5. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство)
6. Видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте, используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

1,2,3,6 – электронная память, 5 – электромеханическая память.

Характеристики оперативной памяти

Внутренняя память ПК обладает двумя основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность – память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная цифра).

Бит – наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память – это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.1Кб = 210 байт =1024б1Мб = 210 Кбайт =1024Кб1Гб = 1024Мб

 Ячейка памяти – группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти пронумерованы. Нумерация начинается с 0.Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

 

Структура оперативной памяти

 

Оперативная память(ОП) (ОЗУ)

Из ОП ЦП берет исходные данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» память получила потому что работает быстро.Является энергозависимой, данные и программы сохраняются в ней только до тех пор, пока ПК включен, при выключении ПК содержимое ОП стирается.ОЗУ предназначена для хранения текущей, быстроменяющейся информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений.Используется два основных типа оперативной памяти: статическая память (SRAM-Static RAM — КЭШ) и динамическая память (DRAM-Dynamic RAM — ОЗУ).Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации.

Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа(access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем больше эти величины, тем больше быстродействие памяти.Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).Длительность цикла определяется минимальным допустимым временим между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. Послезаписи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую плотность размещения хранящихся данных. Этот вид памяти дорог и энергоемок, следовательно, может происходить перегрев,что снижает надежность система, поэтому вся ОП не может быть построена по статическому принципу.

В динамической памяти элементы памяти построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо более меньшую площадь, чем триггеры в статической памяти.Для построения динамического элемента памяти требуется 1-2 транзистора. Каждый бит ОП представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, образованном в структуреполупроводникового кристалла. Ячейки динамической памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически (приблизительно 1000 раз в сек.)выполняется автоматическое восстановление информации в каждой ячейке. Это снижает скорость работы динамической памяти и является основным ее недостатком.

ОП часто обозначают RAM (Random Access memory) – память с произвольным доступом (тип доступа к памяти при котором ячейки памяти пронумерованы, т.е. адресуемы и, следовательно, обращение к ним может производиться в произвольном порядке).

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любой ячейки.

Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой прежде чем считать нужную информацию нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

От объема ОП, установленным на ПК напрямую зависит с каким ПО Вы сможете на нем работать. При недостатке ОП программы не запускаются, выдается сообщение: “Out of memory”, либо работают крайне медленно.

Чем больше ОП в ПК, тем лучше. При необходимости объем ОП можно нарастить (ограничивается параметрами ОП, поддерживаемой конкретной материнской платы, внимательно см.спецификацию к системной плате).

Распределение памяти в ПК (Разделы ОЗУ)

RAM устроена довольно сложно, она иерархична (многоэтажна). ОП разделяют на несколько типов. Деление это обусловлено историческими причинами.Первые компьютеры были выполнены так, что они могли работать максимально с 640Кб памяти. Выделяют 4 вида памяти:

• Стандартная (conventional memory area)
• Верхняя (upper memory blocks(area))
• Дополнительная (expanded memory specification)
• Расширенная (extended memory specification)

Стандартная (conventional memory area) – базовая, первые 640 Кб, также его часто называют lower.В мл. адреса этой памяти загружается ОС и драйверы устройств. Оставшуюся свободную часть памяти занимают пользовательские программы.Резидентные программы так же остаются в этой памяти.

Верхняя (upper memory аrea) – 640Кб — 1Мб используется для хранения служебной информации: памяти видеоадаптера,BIOS.Спец. драйвер Himem.sys позволяют загружать в свободные участки этой области резидентные программы и драйвера устройств.

High memory – первые 64 Кб после 1Мб. ОС MS DOS позволяет загрузить часть резидентной DOS в эту область, освобождая при этом существенную частьбазовой памяти для работы прикладных программ. Особенно это полезно для программ, использующих всю ОП. Используя спец. утилиты (для DOS emm386.exe)в верхние разделы памяти можно загружать также и резидентные программы (команды LH для autoexec.bat и DEVICEHIGT для config.sys).

Вся память свыше 1 Мб может быть рассмотрена как дополнительная(expanded) или как расширенная (extended). В ОС менеджер памяти позволяет использовать память и как расширенную и как дополнительную, автоматически обеспечивая тот тип взаимодействия с данными, который нужен прикладным программам. Т.е. пользователю новых современных ПК (от Pentium) нет необходимости распределять память «в ручную», менеджер выделить память таким образом, как это требует прикладная программа.

Дополнительная(expanded) память – постраничная, т.е. ОП разбивается на страницы, каждой странице ставится в соответствие определенный адрес в основной памяти. При обращении к такому адресу EMM(expanded memory manager) драйвер расширенной памяти(менеджер памяти) позволяет компьютеру считать информацию с соответствующей страницы памяти.

Расширенная (extended) память построчной организации (Smartdrv — драйвер расширенной памяти) используется для создания временного логического диска (виртуального диска), как буфер обмена с жестким диском.

Распределение ОП в ПК с ОС MS-DOS

1Mб+ 64Кб	High	High Расширенная или дополнительная память
		Резидентные программы и драйверы устройств
		Часть ОС
1Mб	Upper	Верхняя память ПЗУ BIOS
		Видеопамять (текстовый буфер)
		Видеопамять (графический буфер)
640Кб	Convertional Memory Area (base)Стандартная (базовая память)	Свободная часть (command.com) транзитная часть
		Свободная часть для программ пользователя
		Command.com (резидентная часть)
		Программы DOS, драйверы
		Файлы io.sys msdos.sys
		Данные для DOS и BIOS и другая служебная информация

Микросхемы ОП (модули ОП)

Производительность ПК зависит от типа и размера ОП, а это в свою очередь зависит от набора интегральных схем на материнской плате.

Внешний вид микросхем ОП: пластиковая полоска, на ней расположены кремневые «черепашки» – чипы-микросхемы (то есть используется полупроводниковая технология) и имеются «ножевые» контактные разъемы.

Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

1. временем доступа (быстродействием). Время доступа – промежуток времени, за который может быть записано (прочитано) содержимое ячейки памяти.
2. емкостью (определяет количество ячеек (битов) в устройстве памяти).
3. стоимостью.
4. потребляемой мощностью (электропотреблением).

Существует 2 модуля памяти, отличающиеся формой, внутренней архитектурой, скоростью работы: SIMM и DIMM.I. SIMM (SINGLE IN-LINE MEMORY MODULES) (SRAM)бывают двух типов (отличающихся количеством контактов).

1. 30-контактные модули SIMM. Бывают 1 и 4 Мб. Практически сегодня исчезли из продажи для компьютеров 386, 286-процессором. Сегодня им нашлось интересное применение – в качестве ОП, устанавливаемой в некоторые звуковые платы, например, Greafive Sound Blaster 32 (AWE-32) Gravis UltraSound PnP. Однако новая карта AWE-64 уже содержит свои модули ОП, эта память не нужна.

2. 72-контактные SIMM (на 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мб, редко 128 Мб). Внешний вид неизменный, а вот тип устанавливаемой на них памяти меняется (тип памяти указывается на микросхеме).

a) самый старый (редко сейчас встречающийся) – FPM DRAM (или просто DRAM – Dynamic Random Access Memory – динамическая ОП). Работала на 486 и первых Pentium.

b) модифицированный тип EDO DRAM (или EDO – Extended data output).

Микросхемы SIMM выпускаются одинарной и двойной плотности, с контролем четности и без (использование контроля четности позволяет парировать одиночную ошибку памяти). Модули отличаются и по скорости доступа 60 и 70 наносекунд, чем скорость меньше, тем быстрее доступ. 60 наносекунд быстрее 70 наносекунд. Модули SIMM в материнской плате Pentium и Pentium MMX устанавливаются только попарно, образуя так называемый банк.

Пример необходимо 32 Мб => 2 модуля SIMM по 16 Мб.необходимо 64 Мб => 4 модуля SIMM по 16 Мб или 2 модуля SIMM по 32Мб.

В рамках одного банка можно использовать только одинаковые по емкости и скорости доступа модули SIMM. Если на вашей материнской плате 4 слота для модулей памяти SIMM, то можно сформировать два банка различной емкости.

II. DIMM (SDRAM DUAL IN-LINE MEMORY MODULES).

Появился впервые у MMX- компьютеров, стал основой для PII., поэтому у PII редко бывают SIMM-разъемы. DIMM не обязательно должно быть четное число. Модули DIMM бывают емкостью 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб

Виды DIMM.

