Факты | Иерархия компьютерной памяти

Виды компьютерной памяти

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

• последовательный доступ (магнитные ленты)
• произвольный доступ (оперативная память)
• прямой доступ (жесткие магнитные диски);
• ассоциативный;

по типу электропитания:

• энергонезависимая (оперативная и кэш-память)
• статическая (SRAM — Static Random Access Memory)
• динамическая (DRAM — Dynamic Random Access Memory)
• энергонезависимая (жесткие диски, компакт-диски, флэш-память)

• буферная;
• временная;
• кэш-память;
• корректирующая;
• управляющая;
• коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

• акустическая;
• голографическая;
• емкостная;
• криогенная;
• лазерная;
• магнитная;
• магнитооптическая;
• молекулярная;
• полупроводниковая;
• ферритовая;
• фазоинверсная;
• электростатическая.

Какой бывает компьютерная память и в каких устройствах она используется?

Все виды компьютерной памяти можно разделить на две большие категории. Энергозависимая и энергонезависимая память. Энергозависимая память теряет все данные при отключении системы. Это происходит потому, что такая память требует постоянной энергетической подпитки и, как только подача электричества прекращается, она перестает функционировать. Энергонезависимая память сохраняет данные вне зависимости от того, включен ваш компьютер или нет. К примеру, большинство типов оперативной памяти относятся к энергозависимой категории.

Наиболее известные представители энергонезависимой категории это ПЗУ (постоянная память) и флеш-память, получившая в последнее время немалое распространение. В частности, карты памяти CompactFlash и SmartMedia.

Прежде всего просто перечислим основные виды компьютерной памяти и только потом начнем их рассматривать:

• Оперативная память. Оперативное запоминающее устройство. ОЗУ, RAM
• Постоянная память. Постоянное запоминающее устройство. ПЗУ, ROM
• Кеш-память, Cache
• Динамическая оперативная память. Dynamic RAM, DRAM
• Статическая оперативная память. Static RAM, SRAM
• Флеш-память, Flash memory
• Память типа Memory Sticks в виде карт памяти для цифровых фотоаппаратов
• Виртуальная память, Virtual memory
• Видеопамять, Video memory
• Базовая система ввода-вывода, БСВВ, BIOS

Как мы уже писали, память применяется не только в компьютерах, но и в иных цифровых устройствах. Тех «компьютероподобных» устройствах, которые для удобства изложения материала мы будем считать компьютерами, не отвлекаясь на постоянные обсуждения различий между ними. В частности, планшеты многие аналитики относят к компьютерам. Речь идет в том числе и о:

• Сотовых телефонах
• Смартфонах
• Планшетах
• Игровых консолях
• Автомобильных радиоприемниках
• Цифровых медиаплеерах
• Телевизорах

Прежде, чем разбираться в том, как функционирует каждый вид памяти, поинтересуемся тем, как она вообще работает.

Тип памяти DRAM

Тип памяти DRAM является энергозависимой полупроводниковой памятью, обладающей прямым доступом (RAM). Помимо этого DRAM является запоминающим устройством, широко используемым в качестве RAM в выпускаемых сегодня компьютерах.

Составляют память DRAM ячейки из полупроводникового материала, в каждой ячейки хранится определённый объём информации (до 4 бит). В совокупности эти ячейки напоминают «прямоугольник», который включает определённое количество строк и столбцов. Одна такая прямоугольная конструкция называется страницей, тогда как множество страниц именуется банком. Каждый набор вышеуказанных ячеек можно условно поделить на области.

В качестве запоминающего устройства DRAM-память является модулем, который состоит из электрической платы с микросхемами и разъёма, необходимого для взаимодействия модуля и материнской платы.

Проблема времени в компьютере

В первых компьютерах не было микросхемы RTS (Real Time Clock, часы реального времени).

Это было неудобно, и потом ее начали устанавливать.

Проблема, которая возникла с RTC в самом начале, заключалась в том, что компьютер работает не 24 часа в сутки. Он включается пользователем в начале рабочего дня и выключается в его конце. Пока компьютер был включен, он «помнил» время, как только его выключали, он время «забывал».

Каждый раз устанавливать время заново было бы очень неудобно. Неудобно было бы и каждый раз возобновлять и другие системные настройки (тип винчестера, источник загрузки и другие). Поэтому придумали встроить в общий корпус микросхему RTC, которая помнила не только время, но и все настройки BIOS Setup, и источник питания – батарею гальванических элементов.

Ячейки памяти RTC представляли собой, по сути, оперативную память (RAM). Такую память также отнесли к энергонезависимой, так как она не зависела от источника внешнего напряжения. Она была энергонезависимой до тех пор, пока встроенная батарея не «садилась». Такая память была сделана на основе КМОП структур, поэтому потребляла в статическом режиме (режиме хранения) очень небольшой ток, порядка единиц микроампер.

