Внутренние запоминающие устройства ЭВМ
Внутренние запоминающие устройства (внутренние ЗУ) непосредственно взаимодействуют с процессором. К ним относятся:
- • оперативная память (ОП) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
- • кэш-память;
- • регистровая память процессора.
Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами, – это запись и считывание информации, которые в совокупности называются обращением к памяти.
Наиболее важные характеристики памяти – это ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа. Все внутренние ЗУ являются электронными устройствами и имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.
Оперативная память (ОП) называется памятью с прямым доступом (RAM – Random Access Memory), т.е. при обработке информации процессором может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти независимо от порядка расположения ячеек.
Назначение оперативной памяти – временное хранение и передача данных и команд, необходимых для выполнения операций процессором в данный момент. ОП является энергозависимой памятью, информация в ней сохраняется только при включенном компьютере. Поэтому перед выключением компьютера всю нужную информацию необходимо сохранить на каком-либо устройстве внешней памяти, иначе она будет потеряна.
Физически ОП в ПК представлена набором микросхем или модулей памяти, вставляемых в разъемы системной платы. Обычно используется память динамического типа (DRAM), которая, являясь недорогой, позволяет размещать в небольшом пространстве достаточно большое но емкости ЗУ. На сегодняшний день в качестве модулей памяти предлагается использовать оперативную память типа DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory – синхронная динамическая намять с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Она выпускается в виде 184-контактных модулей, емкость достигает 8 Гбайт, а частота – 2400 МГц и больше. Ведущими производителями являются фирмы Transcend, Kingston, Western Digital, A-DATA и др.
Скорость обработки данных в компьютере существенно зависит от времени доступа к ОП. Чем больше время задержки сигнала (тайминг или латентность) при передаче данных из ОП в процессор, тем ниже производительность компьютера. Так как цикл работы динамической памяти больше цикла работы процессора, обращение к ОП может существенно замедлить обработку данных. Поэтому в современных компьютерах используется промежуточный буфер между процессором и ОП – кэш-память, которая выполнена на базе более быстрых статических модулей памяти.
В общем случае иод кэш-памятью понимается быстродействующая память, предназначенная для ускорения доступа к данным, размещенным в памяти, обладающей меньшим быстродействием. Принцип ее работы состоит в том, что по мере работы устройства кэш-память заполняется блоками данных из памяти, обладающей меньшим быстродействием, и при последующих обращениях к медленной памяти сначала проверяется наличие этих данных в кэш-памяти. Если нужные данные уже размещены в ней, то их загрузка осуществляется существенно быстрее. Если нужных данных в кэш-памяти нет, то происходит обращение к медленно действующей памяти и считанные из нее блоки данных загружаются в кэш-память вместо неиспользуемого в данный момент фрагмента данных кэш-памяти. Разработаны различные механизмы, позволяющие так спланировать загрузку-выгрузку данных из кэш-памяти, чтобы обеспечить оптимизацию времени доступа к данным медленно действующей памяти.
В современных компьютерах кэш-память разделена на несколько уровней. Кэш-память первого уровня (L1) является самой быстрой, расположена внутри процессора на том же кристалле и функционирует со скоростью процессора. Во многих случаях L1 разделена на две части: кэш команд и кэш данных. Емкость L1 обычно небольшая (от 64 до 384 Кбайт).
Второй уровень кэш-памяти (L2) обычно существенно больше по емкости (от сотен килобайт до 12 Мбайт) и может располагаться также внутри процессора на кристалле (в более старых процессорах – отдельно в виде микросхем на системной плате). Емкость L2 имеет большое значение для процессора, оказывая существенное влияние на его производительность.
Кэш-память третьего уровня (L3) больше по емкости (может превышать 24 Мбайт), еще медленнее, чем кэш второго уровня, но значительно быстрее, чем ОП.
В некоторых высокопроизводительных ЭВМ имеется кэш-память четвертого уровня, которая выполняется в виде отдельной микросхемы.
