Запоминающие устройства пк

Введение

Памятью электронной вычислительной машины (ЭВМ) является запоминающее устройство, которое выступает как информационный носитель, служащий для записи и сохранения информационных данных. Работа запоминающих устройств может базироваться на любых физических эффектах, которые обеспечивают наличие у системы минимум двух устойчивых состояний.

Компьютерная память является компонентом вычислительной машины, а именно физическим устройством или средой, предназначенными для сохранения информационных данных, участвующих в вычислительных процессах в течение некоторого временного интервала. Модули памяти, как и процессора, всегда были неименными компонентами компьютера с момента его изобретения. В вычислительном оборудовании память обладает иерархической структурой и, как правило, предполагается применение набора запоминающих модулей, обладающих разными параметрами и предназначением. Назначением памяти ЭВМ считается сохранение в своих элементах состояния внешних воздействий и записи информационных данных.

Процедура обращения к памяти разбивается на поделённые во времени операции, а именно записи и считывания. Как правило, такие операции выполняются под управлением специального модуля, именуемого контроллером памяти.

Внутренняя память электронной вычислительной машины является её главной памятью и состоит из следующих компонентов:

1. Оперативного запоминающего устройства ОЗУ. В англоязычном варианте RAM, то есть Random Access Memory, что переводится как память с произвольным доступом.
2. Постоянного запоминающего устройства ПЗУ. В англоязычном варианте ROM, то есть Read-Only Memory, что переводится как память только для чтения.

Современные направления развития внутренней памяти ЭВМ

Оперативная память служит для сохранения информационных данных, которые прямо участвуют в процессе вычислений на данном этапе работы компьютера. ОЗУ является энергозависимой памятью, то есть при отключении питающего напряжения информационные данные, которые хранятся в оперативной памяти, стираются. Основой ОЗУ являются большие интегральные схемы, которые содержат матрицы, состоящие из набора триггеров, представляющих собой полупроводниковые запоминающие элементы. Запоминающие элементы располагаются на пересечениях горизонтальных и вертикальных матричных шин.

В современном вычислительном оборудовании оперативная память реализуется на основе технологии динамической памяти с произвольным доступом(DRAM). Термин «память с произвольным доступом» означает, что выполняемое в настоящее время обращение к памяти не зависит от порядка предшествующих процедур и местоположения информационных данных в ней. Оперативная память может быть реализована в виде отдельного модуля, или находится в составе конструкции однокристальных ЭВМ или микроконтроллеров.

Себестоимость памяти может составлять значительную часть общей цены ЭВМ. Сегодня в передовом компьютерном оборудовании применяются модули памяти, выпускаемые такими известными фирмами как Sumsung, Western Digital, Transcend, Seagate, Kingston, San Disk и другими.

Очень популярными сегодня стали твёрдосплавные накопители, именуемые SSD. Они имеют быстродействие, значительно превосходящее этот показатель у стандартных жёстких дисков.

Память ЭВМ организована согласно следующей многоуровневой структуре:

1. Память сверхоперативного типа (СВОП).
2. Память типа кэш.
3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
4. Оперативная память.

Кэш-память сегодня повсеместно применяется в мини-ЭВМ, а также и в супермощных ЭВМ. Память типа кэш реализуется на больших интегральных схемах (БИС) с высоким быстродействием, поскольку этот её параметр должен быть согласован с быстродействием арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления. Кэш-память применяется для сохранения самых часто применяемых приложений и информационных данных. Она является своеобразным связующим буфером между модулями, имеющими разное быстродействие, такими как, например, центральный процессор и оперативная память. Это позволяет получить значительный бонус по времени исполнения операций.