Поэтому встроенной батареи хватало на несколько лет. После чего весь модуль подлежал замене. Существовали конструкции материнских плат с разъемом под такой модуль. И можно было легко выполнить его замену. Но затем технический прогресс продолжил свой неумолимый бег. Число микросхем на материнской плате уменьшалось, а степень их интеграции увеличивалась.

В конце концов пришли к чипсету (набору микросхем), состоящему из 1-2 корпусов, который включал в себя почти все подсистемы материнской платы.

Встраивать в тот же корпус (куда напихано уже много всего) еще и источник напряжения посчитали нецелесообразным.

Такой корпус имеет много выводов. Установка его в разъем усложнила бы конструкцию, увеличила бы ее стоимость и снизила бы надежность.

Поэтому источник питания (3 V литиевый элемент) стали устанавливать отдельно. Это упростило и удешевило плату, так как теперь надо менять только элемент, а не все сразу. Следует отметить, что вначале в качестве источника резервного питания использовались никель-кадмиевые аккумуляторы.

После длительной эксплуатации они могли потечь. И вытекший электролит мог повредить проводники материнской платы. Современные литиевые элементы не текут даже при очень глубоком разряде.

Технология изменилась, но название структуры, хранящей настройки BIOS Setup, осталось прежним – NVRAM. Но теперь, в строгом смысле, она не является энергонезависимой. Ведь ее «энергонезависимость» обеспечивается внешним источником напряжения.

Напомним, что первым признаком того, что элемент 2032 исчерпал свой ресурс, является сброс времени и даты при включении компьютера. Напряжение свежего элемента составляет величину около 3,3 В. По мере истощения его ЭДС падает. И, как только оно снизится (ориентировочно) менее 2,8 В, структура, хранящая настройки, «забудет» их. Заряду литиевые элементы не подлежат.

Динамическая память

Несмотря на то что оба вида энергозависимой памяти требуют наличия электрического тока для сохранения данных, они имеют некоторые различия. Динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ, DRAM) имеет большую популярность вследствие своей эффективности и стоимости. Для хранения одного бита информации в DRAM на интегральной микросхеме используется один конденсатор и один транзистор. Это позволяет эффективно применять пространство интегральной схемы и делает названный вид памяти недорогим.

Назначение энергонезависимой памяти CMOS

Микропрограммы в $BIOS$ считывают данные об оборудовании ПК из микросхемы $BIOS$, после чего они выполняют обращение к жесткому или гибкому диску и передают управление тем программам, которые там записаны.

Набор микропрограмм, которые составляют $BIOS$, хранятся в постоянной памяти ПК, которая располагается на системной плате. Параметры $BIOS$ зашиты компанией-разработчиком, но пользователи при надобности могут вносить необходимые изменения в эти параметры. Для этого служит связанная с $BIOS CMOS$-память, которая хранит настройки системы, в частности, вводимые пользователем через программу $BIOS Setup.$ Общий объем $CMOS$-памяти составляет всего $256$ байт.

К примеру, изготовители $BIOS$ не могут ничего знать о параметрах установленных на определенный ПК жестких или гибких дисков. Для обеспечения работы с таким оборудованием программы, которые входят в состав $BIOS$, должны знать, где можно найти нужные параметры. Но по известным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

Готовые работы на аналогичную тему

Для хранения подобных данных используется энергонезависимая $CMOS$-память. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не удаляется после выключения ПК, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема $CMOS$-памяти питается от батарейки, которая расположена на системной плате. Заряда батарейки достаточно для того, чтобы микросхема не теряла данные даже в случае, если ПК не будут включать несколько лет.

Рисунок 2. Расположение батарейки CMOS-памяти

$CMOS$ используется для хранения информации о конфигурации, составе оборудования ПК и его параметрах, таких как данные о дисковых накопителях, о ЦП, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и других данных, а также о режимах его работы и информации, необходимой при запуске ПК (например, о порядке загрузки ПК). Микросхема $CMOS$-памяти также содержит электронные часы, которые указывают текущую дату и время.

Содержимое $CMOS$-памяти изменяется специальной программой $SETUP$, находящейся в $BIOS$. Тот факт, что ПК четко отслеживает время и дату (даже при выключенном питании), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в $CMOS$.

1990-е — твердотельные накопители и новые потребительские области применения

В 1990-х технология Flash создала новые возможности для NVM-устройств в конфигурациях как с NAND, так и с NOR. Архитектура NOR Flash имела преимущества произвольного доступа и малого времени чтения, а её функция execute-in-place (XIP) идеально подходила для выполнения кода, а значит, и для сферы обработки данных. NAND Flash имела более низкие скорости чтения, но гораздо меньший размер ячейки, позволяя создавать недорогие устройства с повышенной плотностью, что идеально подходило для внешних накопителей. Кроме того, доступ чтения/записи к блокам NAND имитировал доступ к дисковым приводам.