Помимо процессора, собственную кэш-память имеют различные внешние устройства (например, накопители на дисках). Она не относится к внутренним ЗУ и является специализированной памятью конкретного устройства. Кроме того, в современных операционных системах всегда используется кэширование дисков. Для этого выделяется область оперативной памяти, через которую происходит обмен данными с накопителем.
Регистровая память процессора – внутренняя память процессора, η которой собственно и происходит преобразование данных, получаемых из ОП или кэш-памяти. Это самая быстродействующая память, но и самая малая по емкости (несколько регистров по 32 и 64 бита).
К внутренним ЗУ относится также постоянная память (ПЗУ), которая предназначена для хранения неизменяющейся информации: содержащихся в базовой системе ввода-вывода – BIOS – программ, необходимых для запуска работы компьютера. Она обеспечивает хранение информации и выполняет только операцию считывания, поэтому называется постоянной (ROM – Read Only Memory). Постоянная память является энергонезависимой и сохраняет информацию после отключения электропитания. Информация записывается в микросхему ПЗУ при ее изготовлении и остается неизменной, но при необходимости содержимое BIOS можно перезаписать с целью обновления.
Обязательное устройство внешней памяти в составе компьютера
Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлен на рисунке:
Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.
Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.
Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.
К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.
К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш — память . В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять . Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.
Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом . Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.
Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:
1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры , НЖМД) — несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2 дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья “Винчестер” — отсюда пошло такое название этих накопителей.
2. Накопители на гибких магнитных дисках ( флоппи-дисководы , НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий — у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная ёмкость 5,25 дюймовой дискеты — 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты — 1,44Мбайт. В настоящее время 5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются.
3. Оптические диски ( СD-ROM — Compact Disk Read Only Memory) — компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD-ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее популярными съемными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре их ёмкость достигает 700 Мб. В настоящее время все более популярным становится формат компакт-дисков DVD-ROM, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объемом 4,3 Гб. Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно.
Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:
1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4 — 5Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.
2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.
Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.
Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти . Минимальный элемент памяти — бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации — одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты — восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:
1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;
2) записать информацию в байт с определенным адресом.
Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины .
По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.
Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.
Обязательное устройство внешней памяти в составе компьютера
Организация внешней и внутренней памяти.
Внутренняя память . К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:
- это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
- это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
- это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).
Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
В компьютере имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в ПЗУ не меняется, — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.
Внешняя память . По аналогии с отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти, свойства внешней памяти описываются так:
- вешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
- внешняя память — медленная по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты – магнитные диски – оптические диски;
- объем информации, помещающейся во внешней памяти больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.
Принципы организации информации.
1. Компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми, графическими, звуковыми;
2. Любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде. Двоичный вид обозначает то, что любая информация в памяти компьютера представляется с помощью всего двух символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления информации еще называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит передача и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так: есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль.
Организация внутренней памяти .
Информационную структуру внутренней памяти следует представлять как последовательность двоичных ячеек — битов. Схематически такое представление изображено в таблице:
Виды оперативной памяти компьютера
Быстродействие и «интеллектуальный уровень» компьютера во многом определяются его оперативной памятью. В ней хранятся данные, используемые во время активной работы электронной машины. Она также может быть разных видов, но чаще всего используются блоки DDR, DDR2,DDR3. Различаются они количеством контактов и скоростными характеристиками.
Внешняя память компьютера представлена различными видами съемных носителей информации. На сегодняшний день основными из них являются жесткие диски, usb-накопители, или флешки и карты памяти. Устаревшими считаются лазерные диски и дискеты. Но жесткий диск, хотя и является съемным, все же используется в качестве вместилища постоянной памяти и без него компьютер работать не будет. Однако его можно свободно достать и переместить в другой системный блок, поэтому его и относят к категории внешних устройств памяти.
Если принтер выдает белые листы, то причин для возникновения подобной проблемы может быть несколько. Стоит проверить в первую очередь наличие тонера, а также убедиться в правильной/неправильной работе ПО принтера.