1. EDO SD RAM (Synchronous DRAM) – синхронизируемая динамическая ОП)SD RAM (SINGLE DATA RATE RANDOM ACCESS MEMORY).ЗУПВ с одинарной скоростью передачи данных, которая в зависимости от тактовой частоты называется памятью PC100 и PC133. Микросхема на 168 контактов, является сегодня самой «медленной» из семейства DIMM-модулей памяти, Время доступа = 10-20 наносекунд. Верхний предел ее тактовой частоты 133 МГц. И все же этот тип ОП вполне подходит для большинства офисных идомашних ПК. Пропускная способность 1Гб/с.SPD – это небольшая микросхема, установленная в модуле памяти SD RAM DIMM и содержащая подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие устройства. РС133 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory) самая быстрая из класса классической ОП. (были и РС66, РС100). Теперь это самый медленный тип ОЗУ. Физически представляет собой массив микроскопических конденсаторов, «упакованных» в микросхемы памяти. Логически каждый конденсатор есть не что иное, как элементарная однобитовая информационная ячейка с 2-мя состояниями: 0 – если конденсатор не заряжен, 1 – если заряжен. Эти ячейки объединяются в двумерную матрицу, где каждая ячейка адресуется номерами строки и столбца, на пересечении которых она находится. К микросхеме подводятся шины командная (передает команды, управляющие работой микросхем ОП), адресная (адреса строк и столбцов), и данных. Все три синхронизируются импульсами одной и той же частоты. (133). SDRAM – синхронная память и логика работы микросхем памяти этого типа жестко синхронизируется с тактовым сигналом. Например, контроллер памяти точно знает, в течение скольких тактов микросхемы памяти будут готовить запрошенные данные для передачи и на каком такте начнется собственно их передача. Сегодня данная микросхема встречается редко.
2. Rambus (RD RAM)Двухканальная ОП (микросхема фирмы Intel). Direct Rambus – это новая шина памяти, в которой управление адресацией отделено от работы с данными. Система состоит из контроллера Direct Rambus, подсоединенного к одному или нескольким модулям Direct Rambus DRAM, которые называются RIMM, в отличии от обычных микросхем памяти, соединяемых параллельно, RIMM соединяются последовательно. Канал Direct Rambus включает двунаправленную шину данных и шину адреса, т.е. адреса памяти передаются одновременно с данными. Каждая микросхема RDRAM может содержать до 32 независимых банков, SD RAM – от 2 до 8. Свободно работает на высоких тактовых частотах.Микросхема на 184 контакта Микросхемы ОП с тактовой частотой от 600 до 800 МГц. Когда используется микросхема PC800 (частота синхронизации 400 МГц), пропускная способность шины «память-процессор» достигает 3,2 Гб/с. При использовании PC600 (300 МГц) этот параметр = 2,6 Гб/с.В свободные гнезда памяти Rambus необходимо устанавливать заглушки Continuity Rimm (CRIMM). Без них система не станет работать, поскольку модули в обоих каналах Rambus включаются каскадно, то есть тактовые и управляющие сигналы проходят через разъемы Rimm последовательно. Емкость ОЗУ может быть до 3 Гб.Обеспечивают значительное быстродействие при выполнении сложных приложений на ПК и рабочих станциях. Вопрос о быстродействии ОП сегодня очень спорный.
3. DDR SDRAM (Double Data Rate)   – двойная скорость передачи данных – это по сути модификации обычной SDRAM и отличается от нее тем, что в ней запись и чтение данных происходят и по переднему и по заднему фронту тактового импульса. Поэтому за один такт по шине передается вдвое больше данных, и ее эффективная частота оказывается вдвое больше физической.2х канальная память DDR266 DDR333 и DDR400 и системы с ней не уступают памяти RDRAM. ОП с удвоенной скоростью передачи данных, а иначе называется PC200 и PC266 в зависимости от тактовой частоты системной шины. Не столь дорогая, чем (3 ) и явно способствует повышению быстродействия ПК в отличие от (2). В основном благодаря использованию этой памяти ПК на базе Athlon 1,2 Ггц обошел на многих тестах 1,5 Ггц Р-IV с памятью RD RAM.Сегодня, пока, покупатель не может просто выбрать желательный для него тип ОП, так как она связана с интегральной схемой на системной плате, а та с ЦП. Так, пока, Р-IV работает с набором ИС- 850 компании Intel и дорогостоящей памятью RD RAM. (В середине 2001 года планируется появление микросхем, совместимых с устройствами SD RAM и DDR). Если вы хотите приобрести Р-IV, то автоматически будете вынуждены приобрести и дорогую ОП. Наборы интегральных схем семейства Athlon используют ОП SD RAM и DDR, но не могут RD RAM.

Модуль памяти Kingston DDR PC3200

Модуль памяти Kingmax DDR2-667

Пропускная способность

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является пропускная способность.

Пропускная способность равна произведению разрядности шины данных и частоты операций записи или считывания информации из ячеек памяти:

Пропускная способность = Разрядность шины данных × Частота

Разрядность шины данных = 64 бита.

Максимально возможная в настоящее время (2006 год) частота шины данных совпадает с частотой системной шины и равна 1064 МГц.

Пропускная способность модулей памяти = 64 бита × 1064 МГц = 68 096 Мбит/с =

= 8 512 Мбайт/с ≈ 8 Гбайт/с.

Модули памяти маркируются своей пропускной способностью, выраженной в Мбайт/с: РС3200, РС4200, РС8500 и др.

Физическая и виртуальная память 

Объем используемой программами памяти можно увеличить путем добавления к физической памяти (модулям оперативной памяти) виртуальной памяти.

Виртуальная память выделяется в форме области жесткого диска. В ОС Windows это файл подкачки.

Размер файла подкачки и его размещение в иерархической файловой системе можно изменить.

Быстродействие жесткого диска и, соответственно, виртуальной памяти существенно меньше быстродействия оперативной памяти.

Замедление быстродействия виртуальной памяти может происходить в результате фрагментации данных в файле. Для того чтобы этого не происходило, рекомендуется произвести дефрагментацию диска и установить для файла подкачки постоянный размер.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)

В ПЗУ информация остаётся неизменной.Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПКпрограммы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Часто ее называют ROM (Read Only Memory) – память только для чтения. В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнение базовыхфункций по обслуживанию устройств ПК. Часто содержимое постоянной памяти называют BIOS(Basic Input Output System) – базовая система ввода/вывода.BIOS – это система контроля и управления устройствами, подключёнными к ПК (жёсткий диск, ОП, часы, календарь). Это часть программного обеспечения ПК, поддерживающая управление адаптерамивнешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку OS. BIOS находится на материнской плате (отдельная микросхема с автономным питанием от батарейки в ПК).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний.

Прерывания могут быть:

• аппаратные (инициируются аппаратными средствами),
• логические (инициируются микропроцессором – нестандартные ситуации в работе микропроцессора),
• программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

При включении ПК автоматически загружается и выполняется спец.программа POST(Power-On Self-Test) из состава BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

• проверка переключателей и CMOS-памяти на системной (материнской) плате (определение оборудования, которое подключено к ПК),
• тестирование ОЗУ,
• выполнение действий по загрузке OС (загрузка в ОЗУ и запуск Блока Начальной Загрузки OС),
• выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительно-го оборудования к работе.

BIOS

Является своеобразной программной оболочкой вокруг аппаратных средств ПК (самого нижнего уровня), реализуя доступ к аппаратным средствам ПК через механизм прерываний.CMOS-память – ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.«Вход» в редактирование CMOS-памяти, как правило, по нажатию клавиши DELETE (DEL) (на клавиатуре) сразу после включения ПК в процессе работы POST-программы (загрузка программы Setup).

Содержание CMOS-памяти (основное):

• системные часы,
• информация по результатам диагностики POST-программы,
• информация по наличию и типу FDD,
• информация по наличию и типу HDD,
• размер ОЗУ,
• наличие дополнительного оборудования.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК»

Скачать презентацию с Яндекса «Характеристики памяти ПК»

 Скачать тест «Оперативная память ПК» 

 

 

strong/td

Понравилась статья, рекомендуйте Вашим друзьям!

Давайте дружить!

komputercnulja.ru

Оперативная память: принципы устройства и работы

Одной из первых моих статей на этом сайте был гайд по выбору ОЗУ (почитать его можно тут). Он в основном практический: что выбрать, что можно ставить и что нельзя, ну и различные полезности. Однако он не затронул, пожалуй, самую интересную часть — а как память вообще работает, и как ее тонко настроить (и разогнать). Если посмотреть, то по количеству параметров ОЗУ является чуть ли не самым сложным элементом ПК: посудите сами, для процессора вы в лучшем случае можете менять частоту тактового генератора (FSB, да и к тому же она уже лет 15 как 100 МГц и редко кто ее трогает), множитель (его как раз и меняют) и напряжение (ибо для работы на более высоких или низких частотах всегда можно подкорректировать напряжение для стабильности работы и, в некоторых случаях, меньшего энергопотребления), ну и количество рабочих ядер (хотя мало кто будет их трогать — разве что многопоточность отключают, ибо в некоторых задачах она может дать отрицательный прирост). Все остальные параметры уже индивидуальны и есть не у всех процессоров, так что зачастую их и не трогают. Что касается видеокарт, то тут параметров еще меньше — всего-то частоты GPU, памяти и напряжение GPU. Но если мы посмотрим на ОЗУ, то увидим море важных параметров: задержки, частоты, транзакции в секунду и т.д. — давайте разберемся, что это и как связано с производительностью и стабильностью работы памяти.