Оперативная память предназначена для сохранения информационных данных, таких как, программные приложения, собственно данные, промежуточные и итоговые результаты, которые прямо обеспечивают выполнение текущего вычислительного процесса в АЛУ и устройстве управления процессора. Как уже указывалось выше, данные в оперативной памяти хранятся лишь когда включено питание. По этой причине, чтобы избежать случайной потери информации блоки ОЗУ, применяемые для самых ответственных действий на ЭВМ высоких классов, должны быть обеспечены автономным питанием, автоматически подключаемым при перебоях базового питания.

При выполнении информационной обработки существует тесная взаимосвязь центрального процессора и оперативной памяти. Из оперативной памяти в центральный процессор пересылаются коды команд и операнды, а из центрального процессора в оперативную память пересылаются для сохранения промежуточные и итоговые результаты работы.

На сегодняшний день размер оперативной памяти ЭВМ измеряется многими гигабайтами, а время обращения к ОЗУ меньше, чем 0,2мкс. Элементной база применяется на основе полупроводниковых элементов. Непрерывное развитие элементной базы вносит постоянные коррективы в параметры оперативной памяти в сторону их улучшения.

Оперативная память ЭВМ состоит из двух областей:

1. Область памяти с непосредственной адресацией, имеющая ёмкость 1024 Кбайт и расположенная в ячейках с адресами от нуля до 1024 Кбайт.
2. Область памяти с расширенной адресацией, то есть от 1024 Кбайт и выше. Доступ к этим ячейкам памяти возможен с помощью драйверов.

Кэш-память

Кэш-память — очень быстрое 
запоминающее устройство небольшого объема,
которое используется при обмене
данными между микропроцессором
и оперативной памятью для 
компенсации разницы в скорости
обработки информации процессором 
и несколько менее быстродействующей
оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное 
устройство — контроллер, который,
анализируя выполняемую программу,
пытается предвидеть, какие данные
и команды, вероятнее всего, понадобятся 
в ближайшее время процессору,
и подкачивает их в кэш-память.
При этом возможны как попадания,
так и промахи. В случае попадания,
т. е. если в кэш подкачаны нужные
данные, извлечение их из памяти происходит
без задержки. Если же требуемая информация
в кэше отсутствует, то процессор считывает
ее непосредственно из оперативной памяти.

Такой алгоритм работы позволяет сократить 
частоту обращений процессора к 
оперативной памяти и, следовательно,
повысить производительность компьютера.
Чем больше размер кэш-памяти, тем 
большая вероятность, что необходимые 
данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные
процессоры имеют повышенные объемы
кэш-памяти.

Различают кэш-память первого уровня
(выполняется на одном кристалле 
с процессором и имеет объем 
порядка несколько десятков Кбайт),
второго уровня (выполняется на отдельном 
кристалле, но в границах процессора,
с объемом в сто и более 
Кбайт) и третьего уровня (выполняется 
на отдельных быстродействующих 
микросхемах с расположением 
на материнской плате и имеет 
объем один и больше Мбайт).

Внешняя память

Внешняя память — это память, реализованная
в виде внешних (относительно материнской
платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с
разными принципами хранения информации.

ВЗУ предназначены для долговременного хранения
информации любого вида и характеризуются
большим объемом памяти и низким по сравнению
с ОЗУ быстродействием.

Под внешней памятью компьютера
подразумевают обычно как устройства
для чтения / записи информации — накопители, так
и устройства, где непосредственно хранится
информация — носители информации.

Как правило, для каждого 
носителя информации существует свой
накопитель. А такое устройство как 
винчестер, совмещает в себе и 
носитель, и накопитель.

Носителями информации во
внешней памяти современных компьютеров 
являются магнитные и оптические
диски, магнитные ленты и некоторые 
другие.

Основными типами устройств 
внешней (долговременной) памяти по способу 
записи являются:

В персональных компьютерах 
к устройствам внешней памяти
относятся:

• Накопители на гибких магнитных дисках, предназначенные для чтения / записи информации на гибкие диски (дискеты);
• Накопители на жестких магнитных дисках, или винчестеры;
• дисководы для работы с лазерными (оптическими) дисками;
• стримеры, предназначенные для чтения / записи информации на магнитные ленты;
• Магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками;
• Устройства энергонезависимой памяти (флэш-память).