Отличие между лазерным и струйным принтером заключается не только в цене. Первый не может печатать фотографии, но отличается большей скоростью работы, а второй многофункциональный, но дорогой в обслуживании. При выборе нужно учитывать предъявляемые требования.
Открытие файла образа диска у многих пользователей вызывает трудности, поскольку они не знают, какими ресурсами при этом можно пользоваться. Для этого подойдут стандартные программы, которые уже есть на компьютере и которые легко можно скачать.
Скорость работы компьютера зависит от многих факторов, поэтому каждому пользователю ПК информация о том, как ускорить его работу будет весьма полезной. Эта статья расскажет о простых способах «расшевелить» компьютер и сделать его заметно быстрее.
Долговременная память компьютера. Запоминающие устройства
Персональный компьютер в основном используется для того, чтобы увеличить эффективность работы человека. Но какова была бы ценность этого устройства, если бы оно не могло хранить данные? В этом ему помогает долговременная память. Темой данного обзора будет внешняя долговременная память, но для полноты картины не лишним также будет уделить внимание основной долговременной памяти.
Что относится к основной памяти?
Основная память прежде всего включает в себя оперативное запоминающее устройство. Это энергозависимая память. При выключении компьютера вся информация, которая на ней хранилась, исчезнет. К основной памяти также относится постоянное запоминающее устройство. Оно является энергонезависимым. В нем хранится та информация, которая меняться не должна. К таковой прежде всего относится конфигурация персонального компьютера, программное обеспечение, предназначенное для проведения тестирования компонентных устройств перед загрузкой операционной системы. Здесь также хранится одна из важнейших составляющих – BIOS или базовая система ввода/вывода. Стоит отметить, что у долговременной памяти компьютера и ПЗУ имеется много общего. Но все-таки их разделяют из-за важности хранимой информации.
Внешняя память
Внешней памятью называют место, в котором на длительном хранении размещены разнообразные данные, не использующиеся в данный момент в оперативной составляющей ПК. К таким данным можно отнести тексты, различные программы, результаты расчетов и так далее. Внешняя память компьютера является энергозависимой. Ее удобно транспортировать в тех случаях, когда компьютеры не являются объединенными в глобальную или локальную сеть. Для работы с внешней памятью, пользователю придется обзавестись накопителем.
Так называют специальное устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации. Необходимыми также являются механизмы хранения. Значительное отличие долговременной памяти компьютера от оперативной заключается в том, что у нее нет прямой связи с процессором. Это может доставить некоторые неудобства при необходимости усложнить строение персонального компьютера. По этой причине долговременная и оперативная память ПК работают вместе. Данные из первой передаются во вторую, а потом напрямую или через кэш в процессор. Что относится к внешней памяти? Чтобы понимать, с чем вам придется иметь дело, нужно представлять, что является устройствами внешней памяти. К ней относятся:
— накопители на жестких магнитных дисках. Размер данных хранилищ используется в качестве показателя объема информации, которая может храниться на персональном компьютере.
— накопители на гибких магнитных дисках: считаются устаревшими устройствами, ранее использовались для переноса информации и программ между компьютерами.
— накопители на дисках: использовались для хранения значительных объемов информации.
— флэш-накопители: используются для хранения значительных объемов данных в небольших объектах. Также к внешней памяти относятся все остальные накопители, которые могут без проблем перемещаться от компьютера к компьютеру.
Классификация
Все запоминающие устройства делятся на категории и виды. В качестве краеугольного камня принимают принципы их функционирования, программные, эксплуатационно-технические, физические и прочие характеристики. Каждое устройство обладает своей технологией записи/хранения/воспроизведения цифровой информации. Основными характеристиками, которые имеют значение для пользователей, являются:
— информационная емкость;
— скорость обмена данными;
— надежность хранения информации;
— стоимость.