Технические характеристики памяти Для начала нужно понять, что означают те или иные циферки и буковки в спецификациях памяти. Посмотреть их можно или на самой памяти, или на ее коробке, или в специальных программах типа AIDA64. Я разберу на примере своей памяти, но у вас будут схожие данные. Итак, вот скриншот из AIDA64: Что мы видим про память? То, что она Dual Channel DDR4-3200 SDRAM (16-18-18-36-CR2). Если погуглить маркировку самих чипов, то можно узнать еще немного информации — PC4-17000 1.2 В. Пойдем по порядку. Что означает Dual Channel (у вас может быть и Single, и Triple, и Quad — хотя если у вас последнее, то вы, скорее всего, знаете, что это)? Это означает, что память работает в двухканальном режиме (или одноканальном, или в трехканальном, четырехканальном и т.д.). Если у вас стоит одна планка памяти, то она будет работать в одноканальном режиме — то есть характеристики чтения и записи будут приблизительно такими же, которые указаны на ней (на деле все зависит от контроллера памяти, и на практике значения могут быть на 10-15% ниже). Если у вас стоит две и больше планок с одинаковыми характеристиками, то они могут работать вместе: в таком случае объем увеличивается пропорционально числу модулей, и скорость также растет почти линейно. Поэтому если у вас одноканальная память и интегрированная графика, которая использует ОЗУ как видеопамять, и если вы на ПК занимаетесь чем-то серьезнее просмотра фильмов и сидения в интернете — в первую очередь нужно купить еще одну планку ОЗУ и сделать двухканальный режим (как это делается — написано в практической статье), ибо вы тем самым фактически удваиваете производительность ОЗУ (ну а двухканальные контроллеры памяти имеют 90% современных процессоров).

Идем дальше — сочетание букв DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Здесь нам интересна только концовка — «и удвоенной скоростью передачи данных». Смысл тут в том, что в старом типе памяти SDRAM данные считывались только при переходе из стостояния «0» в состояние «1» (по фронту сигнала). В DDR же решили считывать данные и при переходе из состояния «1» в состояние «0» (по спаду сигнала), то есть реальная частота памяти удвоилась. Однако с аппаратной точки зрения частота памяти остается той же, поэтому, например, в том же CPU-Z частота памяти будет вдвое ниже, чем в диспетчере задач: Как я уже объяснил выше — пугаться этого не стоит, это особенность DDR.  

Далее — что означает четверка в DDR4? В общем-то только одно — что это 4ое поколение памяти DDR. Отличия между всеми типами можно посмотреть на Вики, не вижу особого смысла это переписывать, но скажу, что основной прирост идет за счет роста частоты памяти.

Теперь посмотрим всю конструкцию — DDR4-3200. Очень многие после 3200 подписывают МГц — в общем-то, это не совсем правильно. На самом деле тут имеется ввиду МТ/с, или мегатранзакции в секунду. Что это за величина? Это величина, которая показывает, сколько операций в секунду может совершаться с памятью. С учетом того, что ширина шины DDR4 составляет 64 бита (или 8 байт), можно получить ее скорость в МБ/с — для этого нужно 3200 МТ/с * 8 Б = 25600 МБ/с. И тут следует сказать, что эта цифра зачастую уже пишется на самой памяти — в моем случае это PC4-17000. Вы скажете — 17000 не равно 25600. Все верно, в моем случае память разогнана, если взять ее реальную скорость в 2133 МТ/с то мы как раз получим 17000 МБ/с. Ну а PC4 в данном случае — эквивалент DDR4. То есть, как вы видите, DDR4-2133 и PC4-17000 — эквивалентные записи, поэтому для понимания того, какая у вас память, достаточно знать только одну из них.

Теперь идет конструкция 16-18-18-36-CR2. Для объяснения этих цифр нужно посмотреть, что же из себя представляет современная DDR-память. По сути она — набор ячеек, хранящих информацию. Каждая ячейка имеет внутри себя транзисторы и конденсаторы, и располагается она в двумерном массиве вместе с другими ячейками. Ну а принцип действия прост: конденсаторы заряжаются при записи в ячейку единичного бита и разряжаются при записи нулевого бита. Отсюда, кстати, возникает проблема — дабы избежать разрядки конденсаторов и потери информации, их нужно постоянно заряжать — именно поэтому при отключении питания ПК вся информация из ОЗУ стирается. 

Основная проблема при работе с ОЗУ — это задержки (latency) при доступе к ячейкам памяти. Логично, что чем меньше задержка — тем быстрее будет идти чтение/запись — тем меньше будет простаивать процессор в ожидании ответа от ОЗУ — тем быстрее будет быстродействие. Посмотрим, какие бывают задержки и за что они отвечают.

Разумеется, каждая ячейка имеет свой «адрес»: грубо говоря, это ее номер в строке и столбце таких же ячеек в двухмерном массиве. В свою очередь, некоторое количество ячеек объединяется вместе для более быстрого доступа к ним — такая группа называется банком. Теперь посмотрим, что происходит, когда контроллер памяти хочет что-то записать в определенную ячейку.  Для начала он обращается в банку с адресом строки — этот сигнал называется RAS (Row Address Strobe). Соответственно, время обращения (задержка) называется RAS Latency — но этот параметр малоинформативен и очень редко пишется. Зато важен параметр RAS to CAS Delay — это процесс поиска нужной строки в банке памяти. Вот этот параметр уже нужен, и его задержка пишется второй — то есть в моем случае он составляет 18 тактов (один такт — это одна отправка данных по шине памяти). Великолепно, всего за 18 тактов мы нашли нужную строку. Но ведь нужен еще и столбец — за него отвечает еще один сигнал, CAS, и его задержка пишется первой — в моем случае это 16 тактов. Казалось бы — все, мы получили точное расположение нашей ячейки, зачем еще две цифры? Не все так просто — зачастую бывает, что контроллеру нужно обратиться к другой ячейке этой же строки. Но для этого он должен сначала закрыть предыдущую сессию запроса (нельзя одновременно обращаться к различным ячейкам одной строки) — а на это опять же уходит время, и эта задержка называется RAS Precharge — она указывает на время закрытия и повторной активации строки. Ее пишут третьей, в моем случае это опять же 18 тактов. Последний параметр — Cycle Time — отвечает за время, необходимое для полного открытия и закрытия всего банка, иными словами — это быстродействие всей памяти. Он пишется четвертым, и у меня он 36 тактов. 

Остался последний параметр — CR (Command Rate), он может быть 1 или 2. Отвечает этот параметр за время, которое должно пройти между активацией памяти и ее способности к работе — это 1 или 2 такта. Разумеется, 1 такт лучше, но тут уж как повезет с памятью. 

Разумеется, такой параметр как такт не очень нагляден — интереснее узнать результат в наносекундах. Для этого узнаем, сколько времени занимает один такт — это 1 / 1200 МГц = 0.83 нс (берем, разумеется, реальную частоту памяти). Cycle Time у памяти 36 тактов, то есть задержка получается 0.83 нс * 36 = 30 нс. Тогда почему AIDA64 показывает результат около 48 нс? Все просто — сам процессор хоть и небольшой, но из-за крайне малых промежутков времени (миллиардные доли секунды) приходится учитывать время на проход сигнала внутри него, что и добавляет дополнительные 18 нс.

Вот в общем-то и все, теперь Dual Channel DDR4-3200 SDRAM (16-18-18-36-CR2) для вас не просто куча символов, а вполне осмысленный набор параметров, который позволяет достаточно точно понять, что за ОЗУ перед вами.

Разгон ОЗУ

У внимательного читателя мог возникнуть вопрос — а что же важнее, более высокая частота памяти или более низкие тайминги (задержки)? Ведь, с одной стороны, чем выше частота — тем быстрее производительность памяти и системы в целом. С другой стороны, чем ниже тайминги — тем быстрее будет происходить обращение к памяти и меньше будет простаивать CPU, то есть — тем быстрее будет работать ПК. С учетом того, что чем выше частота — тем выше тайминги, тут нужно соблюсти баланс. Увы — у каждого он свой, так что разгон памяти — достаточно кропотливое занятие по выставлению различных таймингов, напряжений и частот, и тесты скорости работы ОЗУ в системе. Разумеется, далеко не все хотят заниматься перебором, поэтому в продаже есть память с поддержкой профилей DOCP и XMP. Это — уже зашитые в память профили авторазгона, где прописаны напряжения, частоты и тайминги, на которых память гарантированно заработает — вам лишь нужно выбрать нужный профиль в UEFI. Плюсы такого метода очевидны — вы получаете разгон в один клик. Минусы тоже — во-первых, такая память стоит дороже, причем чем выше гарантированная частота — чем больше цена. Во-вторых, профили не идеальны, и зачастую можно выжать еще 5-10% производительности, но опять же — ковыряясь в таймингах. Ну и самый последний ожидаемый вопрос — а стоит ли вообще разгонять ОЗУ? Все зависит от ваших задач и процессоров: к примеру, в 6 и 8-ядерных AMD Ryzen частота шины, связывающей два процессорных кристалла, напрямую зависит от частоты ОЗУ, так что там ее разгон как говорится «маст хэв». В играх особого прироста производительности от разгона памяти стоит ждать лишь в топовых системах, и то это будет разница между 110 и 120 fps — с одной стороны, приятный бонус, с другой — разница-то все равно не заметна на глаз. Ну а лучше всего заметен разгон в задачах, тесно связанных с ОЗУ — к примеру, архивацией, где у процессоров зачастую не хватает кэша, и они вынуждены часто обращаться к памяти. 

www.iguides.ru

20. Назначение и основные элементы центрального процессора.

Предыдущий вопрос.

21. Организация и структура памяти.

Память компьютера предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации - кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит - элементарная ячейка памяти - может принимать значение «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.

Со времени появления больших (по размерам) компьютеров деление памяти произошло на внутреннююивнешнюю.

Внутренняя память подразделяется:

- на основную (оперативную), информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени;

- постоянную, информацию с которой процессор может только считывать.

Обращение (по чтению или по записи) к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке. В связи с этим оперативную память называют памятью с произвольным доступом - Random Access Memory (RAM), в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM).