Прототип SSD-модуля компании SanDisk (бывшей SunDisk), созданный для IBM (1991 год)

Эли Харари, в 1970-х ставший пионером техпроцессов с тонким слоем оксида в Hughes Aircraft, в 1988 году основал SunDisk (позже переименованную в SanDisk) для разработки устройств памяти большой ёмкости на основе флэш-памяти. Вскоре к нему присоединились сооснователи компании Джек Юань и Санджай Мехротра, а также архитектор систем Роберт «Боб» Норман. Первым крупным заказом компании стали 10 тысяч 20-мегабайтных 2,5-дюймовых ATA-устройств, совместимых с plug and play, которые в 1991 году должны были заменить 20-мегабайтный жёсткий диск Connor в ThinkPad PC компании IBM. В то время надёжность флэш-памяти была низкой, однако Харари вдохновляли отзывы заказчиков о прототипах устройств: «Если несколько устройств проработают у меня все выходные без сбоев, значит, у вас получился хороший продукт». [Интервью с Эли Харари]

Для достижения уровней надёжности, необходимых для коммерческого применения, потребовалось несколько поколений усовершенствований техпроцессов производства и архитектуры систем флэш-памяти. Харари встроил в устройства метаданные, позволявшие его прошивке выполнять коррекцию ошибок, скрывая таким образом от пользователя проблемы с надёжностью — критически важного для популярности технологии фактора. Массовые ноутбуки с SSD появились на рынке в конце 2000-х, а современные SSD являются самым быстрорастущим сегментом рынка компьютерных накопителей.

Основатели SanDisk: Юань, Мехротра и Харари

Новые возможности возникли у SanDisk после того, как компания представила в 1994 году карты CompactFlash для цифровых камер. «Мы поняли, что вместо того, чтобы кто-то другой продавал плёнку или её продавали продавцы камер, нужно создать вторичный рынок флэш-карт. Превращение его в международный бренд стало поворотным фактором в истории компании», — рассказывает Мехротра. [Интервью с Санджаем Мехротра] В 2016 году SanDisk приобрела компания Western Digital.

Современные флэш-технологии доминируют на рынке NVM-устройств, который в 2019 году превысил 50 миллиардов долларов, и составляют крупнейший сегмент мировой полупроводниковой промышленности. Крупнейшим поставщиком флэш-чипов стала Samsung, имея примерно 30% рынка. Другими крупными поставщиками являются Toshiba и Western Digital.

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	баран	ПЗУ
основной	Это память чтения-записи.	Это только для чтения памяти.
использование	Используется для хранения данных, которые в данный момент должны временно обрабатываться процессором.	В нем хранятся инструкции, необходимые во время начальной загрузки компьютера.
летучесть	Это летучая память.	Это энергонезависимая память.
Стенды для	Оперативная память.	Только для чтения памяти.
модификация	Данные в ПЗУ могут быть изменены.	Данные в ПЗУ не могут быть изменены.
Вместимость	Объем оперативной памяти от 64 МБ до 4 ГБ.	ПЗУ сравнительно меньше ОЗУ.
Стоимость	RAM – более дорогая память.	ПЗУ сравнительно дешевле ОЗУ.
Тип	Типы оперативной памяти: статическая и динамическая.	Типы ПЗУ: ПРОМ, СППЗУ, ЭСППЗУ.

ПЗУ доступно только для чтения . Данные в ПЗУ могут быть прочитаны только процессором, но их нельзя изменить. ЦП не может напрямую обращаться к памяти ПЗУ, данные сначала должны быть переданы в ОЗУ, а затем ЦП может получить доступ к этим данным из ОЗУ.

В ПЗУ хранится инструкция, необходимая компьютеру во время начальной загрузки (процесс загрузки компьютера). Содержимое в ПЗУ не может быть изменено. ПЗУ является энергонезависимой памятью, данные внутри ПЗУ сохраняются даже при отключении питания ЦП.

Емкость ПЗУ сравнительно меньше, чем ОЗУ, она медленнее и дешевле, чем ОЗУ. Существует много видов ПЗУ:

PROM : программируемое ПЗУ, оно может быть изменено пользователем только один раз.

EPROM : стираемое и программируемое ПЗУ, содержимое этого ПЗУ может быть стерто с помощью ультрафиолетовых лучей, а ROm может быть перепрограммирован.

ЭСППЗУ : электрически стираемое и программируемое ПЗУ, оно может быть стерто электрически и перепрограммировано около десяти тысяч раз.