Именно по таким параметрам запоминающие устройства отличаются друг от друга. Конечно, существует еще множество различных характеристики, но интересны они будут скорее всего только профессионалам.
Магнитные устройства
Принцип работы устройств данного типа основан на хранении информации, при котором используются магнитные свойства материалов. Как правило, в самих устройствах имеются составляющие, отвечающие за чтение и запись информации на магнитный носитель, на котором все и хранится. Данные носители могут отличаться в зависимости от особенностей исполнения и физико-технических характеристик. Как правило используются дисковые и ленточные устройства. Они имеют общую технологию. Так, например, за счет намагничивания переменным магнитным полем информация наносится и считывается. Обычно данные процессы выполняются вдоль концентрических полей. Так называют специальные дорожки, которые находятся во всей плоскости вращающегося носителя. Запись информации осуществляется в цифровом коде. Для совершения намагничивания используются головки чтения и записи, которые представляют собой два управляемых магнитных контура с сердечниками. На обмотки данных контуров подается переменное напряжение.
Если величина данного напряжения будет изменяться, то это же относится и к направлению линий магнитного поля. Когда данный процесс происходит, значение бита информации меняется с единицы на ноль, или наоборот. Вот каким образом устроена долговременная память компьютера. Несмотря на низкую скорость работы и кажущуюся сложность такой схемы, можно смело сказать, что все предположения являются неоправданными. Таким образом, за отдельные моменты времени компьютер из современных жестких магнитных дисков может извлекать огромные массивы информации. Если вывести коэффициент эффективности такой системы, то устройства внешней памяти, выпущенные в последние годы, будут демонстрировать значение в сотни и тысячи раз превосходящее аналогичный показатель у устройств, выпущенных пару десятилетий назад.
Организация
Данные для операционной системы систематизируются и объединяются в дорожки и секторы. Дорожки в количестве восьмидесяти или сорока штук являются узкими концентрическими кольцами на диске. Каждая дорожка может быть разделена на отдельные части, которые также называют секторами. При осуществлении чтения или записи, всегда считывается целое количество секторов. Причем вне зависимости от объема запрашиваемой информации. Размер одного сектора составляет 512 байт. Следует также ознакомится с таким понятием, как цилиндр. Этим термином называют общее количество дорожек, с которого без перемещения головок можно считать информацию. Под ячейкой для размещения данных понимают самую малую область диска, которая используется операционной системой для записи файлов. Под ними обычно понимают один или несколько секторов.
Накопители. Жесткие диски
При работе с современными компьютерными системами наибольшую важность имеют такие устройства, как жесткие диски. В них в одном корпусе, как правило, объединены непосредственно сам носитель информации, интерфейсная часть или контролер и устройство чтения/записи. Данные приборы объединяются в специальные камеры. Здесь они находятся на одной оси и работают с блоком головок и общим приводящим механизмом. На данный момент жесткие диски являются наиболее вместимыми и широко используемыми устройствами. Сегодня никого уже не удивляет хранилище объемом 1 или 10 Тб. Однако данный параметр все-таки сказывается на скорости выполнения операций. Процесс считывания данных с такого носителя может занимать не один десяток секунд. Если сравнивать с более старыми моделями накопителей, прогресс быстродействиям все-таки виден налицо.
Переносные устройства
Как уже неоднократно подчеркивалось ранее, жесткие диски могут хранить в себе значительные объемы информации. Однако процесс их перестановки с одного персонального компьютера на другой – дело довольно непростое. В этом случае на помощь придут переносные устройства. Они представляют собой специальные механизмы, с помощью которых можно без особых проблем переносить данные между различными персональными компьютерами. Конечно, данные устройства имеют не такой большой объем внешней памяти, как жесткие диски. Но они все же смогли найти свою нишу благодаря легкости транспортировки и подключения. Сегодня наибольшей популярностью пользуются два типа подобных устройств: это оптические диски и флэш-накопители. У каждого из этих накопителей имеются свои недостатки и преимущества.