Внешняя память адресуется более сложным образом - каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций по обмену данными блок может быть считан или записан только полностью.

Для решения задач пользователя ЭВМ должна обладать системой памяти, удовлетворяющей компромиссу ряда критериев:

– максимальный объем, требуемый для решения задачи;

– высокое быстродействие;

– низкая стоимость.

(микропроцессорная память - МПП)

– чем больше объем памяти ЭВМ, тем ниже ее быстродействие и ниже относительная стоимость запоминающих устройств, входящих в систему памяти;

– чем выше быстродействие, тем выше относительная стоимость запоминающих устройств в пересчете на единицу хранимой в памяти информации.

22. Элементы памяти, их назначение, возможности и принцип работы.

Любые ЗУ состоят из элементов (ячеек) памяти (ЭП) – минимальных частей устройства памяти, используемых для запоминания (хранения) наименьшей единицы данных (бит или байт).

Ячейки памяти имеют адрес (порядковый номер, число) по которому к ним могут обращаться команды процессора. Существует несколько различных систем адресации памяти.

Ячейки памяти, построенные на полупроводниковых технологиях, могут быть статическими (SRAM), то есть не требующими регулярного обновления, и динамическими (DRAM), требующими периодической перезаписи для сохранения данных. Как правило, при помощи статических ячеек организуются кэши, при помощи динамических — ОЗУ.

ЭП статического ЗУ, реализованного на асинхронном RS-триггере, построенного на основе логических элементов И–НЕ на многоэмиттерных транзисторах типа n-p-n.

(ША – шина адреса; РШ - разрядная шина)

Величина тока в РШ определяет состояние ЭП: наличие тока соответствует состоянию логической «1», а отсутствие – состоянию логического «0»

23. Структура памяти пэвм.

Оперативная память (ОЗУ) – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.

Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например видеопамять графического адаптера).

Все узлы не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.

Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость.

Ключевым принципом построения памяти ПЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками.

Запоминающие устройства (ЗУ) характеризуются рядом параметров, определяющих возможные области применения различных типов таких устройств. К основным параметрам, по которым производится наиболее общая оценка ЗУ, относятся их информационная емкость (E), время обращения (T) и стоимость (C).

Под информационной емкостью ЗУ понимают количество информации, измеряемое в байтах, килобайтах, мегабайтах или гигабайтах, которое может храниться в запоминающем устройстве.

studfiles.net

Тема 7 центральные устройства эвм. Основная память.

Основные вопросы

1. Основная память 1

1.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти 1

1.2. Размещение информации в основной памяти IBM PC 9

1.3. Расширение основной памяти IBM PC 10

1. Основная память

1.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на:

• основную память (ОП),

• сверхоперативную память (СОЗУ) – устаревшее название кэш и/или регистровой памяти

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Основная память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM - Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM - Read Only Memory).

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью) и может иметь более высокое быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его специализация на чтении и хранении позволяют сократить время выполнения реализуемых им операций считывания.

В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОП и СОЗУ) изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы памяти относятся к так называемым “регулярным” схемам, что позволяет сделать установку элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотной, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с размерами отдельных атомов).

Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты) - Х и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (рис.1).

Рис. 1. Структурная схема ОЗУ

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из n матриц ЭП, где n - количество разрядов в машинном слове). Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить через m, то емкость памяти (т.е. количество элементов памяти, имеющих уникальные адреса) определяется как 2m. Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержит 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 220 = 1 Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП может быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 232= 4Гб.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют (например, из-за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации - в регенерации.

Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие.

В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Сменные модули могут иметь различное конструктивное исполнение (SIP, ZIP, SIMM, DIMM). Увеличение объема ОЗУ обычно связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30-pin) и 72-контактном исполнениях на 1,4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Время доступа к модулям DRAM составляет 60 - 70 нc.

На производительность ЭВМ влияет не только время доступа, но и такие параметры (связанные с ОЗУ), как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При тактовой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение.

Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности является пропускная способность, которая измеряется в мегабайтах в секунду. Для ОП с временем доступа 60-70 нс и разрядностью шины данных 64 бита максимальная (теоретическая) пропускная способность при тактовой частоте СМ:

• 50 МГц составляет 400 Мбайт/с,

• при частоте 60 МГц - 480 Мбайт/с,

• при 66 МГц - 528 Мбайт/с в режиме группового обмена, реализуемом, например, при прямом доступе к памяти.

Для группового обмена характерно (еще одна характеристика ОЗУ), что при каждом обращении к памяти для считывания первого слова необходимо больше времени, чем для последующих слов.

Так, при использовании стандартной динамической памяти FPM (Fust Page Mode) DRAM на 60-70 нс каждое обращение к памяти в групповом режиме описывается формулой 7-3-3-3, т.е. для обработки первого слова необходимо 7 тактов (в течение 6 из которых СМ простаивает в ожидании), а для обработки следующих трех слов - по 3 такта, по 2 из которых СМ простаивает.

Память типа EDO (Extended Data Output)-DRAM позволяет уменьшить количество циклов ожидания (х-2-2-2, где х - количество тактов, необходимое для обработки первого слова). Память типа BEDO (Burst EDO) DRAM обеспечивает обмен по формуле х-1-1-1 для первого обращения и 1-1-1-1- для последующих. Приведенные формулы характерны для тактовых частот до 60 МГц. Синхронная динамическая память SDRAM (Synchronous DRAM) способна обмениваться блоками данных на рабочей тактовой частоте (внешняя частота процессора) без циклов ожидания:

• при времени доступа 10 нс - до 100 МГц,

• 12 нс - до 83МГц

• 15 нс - до 66 МГц.

ПЗУ (энергонезависимая память)

Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры накопителя. Функции элементов памяти в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки может означать “1”, а ее отсутствие - “О”. Занесение формации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, - программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться “О”. Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы - репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) - допускают их многократное стирание и занесение новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять информацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за счет подачи специального стирающего напряжения, либо за счет воздействия на кристалл ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).

Сверхоперативные ЗУ(в настоящее время это кэш-память) используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2 - 10 раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ (или кэш) обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.

По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации.

Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево. Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис. 2).

Если запись в регистровую структуру (рис.2,а) производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом магазинной памяти и работает по принципу “первым вошел - первым вышел” (FIFO - first input, first output).

Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же регистр (рис. 2,б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу “первым вошел — последним вышел” (FILO - first input, last output). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека -регистр 1. Чтение осуществляется тоже через вершину стека, после того как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1.

Рис.2. Регистровая структура магазинного типа: а - типа FIFO; б - типа FILO

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помощью программ операционной системы выделяется часть памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е. фактически стек остается неподвижным, а перемещается вершина стека). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип “первым вошел - последним вышел”. В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке, на этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием “логика Лукашевича”.

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация, содержащая данные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного города, то название этого города помещается в маску и дается команда чтение - из памяти выбираются все записи, относящиеся к заданному городу.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в 2 - 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая “кэш-память I уровня”) или выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память или кэш-память II уровня). Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем около 16 Кбайт, время доступа - 5 - 10 нс, работает с 32-битными словами и при частотах 75-166 МГц обеспечивает пропускную способность от 300 до 667 Мбайт/с. Внешняя кэш память (II уровня) имеет объем 256 Кбайт - 1 Мбайт, время доступа - 15 нc, работает с 64-битными словами и при частоте 66 МГц обеспечивает максимальную пропускную способность 528 Мбайт/с. Конструктивно исполняется либо в виде 28-контактной микросхемы, либо в виде модуля расширения на 256 или 512 Кбайт.

Рис. 3. Возможный состав системы памяти ЭВМ

Регистровая – 64-256 слов, ( ) 1 такт

Кэш 1-го уровня – 8 Кслов, ( не более 128 Кб ) 1-2 такта

Кэш 2-го уровня – 256 Кслов, (от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт) 3-5 тактов

Кэш 3-го уровня – 1 Мслов, (более 24 Мбайт) 6-11 тактов

Основная память – 4 Гслов, 12-55 тактов

Внешняя память – к*Тслов, от 106 слов

Буферные ЗУ:Их назначение состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и более медленными уровнями памяти компьютера. Буферная память может устанавливаться на различных уровнях. Ранее такие буферные ЗУ в отечественной литературе называлисверхоперативными (СОЗУ), сейчас это название практически полностью вытеснил термин "кэш-память" или простокэш.

Принцип использования буферной памяти во всех случаях сводится к одному и тому же. Буфер представляет собой более быстрое (а значит, и более дорогое), но менее емкое ЗУ, чем то, для ускорения работы которого он предназначен. При этом в буфере размещается только та часть информации из более медленного ЗУ, которая используется в настоящий момент.

Если доля hобращений к памяти со стороны процессора, удовлетворяемых непосредственно буфером (кэшем) высока (0,9 и более), то среднее время для всех обращений оказывается близким ко времени обращения к кэшу, а не к более медленному ЗУ.

Пример.

Пусть двухуровневая память состоит из кэш и оперативной памяти, как показано на рис.5. И пусть, например, время обращения к кэшу tc = 1 нс (10-9 с), время tm обращения к более медленной памяти в десять раз больше – tm = 10 нс, а доля обращений, удовлетворяемых кэшем, h = 0,95.