По типу доступа к информации
устройства внешней памяти делятся 
на два класса:

• Устройства прямого (произвольного) доступа. В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. Например, чтобы прослушать песню, записанную на грампластинке, достаточно установить звукосниматель проигрывателя в место на пластинке, где записана песня.
• Устройства последовательного доступа. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует. Например, время доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где записана песня.

Внутренняя память

В процессе работы компьютера
программы, исходные данные, а также промежуточные
и окончательные результаты необходимо
где-то хранить и иметь возможность обращаться
к ним. Для этого в составе компьютера
имеются различные запоминающие устройства,
которые называются памятью.

Память компьютера —
совокупность устройств для хранения
информации.

Основные операции
с памятью

Существует 
две распространенные операции с 
памятью — чтение информации из памяти и запись ее
в память для хранения.

     При чтении порции
информации из памяти осуществляется
передача ее копии в другое устройство,
где с ней производятся определенные действия.
После считывания информация не исчезает
и хранится в той же области памяти до
тех пор, пока на ее место не будет записана
другая информация.

     При записи (сохранении)
информации предыдущие данные, хранящиеся
на этом месте, стираются

Вновь записанная
информация хранится до тех пор, пока на
ее место не будет записана другая.  
    !Внимание!
Из энергозависимой памяти информация
пропадает при выключении компьютера

  Основные характеристики 
памяти

Способ обращения к 
устройству памяти для чтения или 
записи информации получил название
доступа. С этим понятием связан такой
важный параметр памяти, как время доступа,
или быстродействие
— это время, необходимое для чтения из
памяти или записи в нее минимальной порции
информации. Измеряется в милли-, микро-,
наносекундах.

Другой важной характеристикой 
памяти является ее объем, или емкость. Эта величина показывает, какой максимальный
объем информации можно хранить в данной
памяти

Изменяется в кило-, мега-, гигабайтах.

Виды памяти

Различают два вида памяти — внутреннюю и внешнюю (по отношению к материнской (системной)
плате).

Внутренняя память компьютера является
быстродействующей, но имеет ограниченный
объем. Работа с внешней памятью 
требует гораздо большего времени,
но она позволяет хранить практически 
неограниченной количество информации.

Внутренняя память состоит из нескольких
частей: оперативной (ОЗУ), постоянной
(ПЗУ) и кэш-памяти.

Скорость работы компьютера существенным
образом зависит от быстродействия
оперативной памяти. Поэтому, постоянно 
ведутся поиски элементов для 
оперативной памяти, затрачивающих 
меньше времени на операции чтения-записи.
Но вместе с быстродействием возрастает
стоимость элементов памяти, поэтому 
наращивание быстродействующей 
оперативной памяти нужной емкости 
не всегда приемлемо экономически.

Проблема решается построением 
многоуровневой памяти. Оперативная 
память состоит из двух-трех частей:
основная часть большей емкости 
строится на относительно медленных (более 
дешевых) элементах, а дополнительная
(так называемая кэш-память) состоит 
из быстродействующих элементов. Данные,
к которым чаще всего обращается
процессор находятся в кэш-памяти,
а больший объем оперативной 
информации хранится в основной памяти.

Принцип программного управления

Вычислительные процессы в любой ЭВМ представлены в виде программы, представляющей собой — последовательности инструкций (команд), записанных в требуемом порядке выполнения в память машины. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же и выбирает из из ЗУ необходимые данные – операнды, подлежащие обработке. Таким образом формируется так называемое машинное слово, содержащее несколько различных полей данных. Несколько вариантов различных машинных слов и общий вид команды приведены на рис.5.

а

Код Операции

Операционная Адресная часть

часть

Память компьютера (ЭВМ).