Тогда среднее время обращения к такой двухуровневой памяти Tср составит

Tср = 1 * 0.95 + 10 * (1 – 0.95 ) = 1.45 нс,

т.е. всего на 45% больше времени обращения к кэшу. Значение h зависит от размера кэша и характера выполняемых программ и иногда называется отношением успехов или попаданий (hit ratio).

Рис.5. К расчету среднего времени обращения(tc– время обращения к кэш-памяти, tm– время обращения к ОП,h– доля обращения, обслуживаемых кэш-памятью, 1 –h– доля обращений, обслуживаемых ОП)

Размеры кэш-памяти существенно изменяются с развитием технологий. Так, если в первых ЭВМ, где была установлена кэш-память, во второй половине 1960-х годов (большие ЭВМ семейства IBM-360) ее емкость составляла всего от 8 до 16 КБайт, то уже во второй половине 1990-х годов емкость кэша рядовых персональных ЭВМ составляла 512 КБайт. Причем сама кэш-память может состоять из двух (а в серверных системах – даже трех- Itanium) уровней: первого (L1) и второго (L2), также отличающихся своей емкостью и временем обращения.

КЭШ подробно

Конструктивно кэш уровня L1 входит в состав процессора (поэтому его иногда называют внутренним). Кэш уровня L2 либо также входит в микросхему процессора, либо может быть реализован в виде отдельной памяти. Как правило, на параметры быстродействия процессора большее влияние оказывают характеристики кэш-памяти первого уровня.

Время обращения к кэш-памяти, которая обычно работает на частоте процессора, составляет от десятых долей до единиц наносекунд, т.е. не превышает длительности одного цикла процессора.

Обмен информацией между кэш-памятью и более медленными ЗУ для улучшения временных характеристик выполняется блоками, а не байтами или словами.Управляют этим обменом аппаратные средства процессора и операционная система, и вмешательство прикладной программы не требуется. Причем непосредственно командам процессора кэш-память недоступна, т.е. программа не может явно указать чтение или запись в кэш-памяти, которая является для нее, как иногда говорят, “прозрачной” (прямой перевод используемого в англоязычной литературе словаtransparent).

Кэш (cache) - это память быстрого доступа, расположенная непосредственно в процессоре (в старых ЦП в виде микросхемы). Эта характеристика не так важна, как тактовая частота, но все же будет не приятно если кэш будет маленьким. В нем храниться информация с наибольшей вероятностью запроса. Доступ к этой информации будет воспроизведен мгновенно, этим cache отличается от оперативной памяти.

Февр.2011

studfiles.net

классификация, принцип работы, основные характеристики — Мегаобучалка

функциям памяти относятся: прием информации из других устройств, запоминание информации, выдача информации по запросу в другие устройства компьютера. Основными характеристиками памяти являются объем и время доступа. Объем памяти определяется максимальным количеством информации (в байтах), которая может быть записана в эту память. Время доступа (в секундах) представляет собой минимальное время, достаточное для записи в память единицы информации. Кроме того, важной характеристикой является плотность записи (бит/см2) – количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память (основная память) размещается внутри системного блока. Основным назначением внутренней памяти является совместное хранение данных и программ в процессе преобразования и обработки данных. Она подразделяется на оперативную и постоянную. К устройствам внутренней памяти относят электронную оперативную память, ПЗУ и CMOS.

Электронная оперативная память (RAM – Random Access Memory) – быстродействующее энергозависимое устройство памяти с произвольным доступом, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, чтения и временного хранения выполняемых программ и данных в текущем сеансе работы. Ее быстродействие обусловлено отсутствием медленных механических элементов, как это имеет место в памяти на магнитных дисках, лентах и компакт-дисках. После выключения компьютера содержимое оперативной памяти стирается. От размера оперативной памяти во многом зависит скорость работы и программное обеспечение компьютера. Емкость оперативной памяти в современных компьютерах достигает порядка сотен мегабайт, а в компьютерах новых поколений – более 1 Гбайт.

С точки зрения физического принципа действия в компьютере используется два типа оперативной памяти: динамическая (DRAM) и статическая (SRAM).

Микросхемы динамической памяти состоят из ячеек, которые можно представить в виде микроскопических конденсаторов, способных накапливать на своих обкладках электрический заряд. Каждая ячейка памяти может хранить 1 байт информации. Различают адрес (номер) ячейки и содержимое ячейки. Существенным недостатком этого типа памяти является то, что микроконденсаторы из-за утечек постепенно разряжаются. Чтобы сохранить значения данных, необходима периодическая (каждые несколько миллисекунд) подзарядка конденсаторов. Процесс периодического восстановления состояния ячеек динамической памяти называется регенерацией. Динамическая память используется в качестве основной оперативной памяти (ОЗУ). Часто ее называют просто оперативной памятью. При включении компьютера в ОЗУ загружаются с диска программы и данные для работы операционной системы, а затем прикладные программы и документы, которые открывает пользователь.

Оперативная память размещается на стандартных панельках – модулях, которые вставляют в соответствующие разъемы (слоты) системной платы. В ПК применяют три типа модулей. Модули SDRAM (DIMM-модули) использовались в компьютерах прошлых поколений и на сегодня считаются устаревшими. В настоящее время наиболее распространены модули типа DDR SDRAM (DDR DIMM), обеспечивающие быстрый доступ к памяти. С процессором Pentium IV применяются модули типа RDRAM (RIMM –модули). Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня типичным считается размер модулей оперативной памяти объемом 128–512 Мбайт, но сохраняется тенденция к росту. Скорость передачи данных определяет максимальную пропускную способность памяти (в Мбайт/с или Гбайт/с) в оптимальном режиме доступа. На скоростные характеристики оказывают существенное влияние такие параметры как время доступа к памяти, ширина шины, передача нескольких сигналов за один такт работы. Поэтому одинаковые по объему модули могут иметь разные скорости передачи данных. Иногда в качестве определяющей характеристики памяти используют время доступа. Для современных модулей это значение может составлять 5 нс (наносекунд), а для особо быстрой памяти, которая используется в видеокартах, это время снижается до 2–3 нс.

Микросхемы статической памяти состоят из ячеек, которые можно представить как триггеры, выполненные из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому статическая память обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически она реализуется сложнее и, соответственно, дороже динамической памяти.

Статическая память используется в качестве вспомогательной сверхоперативной кэш-памяти (СЗУ – сверхоперативное запоминающее устройство), предназначенной для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми. Кэш-память невидима для пользователя и данные, хранящиеся в ней, недоступны для прикладной программы. Она является промежуточным буфером, содержащим копии наиболее часто используемой информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом. Кэш-память может размещаться между оперативной памятью и процессором или между оперативной памятью и диском. При обращении процессора к памяти сначала происходит поиск нужных данных в кэш-памяти. При этом возможны как попадания, так и промахи. В случае попадания (в кэш подкачаны нужные данные) происходит быстрое считывание данных. Если требуемая информация отсутствует в кэш-памяти (промах), то происходит считывание непосредственно из оперативной памяти, но с меньшей скоростью. Соотношение числа попаданий и промах определяет эффективность кэширования. В настоящее время кэш-память реализуется по двухуровневой системе. При этом первичный кэш (уровень 1) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный (уровень 2) устанавливается на системной плате. Так как доступ к данным в кэш-памяти идет быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти, то среднее время доступа к памяти уменьшается. Увеличение объема кэш-памяти, также как и для ОЗУ, повышает эффективность работы компьютера. Наличие кэш-памяти может увеличить производительность компьютера на 20%.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это микросхема, расположенная на системной плате и способная длительно хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Такой вид памяти называют ROM (Read Only Memory – память только для чтения). ПЗУ является энергонезависимым устройством, которое используется для хранения и чтения неизменной информации, некоторых часто встречающихся величин, стандартных программ и т. п. Программы записываются в ПЗУ на этапе изготовления микросхемы – их называют «зашитыми». ПЗУ играет важную роль, потому что в нем записаны тестирующие программы и программа начальной загрузки компьютера. Комплект программ ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение BIOS состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководами гибких и компакт-дисков. Это необходимо для того, чтобы компьютер мог начать функционировать после включения питания независимо от наличия и состава дополнительных видов памяти. Программы BIOS выводят на экран диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также позволяют вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. Сразу после включения компьютера на адресной шине аппаратно формируется стартовый адрес, который позволяет процессору обратиться в ПЗУ за своей первой командой.

Помимо ПЗУ типа ROM используются ППЗУ (PROM) – программируемые ПЗУ и РПЗУ – перепрограммируемые ПЗУ. ППЗУ позволяют однократно изменить состояние запоминающей матрицы электрическим путем по заданной программе. РПЗУ обладают возможностью многократного электрического программирования. Стирание старой информации в РПЗУ осуществляется либо с помощью электрического сигнала, снимающего заряд (РПЗУ-ЭС, EEPROM), либо с помощью ультрафиолетового излучения (РПЗУ-УФ, EPROM).

В современных компьютерах BIOS записывается в запоминающее устройство, которое называется флэш-памятью. Флэш-память также является энергонезависимой, но в отличие от ПЗУ, она позволяет обновлять и перезаписывать находящиеся в ней данные, то есть появляется возможность перепрограммирования BIOS.

Программы, входящие в BIOS, обслуживают только стандартные устройства, например клавиатуру. Изготовителям BIOS ничего не известно о конфигурации реальной вычислительной системы и параметрах устройств этой системы. По очевидным причинам данные о составе оборудования нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в ПЗУ. В связи с этим на системной плате устанавливается специальная микросхема энергонезависимой памяти CMOS, в которой хранятся настройки BIOS: данные о гибких и жестких дисках, о процессоре и некоторых других устройств системного блока. Благодаря CMOS компьютер четко отслеживает время и календарь (даже в выключенном состоянии), так как показания системных часов также хранятся (и изменяются) именно в этой памяти. От оперативной памяти CMOS отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении питания, а от ПЗУ она отличается тем, что данные о составе оборудования системы можно заносить в нее и изменять самостоятельно. Микросхема CMOS постоянно подпитывается от аккумуляторной батарейки, установленной на системной плате. Этого заряда достаточно на то, чтобы CMOS не теряла данные, если даже компьютер будет длительно выключен (несколько лет). Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе оборудования из микросхемы CMOS, после чего выполняют обращение к жесткому диску (при необходимости они могут обращаться к гибкому диску или компакт-диску), а затем передают управления тем программам, которые записаны на диске.

Внешняя память – это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения больших объемов информации (программ и данных). Наличие внешней памяти обеспечивает возможность неоднократного использования информации. Информация, записанная на внешнюю память, может храниться после выключения компьютера до следующего сеанса работы. Процессор не имеет непосредственного доступа к данным, находящимся во внешней памяти. Для обработки данных процессором они должны быть загружены в ОЗУ из внешних накопителей. Внешняя память существенно медленней оперативной и сверхоперативной кэш-памяти. Время доступа к информации для этих запоминающих устройств находится в пределах миллисекунд.

Устройства внешней памяти реализуются с использованием различных принципов записи и хранения. К ним относят дисковые накопители (магнитные, оптические и магнитооптические ЗУ), флэш-накопители, накопители на магнитной ленте. Дисковые накопители представляют собой совокупность носителя (диски) и соответствующего привода (дисковода). Дисководы жестких и гибких магнитных дисков, компакт-дисков и цифровых видеодисков размещаются внутри системного блока. Ряд устройств внешней памяти находится вне системного блока, они являются периферийными.

Жесткий диск (винчестер, HardDisk) – основное устройство с несъемным носителем, которое служит для долговременного хранения больших объемов информации (данных, программ, архивов и т. п.). Версия происхождения названия «винчестер» основана на том, что первые массовые модели накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) содержали два диска по 30 Мбайт. Поэтому каждая модель маркировалась цифрами «30/30», подобно калибру охотничьего ружья винчестер. В компьютерах жесткие диски находятся внутри системного блока.

Конструктивно винчестер представляет собой набор соосных дисков, имеющих магнитное покрытие. При записи данных на диски происходит изменение намагниченности поверхности диска. При этом работает соответственно несколько магнитных головок, собранных в единый блок. Поскольку винчестер состоит не из одного, а из группы дисков, то он имеет 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе. Над каждой поверхностью располагается магнитная головка для чтения/записи данных. Операции записи и считывания связаны с механическим вращением дисков и перемещением магнитных головок. Пока компьютер включен, пакет дисков непрерывно вращается с большой скоростью. Вся электромеханическая часть заключена в герметический корпус, что позволяет достичь высокой плотности записи и большой скорости считывания.

Управление работой винчестера выполняет контроллер жесткого диска. В настоящее время функции контроллера частично интегрированы в сам жесткий диск, а частично выполняются микросхемами, входящими в состав чипсета. Некоторые виды высокопроизводительных контроллеров могут поставляться на отдельной (дочерней) плате. В большинстве современных компьютеров используются контроллеры с интерфейсом IDE, который характеризуется высокой производительностью, легкостью подключения и относительно невысокой стоимостью.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость (объем памяти) дисков зависит от технологии их изготовления. В современных компьютерах объем памяти на жестких дисках имеет диапазон от нескольких Мбайт до нескольких десятков Гбайт. Максимальная емкость жесткого диска может достигать 150 Гбайт. Производительность жесткого диска в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого он связан с системной платой. Одним из важных параметров, влияющих на производительность жесткого диска, является скорость передачи данных. В зависимости от типа интерфейса диапазон скорости передачи данных (скорости записи/считывания) может быть от нескольких Мбайт/с до сотен Мбайт/с для наиболее современных интерфейсов. Кроме скорости передачи данных с производительностью диска связан параметр среднего времени доступа. Он определяет время, необходимое для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Например, для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс. К настоящему времени скорость передачи данных за счет быстрого вращения дисков (до 7200 об/мин) достигла 133–200 Мбайт/с, а время доступа составило 4–6 мкс. В последнее время стал важным еще один параметр – плотность записи. Появились винчестеры с двойной плотностью записи, которые отличаются высокой скоростью (Transfer), поскольку при вращении диска с той же скоростью за один оборот с него считывается больше информации. Как правило, плотность таких дисков выше 1 Гбайт на один диск пакета. Например, пакет жесткого диска емкостью 3,6 Гбайт содержит внутри всего два диска.

Для записи, а затем чтения данных на магнитном диске создается определенная структура данных, позволяющая формировать адреса записанных данных. Реализация структуры данных осуществляется с помощью специальной служебной программы, выполняющей операцию форматирования. Форматирование жесткого диска включает три этапа: низкоуровневое форматирование; создание главных (основных) разделов или логических дисков; логическое форматирование.

Низкоуровневое форматирование (первый этап) выполняется на заводе-изготовителе. На этом этапе осуществляется разбиение поверхности дисков на дорожки и сектора. Дорожки представляют собой концентрические окружности магнитных дисков. Совокупность всех совпадающих по вертикали дорожек на дисках называется цилиндром. Нумерация дорожек начинается от края диска к центру (0, 1, 2, … и т. д.). Дорожки, в свою очередь, разбиваются на сектора. Сектор – это минимальная физическая единица хранения данных. Нумерация секторов начинается с 1. Каждый сектор, кроме данных, содержит служебную информацию (номер дорожки, номер сектора, контрольная сумма данных), необходимую для работы контроллера. При низкоуровневом форматировании определяются размер сектора (как правило, равный 512 байт), количество дорожек и количество секторов на дорожку. Количество дорожек и секторов на диске зависят от емкости диска и используемого формата. Для повышения эффективности работы дисков в качестве минимальной единицы адресуемого пространства используется не единичный сектор, а группа смежных секторов, которую называют кластером. Объем кластера зависит от формата диска и составляет 1 сектор – для дискеты, от 2 до 32 и более секторов – для жестких дисков. Все кластеры имеют сквозную нумерацию. Место под файл выделяется кластерами. Операционная система сама определяет, какие именно кластеры необходимо выделить тому или иному файлу. Если для записи файла недостаточно количества смежных кластеров, то файлу будут выделены любые несмежные кластеры, имеющиеся на диске, и в этом случае файл является фрагментированным.

Жесткие диски, помимо физической, имеют логическую структуру, которая создается на втором этапе после создания физической структуры. Логическая структура представляет собой разбиение диска на главные разделы (тома), каждый из которых может быть использован конкретной файловой системой. Кроме главных разделов один раздел может быть создан как расширенный и использоваться для разбиения его на несколько логических дисков, причем каждый из дисков имеет свою файловую систему. Таким образом, на жестком диске может быть 1, 2 или 3 главных раздела и один расширенный раздел, содержащий один или несколько логических дисков. Первый раздел, как правило, используется в качестве системного раздела, с которого загружается операционная система. При этом системный раздел может быть только главным. Главные разделы, а также логические диски обозначаются латинскими буквами с двоеточием: C:, D:, E: и т. д. При создании первого раздела (основного или расширенного) в первом физическом секторе создается главная загрузочная запись (MBR) и таблица разделов, содержащая информацию о каждом из имеющихся на диске разделов. MBR используется программой начальной загрузки BIOS, которая считывает в память из активного раздела диска первый физический сектор, называемый загрузочным сектором.

На третьем этапе производится логическое форматирование разделов или логических дисков. В процессе логического форматирования на диск записывается информация, необходимая для работы конкретной файловой системы. Ниже представлена схема раздела или логического диска файловой системы FAT.

Загрузочный сектор раздела

FAT

FAT (копия)

Корневой каталог

Область файлов

Загрузочный сектор включает в себя загрузочную запись (BR), в которой содержится информация о типе и версии операционной системы, серийный номер, тип файловой системы, метка и характеристики диска, информация о головном (корневом) каталоге. Вслед за BR располагаются секторы FAT-таблицы. FAT–это таблица размещения файлов, с помощью которой компьютер запоминает адреса записанных файлов. Когда требуется считать какой-либо файл с диска, компьютер по имени этого файла находит в FAT-таблице стартовый кластер, с которого нужно начинать чтение, затем переводит магнитную головку в нужное положение и считывает файл в оперативную память. Если файл размещен в одном кластере, то элемент FAT содержит индикатор конца файла. Если файл занимает несколько кластеров, то элемент FAT указывает номер следующего кластера, в котором находится продолжение файла, либо признак конца файла, если это последний кластер. В зависимости от размера кластера используются различные типы файловой системы: FAT12, FAT16, FAT32. 12-разрядная FAT использовалась для форматирования дискет и жестких дисков, размер которых не превышал 16 Мбайт. FAT16 поддерживает диски размером до 2 Гбайт. Современные операционные системы при записи файлов на жесткий диск используют файловую систему FAT32, в которой для адреса файла выделяется 4 байта (32 бита). С помощью 32 битов файлам на диске может быть представлено максимально 232 (4 294 967 296) кластеров. Для Windows NT разработана специальная файловая система NTFS, которая отличается от системы FAT расширенными возможностями по управлению доступом к файлам и каталогом и обладающая атрибутами защищенности файлов, позволяющими обеспечить защиту данных от несанкционированного доступа. Тип файловой системы не может быть изменен без переформатирования диска. Сразу за последней копией FAT находится корневой каталог. Его размер в элементах (элемент – 32 байта) указан в BR. Корневой каталог содержит список имен файлов с указанием даты и времени их создания, а также размеров и атрибутов файла. Кроме того, в каталоге находится номер стартового кластера, то есть начальной позиции файла. Когда системе нужен какой-либо файл, она находит в каталоге по имени файла номер стартового кластера и затем просматривает FAT-таблицу в поисках этого кластера.