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа. После процессора память — наиболее важный элемент ЭВМ. Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и признаков.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти : Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Персональные компьютеры имеют четыре уровня памяти:

• Микропроцессорная память (МПП).
• Регистровая кэш-память.
• Основная память (ОП).
• Внешняя память (ВЗУ).

Постоянная память (Постоянное запоминающее устройство — ПЗУ)

(Read Only Memory — ROM)

Постоянная память (ПЗУ, англ.ROM,
Read Only Memory — память только для чтения)
— энергонезависимая память, используется
для хранения данных, которые никогда 
не потребуют изменения. Содержание
памяти специальным образом «зашивается»
в устройстве при его изготовлении
для постоянного хранения. Из ПЗУ 
можно только читать.

Прежде всего в постоянную память
записывают программу управления работой 
самого процессора. В ПЗУ находятся 
программы управления дисплеем, клавиатурой,
внешней памятью, программы запуска 
и остановки компьютера, программы 
тестирования устройств.

Важнейшая микросхема ПЗУ — модуль BIOS
(Basic Input/Output System — базовая система 
ввода-вывода) — совокупность программ,
предназначенных для автоматического 
тестирования устройств после включения 
питания компьютера и загрузки операционной
системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая — с одной стороны
— это неотъемлемый элемент аппаратуры,
а с другой стороны — важный модуль
любой операционной системы.

Итак, ПЗУ постоянно хранит информацию,
которая записывается туда при изготовлении
компьютера.

! Энергонезависимая память. При отключении питания содержимое ПЗУ
не стирается.

В ПЗУ находятся:

1. тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы устройств;
2. программы управления основными периферийными устройствами (дисководом, монитором, клавиатурой);
3. программа начальной загрузки, которая осуществляет поиск загрузчика операционной системы на внешнем носителе. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не только с магнитных и оптических дисков, но и с USB флэш-дисков.

Оперативная память.

Оперативная память — устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре.

В настоящее время объем Оперативная память персональных компьютеров составляет несколько сотен или тысяч мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Перспективы развития вычислительных средств

Появление новых поколений ЭВМ обусловлено
расширением сферы их применения, требующей более производительной, дешевой и надежной
вычислительной техники. В настоящее время стремление к реализации новых потребительских
свойств ЭВМ стимулирует работы по созданию машин пятого и последующего поколений.
Вычислительные средства пятого поколения, кроме более высокой производительности
и надежности при более низкой стоимости, обеспечиваемых новейшими электронными
технологиями, должны удовлетворять качественно новым функциональным требованиям:

• работать с базами знаний в различных предметных областях
  и организовывать на их основе системы искусственного интеллекта;

• обеспечивать
  простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода-вывода информации
  голосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков,
  устройств распознавания речи и изображения;

• упрощать
  процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ.

В
настоящее время ведутся интенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого поколения
традиционной (неймановской) архитектуры, так и по созданию и апробации перспективных
архитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном уровнях исследуются
архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей (матричные и клеточные
процессоры, систолические структуры, однородные вычислительные структуры, нейронные
сети и др.) Развитие вычислительной техники с высоким параллелизмом во многом
определяется элементной базой, степенью развития параллельного программного обеспечения
и методологией распараллеливания алгоритмов решаемых задач.

Проблема создания
эффективных систем параллельного программирования, ориентированных
на высокоуровневое распараллеливание алгоритмов вычислении и обработки данных,
представляется достаточно сложной и предполагает дифференцированный подход с учетом
сложности распараллеливания и необходимости синхронизации процессов во времени.

Наряду
с развитием архитектурных и системотехнических решений ведутся работы по совершенствованию
технологий производства интегральных схем и по созданию принципиально новых
элементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических принципах.