Гибкие магнитные диски (флоппи-диски, дискеты) – это сменные носители информации, на которых программы и данные можно хранить отдельно от компьютера. Они используются для личного хранения и оперативного переноса информации от одного компьютера к другому, на них можно хранить копии документов, инсталляционные файлы программ, различные архивы. Флоппи-диски вставляются в приемное отверстие дисковода (накопитель на гибких магнитных дисках - НГМД), находящегося внутри системного блока. Для записи данных на гибкие диски также как и для винчестера используется принцип намагничивания поверхности диска. Считывание и запись информации осуществляется магнитной головкой через окно, вырезанное в конверте (оболочке дискеты). Прежде, чем производить запись, дискеты должны быть отформатированы при помощи специальной команды: для DOS – это команда Format.com. При форматировании осуществляется разбиение диска на дорожки и секторы. В каждом секторе может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта (обычно 512 байт). Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи и емкость. В настоящее время стандартными являются диски HD (высокой плотности) размером 3,5 дюйма, емкость которых составляет 1,44 Мбайт.

Самое главное достоинство гибких магнитных дисков – они являются съемными и имеют низкую стоимость. Однако такие диски считаются малонадежными носителями. Пыль, влага, температурные перепады, внешние электромагнитные поля очень часто являются причиной утраты данных, хранившихся на дискетах. Для защиты от влаги и пыли магнитная поверхность диска прикрыта жестким пластмассовым конвертом со сдвигающейся шторкой. Записанные на дискете ценные данные можно защитить от стирания или перезаписи, сдвинув задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. В новейших компьютерах происходит постепенный отказ от этого типа носителей.

Компакт-диски (CD-диски) и цифровые видеодиски (DVD-диски) – это оптические накопители, являются наиболее удобным средством для хранения и переноса больших объемов информации. Сегодня практически только на компакт-дисках или DVD-дисках производится легальная поставка программных продуктов, характерных для мультимедийной информации (графика, музыка, видео). Такие программные продукты получили название мультимедийные издания. На основе компакт-дисков создаются справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Дисководы для оптических дисков устанавливаются внутри системного блока. Запись и считывание информации в таких накопителях производится бесконтактно с помощью лазерного луча в цифровом виде. В отличие от магнитных дисков цифровая запись характеризуется очень высокой плотностью. Оптические накопители считывают информацию в 10–15 раз быстрее, чем дисководы гибких дисков, но все же медленнее, чем жесткие диски.

С 1994–1995 годов в базовую конфигурацию ПК вместо дисководов гибких дисков диаметром 5,25 дюйма стали включаться имеющие такие же размеры дисководы CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory, что в переводе на русский язык означает постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска). Дисковод CD-ROM служит только для чтения данных. Некоторые из дисководов (CD-R) допускают только однократную запись, после чего превращаются в обычный компакт-диск, доступный только для чтения. Для многократной записи данных на компакт-диски используются дисководы CD-RW. Они являются перезаписываемыми, то есть позволяют стереть ранее записанную информацию и записать новые данные. Поверхность перезаписываемого оптического компакт-диска имеет специальный слой, который под действием луча лазера может менять свое состояние. Компакт-диски CD имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт. Они просты и удобны в работе, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию.

Большое распространение получили цифровые видеодиски (DVD-диски), представляющие собой сочетание технологии записи и считывания данных с оптических компакт-дисков с форматом располагаемых на диске данных. Различают несколько типов дисководов для DVD-дисков: DVD-ROM – дисководы только для чтения; DVD-R – с однократной записью; DVD- RW – с многократной записью. Емкость цифровых видеодисков DVD достигает 17 Гбайт.

Основным параметром дисководов является скорость чтения данных. Дисководы компакт-дисков для считывания и записи данных используют механически перемещающуюся оптическую систему. В первых моделях для чтения данных применялся CLV-метод, при котором скорость чтения по всей дорожке была постоянной, а угловая скорость вращения диска линейно уменьшалась в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска. За единицу измерения была принята скорость чтения музыкальных компакт-дисков, составляющая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью – 600 Кбайт/с и т. д. К примеру, современная модель маркируется значком 52´, что соответствует скорости считывания 52´150 Кбайт/с = 7,8 Мбайт/с.Более поздние модели стали поддерживать технологию постоянной угловой скорости (CAV). В этом случае меняется скорость чтения данных – на внутренних дорожках она минимальна, а на внешних максимальна. Указанная на дисководе цифра характеризует эту максимальную скорость. В настоящее время скорость считывания дисковода DVD-ROM достигает 21 Мбайт/с. Скорость записи в современных дисководах не уступает скорости чтения. Например, для заготовок компакт-дисков многократной записи скорость записи может составлять (12–24)´150 Кбайт/с.

Необходимость в периферийных устройствах хранения данных возникает в том случае, когда объем обрабатываемых данных больше объема, который можно разместить на базовом жестком диске, или когда необходимо выполнять регулярное резервное копирование данных, имеющих повышенную ценность. Большинство периферийных запоминающих устройств являются магнитными или магнитооптическими накопителями.

Стример – это периферийное устройство, предназначенное для быстрой записи с жесткого диска и надежного хранения больших объемов данных на магнитной ленте. Емкость магнитных кассет (картриджей) для стримеров достигает нескольких десятков гигабайт. Стримеры используются преимущественно в специализированных сетевых устройствах для резервного копирования информации. К недостаткам стримеров относят малую производительность (магнитная лента – устройство последовательного доступа) и недостаточную надежность из-за электромагнитных наводок и механической нагрузки.

Накопитель на съемных магнитных дисках (съемный жесткий диск) по своим характеристикам приближается к жестким дискам, но в отличие от них является сменным (внешним). Используется как для резервного копирования и переноса информации с одного ПК на другой, так и для непосредственной работы на разных компьютерах. В настоящее время используются ZIP- и JAZ- накопители, которые выпускаются фирмой Iomega. В зависимости от модели на одном диске можно разместить от одного до нескольких гигабайт. Основные недостатки JAZ- накопителей – это требование наличия специальных дисководов, отсутствие совместимости со стандартными трехдюймовыми дискетами. ZIP-накопитель – аналог стримера по емкости и назначению, часто используется для хранения дистрибутивов. По размеру ZIP-накопители незначительно превышают стандартные гибкие диски. Подключается такое устройство в порт, параллельный принтеру.

Магнитооптические съемные диски получили широкое распространение в компьютерных системах высокого уровня. Для хранения информации в магнитооптическом носителе используется специальный магнитный слой, который реагирует как на магнитное, так и на оптическое воздействие. Чтение и запись осуществляются с помощью луча лазера. Магнитооптические диски используются для решения задач резервного копирования, обмена данными и хранения редко используемых данных. Различают два типа магнитооптических дисков: CCW – с однократной записью; CCE – с многократной записью. Пользователь может работать с магнитооптическими дисками также как и с жесткими, только несколько более медленными. Емкость накопителей составляет от 230 Мбайт до 4,6 Гбайт. Магнитооптические диски имеют наибольшее число циклов перезаписи (более 100 млн), самый длительный срок хранения данных (не менее 50–100 лет), самую высокую стойкость к внешним воздействиям. Преимуществом магнитооптического метода записи по сравнению с магнитным является независимость от внешних магнитных полей, так как перемагничивание возможно только при температурах выше 150ºС. Однако достаточно высокая стоимость этих устройств не позволяет отнести их к устройствам массового спроса.

Флэш-память (флэш-карта) представляет собой современную внешнюю электронную энергонезависимую память с меньшим по сравнению с внутренней памятью быстродействием, вследствие большой удаленности от процессора и ограниченной пропускной способностью портов, к которым она подключается. Она относится к памяти типа EPROM (РПЗУ), допускает возможность многократной перезаписи данных, состоит из подобных запоминающих элементов, но имеет свои структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид. Конструктивно флэш-память представляет собой набор микросхем, помещенный в миниатюрный плоский корпус. При записи в память используется принцип переноса электрического заряда на затвор транзистора. Флэш-память имеет минимальные размеры и с помощью порта USB допускает «горячее» (при включенном компьютере) подключение без установки драйвера. Объем флэш-памяти составляет от 32 Мбайт до нескольких десятков Гбайт. К достоинствам такой памяти можно отнести: малую потребляемую мощность, малогабаритность, отсутствие движущихся частей. Флэш-карта может быть вмонтирована в мобильное устройство, может быть переносной и использоваться в нескольких устройствах. Например, информацию, записанную на флэш-карте цифрового аппарата, можно прочесть на компьютере. На данный момент наиболее распространенными типами флэш-карт являются CompactFlash и SD/MMC.

Виртуальная память заслуживает особого рассмотрения. Все виды памяти в компьютере связаны между собой, образуя иерархическую структуру. Чем ближе устройство памяти к процессору, тем меньше ее объем, но зато больше скорость работы. Информация распределяется по уровням памяти в соответствии с ее потребностью. Например, файлы программ и данных, необходимые для решения задачи, считываются в ОЗУ, а наиболее часто используемые данные попадают в кэш-память. Современные операционные системы работают в предположении, что компьютер обладает виртуальной памятью, имеющей несколько больший объем внутренней памяти, чем реально установленный в ОЗУ. Часть виртуальной памяти, необходимой для решения задачи, размещается на жестком диске в специальном системном файле, называемом файлом подкачки (или своп-файлом). Если по каким-либо причинам объем ОЗУ окажется недостаточным, то операционная система копирует менее востребованную в данный момент область оперативной памяти в файл подкачки, и тем самым освобождает необходимый объем ОЗУ. Когда потребуются эти данные с диска, то они будут возвращены в оперативную память. Этот процесс называется свопингом. Поскольку скорость обмена данными между ОЗУ и жестким диском невелика, то программы в этом случае будут выполняться медленнее. В подобной ситуации для повышения скорости работы компьютера необходимо увеличить объем ОЗУ.

Тесты

megaobuchalka.ru

#факты | Как работает оперативная память?

Оперативная память (ОЗУ, RAM), самая известная из всех рассмотренных ранее форм компьютерной памяти. Эту память называют памятью «произвольного доступа» («random access»), поскольку вы можете получить доступ к любой ее ячейке непосредственно. Для этого достаточно знать строку и столбец, на пересечении которых находится нужная ячейка. Известны два основных вида оперативной памяти: динамическая и статическая. Сегодня мы подробно рассмотрим принцип «дырявого ведра», на котором основана динамическая память. Некоторое внимание будет уделено и статической памяти, быстрой, но дорогой.

Ячейка памяти подобна дырявому ведру

Совсем иначе работает память с последовательным доступом (SAM). Как и следует из ее названия, доступ к ячейкам этой памяти осуществляется последовательно. Этим она напоминает пленку в магнитофонной кассете. Когда данные ищутся в такой памяти, проверяется каждая ячейка до тех пор, пока не будет найдена нужная информация. Память этого типа используется для реализации буферов, в частности буфера текстур видеокарт. То есть SAM имеет смысл применять в тех случаях, когда данные будут расположены в том порядке, в котором их предполагается использовать.

Подобно подробно рассмотренному ранее микропроцессору, чип памяти является интегральной микросхемой (ИС, IC), собранной из миллионов транзисторов и конденсаторов. Одним из наиболее распространенных видов памяти произвольного доступа является DRAM (динамическая память произвольного доступа, dynamic random access memory). В ней транзистор и конденсатор спарены и именно они образуют ячейку, содержащую один бит информации. Конденсатор содержит один бит информации, то есть «0» или «1». Транзистор же играет в этой паре роль переключателя (свитча), позволяющего управляющей схеме чипа памяти считывать или менять состояние конденсатора.

Конденсатор можно представить себе в виде небольшого дырявого «ведерка», которое при необходимости заполняется электронами. Если оно заполнено электронами, его состояние равно единице. Если опустошено, то нулю. Проблемой конденсатора является утечка. За считанные миллисекунды (тысячные доли секунды) полный конденсатор становится пустым. А это значит, что или центральный процессор, или контроллер памяти вынужден постоянно подзаряжать каждый из конденсаторов, поддерживая его в наполненном состоянии. Подзарядку следует осуществлять до того, как конденсатор разрядится. С этой целью контроллер памяти осуществляет чтение памяти, а затем вновь записывает в нее данные. Это действие обновления состояния памяти осуществляется автоматически тысячи раз за одну только секунду.

Конденсатор динамической оперативной памяти можно сравнить с протекающим ведром. Если его не заполнять электронами снова и снова, его состояние станет нулевым. Именно эта операция обновления и внесла в название данного вида памяти слово «динамическая». Такая память или обновляется динамически, или «забывает» все, что она «помнила». Есть у этой памяти существенный недостаток: необходимость постоянно обновлять ее требует времени и замедляет работу памяти.

Устройство ячейки динамической оперативной памяти (DRAM)

Структуру памяти можно представить себе в виде трехмерной сетки. Еще проще: в виде листка из школьной тетради в клеточку. Каждая клеточка содержит один бит данных. Сначала определяется столбец, затем данные записываются в определенные строки посредством передачи сигнала по данному столбцу.

Итак, представим себе тетрадный лист. Некоторые клеточки закрашены красным фломастером, а некоторые остались белыми. Красные клеточки это ячейки, состояние которых «1», а белые — «0».

Только вместо листа из тетради в оперативной памяти используется кремниевая пластина, в которую «впечатаны» столбцы (разрядные линии, bitlines) и строки (словарные шины, wordlines). Пересечение столбца и строки является адресом ячейки оперативной памяти.

Динамическая оперативная память передает заряд по определенному столбцу. Этот заряд называют стробом адреса столбца (CAS, Column Adress Strobe) или просто сигналом CAS. Этот сигнал может активировать транзистор любого бита столбца. Управляющий сигнал строки именуется стробом адреса строки (RAS, Row Adress Strobe). Для указания адреса ячейки следует задать оба управляющих сигнала. В процессе записи конденсатор готов принять в себя заряд. В процессе чтения усилитель считывания (sense-amplifier) определяет уровень заряда конденсатора. Если он выше 50 %, бит читается, как «1»; в остальных случаях, как «0».

Осуществляется также обновление заряда ячеек. За порядком обновления следит счетчик. Время, которое требуется на все эти операции, измеряется в наносекундах (миллиардных долях секунды). Если чип памяти 70-наносекундный, это значит, полное чтение и перезарядка всех его ячеек займет 70 наносекунд.

Сами по себе ячейки были бы бесполезны, если бы не существовало способа записать в них информацию и считать ее оттуда. Соответственно, помимо самих ячеек, чип памяти содержит целый набор дополнительных микросхем. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

• Идентификации строк и столбцов (выбор адреса строки и адреса ячейки)
• Отслеживание порядка обновления (счетчик)
• Чтение и возобновление сигнала ячейки (усилитель)
• Донесение до ячейки сведений о том, следует ли ей удерживать заряд или нет (активация записи)

У контроллера памяти есть и другие функции. Он выполняет набор обслуживающих задач, среди которых следует отметить идентификацию типа, скорости и объема памяти, а также проверку ее на ошибки.

Статическая оперативная память

Хотя статическая оперативная память (подобно динамической) является памятью произвольного доступа, она основана на принципиально иной технологии. Триггерная схема этой памяти позволяет удерживать каждый бит сохраненной в ней информации. Триггер каждой ячейки памяти состоит из четырех или шести транзисторов и содержит тончайшие проводки. Эта память никогда не нуждается в обновлении заряда. По этой причине, статическая оперативная память работает существенно быстрее динамической. Но поскольку она содержит больше компонентов, ее ячейка намного крупнее ячейки динамической памяти. В итоге чип статической памяти будет менее емким, чем динамической.

Статическая оперативная память быстрее, но и стоит дороже. По этой причине статическая память используется в кэше центрального процессора, а динамическая в качестве системной оперативной памяти компьютера. Более подробно о статической памяти написано в разделе «Кэш-память и регистр процессора» материала, посвященного преодолению ограничений компьютерной памяти.

В современном мире чипы памяти комплектуются в компонент, именуемый модулем. Порой компьютерные специалисты называют его «планкой памяти». Один модуль или «планка» содержит несколько чипов памяти. Не исключено, что вам приходилось слышать такие определения, как «память 8×32» или «память 4×16». Разумеется, цифры могли быть иными. В этой простой формуле первым множителем является количество чипов в модуле, а вторым емкость каждого модуля. Только не в мегабайтах, а в мегабитах. Это значит, что результат действия умножения следует разделить на восемь, чтобы получить объем модуля в привычных нам мегабайтах.

К примеру: 4×32 означает, что модуль содержит четыре 32-мегабитных чипа. Умножив 4 на 32, получаем 128 мегабит. Поскольку нам известно, что в одном байте восемь бит, нам нужно разделить 128 на 8. В итоге узнаем, что «модуль 4×32» является 16-мегабайтным и устарел еще в конце минувшего века, что не мешает ему быть превосходным простым примером для тех вычислений, которые нам потребовались.

Тема оперативной памяти настолько обширна, что мы вернемся к ней еще. Нам предстоит узнать о том, какие бывают типы оперативной памяти и как устроен ее модуль. Продолжение следует…

По материалам computer.howstuffworks.com

hi-news.ru

---

• 
  Биткоин глобальный компьютер
• 
  Благодаря какому изобретению начали появляться персональные компьютеры
• 
  Большой компьютер
• 
  Какой самый дорогой компьютер в мире
• 
  Профессии связанные с компьютерной графикой
• 
  Майнинг на квантовом компьютере
• 
  Матрица компьютерная
• 
  Сколько битов содержит минимальный размер ячейки компьютерной памяти
• 
  Виртуальный ассистент для компьютера
• 
  Очки для глаз для компьютера
• 
  Rapoo e6300 как подключить к компьютеру