В
плане создания принципиально новых архитектур вычислительных средств большое внимание
уделяется проектам нейрокомпьютеров, базирующихся на понятии
нейронной сети (структуры на формальных нейронах), моделирующей основные свойства
реальных нейронов. В случае применения био- или оптоэлементов могут быть созданы
соответственно биологические или оптические нейрокомпьютеры

Многие
исследователи считают, что в следующем веке нейрокомпьютеры в значительной степени
вытеснят современные ЭВМ, используемые для решения трудно формализуемых задач.
Последние достижения в микроэлектронике и разработка элементной базы на основе
биотехнологий дают возможность прогнозировать создание биокомпьютеров.

Важным
направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является
интеллектуализация ЭВМ, связанная с наделением ее элементами интеллекта,
интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данном направлении,
затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ
определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, —
компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна
обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации
и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

В
заключение отметим, что ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ
пятого поколения либо находится в стадии технической проработки, другие — в стадии
теоретических исследований и поисков.

на главную

Регистровая память (кэш-память).

Для заполнения пробела между Регистровой Памятью и Оперативной памятью по объему и времени обращения в настоящее время используется кэш-память, которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая) статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть — вне его (внешняя кэш-память). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

На этом данную статью я заканчиваю, надеюсь, вы полностью разобрались с темами : Память компьютера, Кэш-память, Запоминающие устройства, Оперативная память.

Внешняя память компьютера

Для долговременного хранения программ и данных предназначена внешняя (долговременная) память. Внешняя память позволяет сохранять огромные объёмы информации. Информация во внешней памяти после выключения компьютера сохраняется. Различают носители информации — магнитные и оптические диски, энергонезависимые электронные диски (карты флеш-памяти и флеш-диски) и накопители (дисководы) — устройства, обеспечивающие запись данных на носители и считывание данных с носителей. Жёсткий диск — устройство, совмещающее в себе накопитель (дисковод) и носитель (непосредственно диск).

При запуске пользователем некоторой программы, хранящейся во внешней памяти, она загружается в оперативную память и после этого начинает выполняться.

На сайте http://sc.edu.ru размещён анимационный ролик «Внутренняя память ЭВМ: оперативная память» (135117), иллюстрирующий информационный обмен между внешней и внутренней памятью.

Запоминающие устройства.

Две важнейших характеристики памяти — это емкость и быстродействие. Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств — двумя параметрами : временем доступа и скоростью считывания. Запоминающие устройства делятся : по типу обращения (запись и чтение и только чтение), по организации доступа (с прямым доступом, с последовательным доступом).

По типу обращения Запоминающие устройства делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записанных в них данных (ROM — read only memory). Запоминающие устройства первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.

В Запоминающих устройствах с произвольным доступом (RAM — random access memory) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).
В Запоминающих устройствах с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск — МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.
В Запоминающих устройствах с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты — МЛ).

Как отмечалось выше, основные характеристики запоминающих устройств — это емкость и быстродействие. Идеальное запоминающее устройство должно обладать бесконечно большой емкостью и иметь бесконечно малое время обращения. На практике эти параметры находятся в противоречии друг другу : в рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению значения другого.

На нижнем уровне находится регистровая память — набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцессора. Регистры программно доступны и хранят информацию, наиболее часто используемую при выполнении программы : промежуточные результаты, составные части адресов, счетчики циклов и т.д. Регистровая память имеет относительно небольшой объем (до нескольких десятков машинных слов). РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально.

Например, при частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.

Регистры процессора

Устройства ввода и вывода информации

Приложив значительные усилия, человек может представить текстовую, графическую, звуковую информацию в двоичном коде. Значительно труднее человеку понять двоичный код. И совсем уже невозможно человеку понять информацию, представленную последовательностью электрических импульсов. Входящие в состав компьютера устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на язык компьютера; устройства вывода «переводят» электрические импульсы в форму, доступную для человеческого восприятия. Примеры устройств ввода: клавиатура, мышь, микрофон. Примеры устройств вывода: монитор, принтер.

Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации (рис. 2.4).