Внутренняя память компьютера, ее свойства и характеристики

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.

Особенности

Независимо от того, о чем идёт речь, нам необходимы критерии для определения качества запоминающего устройства. Назовём главные характеристики внутренней памяти компьютера:

1. Общий объём. Он играет немаловажную роль. От него зависит, сколько информации можно разместить одновременно в кэше, а значит, и быстродействие компьютера. Иногда процессору нужно хранить обширные объёмы данных. При малых размерах памяти они просто не поместятся, и приложение будет «тормозить».
2. Быстродействие. Оно же — время доступа. Определяет, насколько быстро происходит взаимодействие центрального процессора и памяти. От этого параметра зависит, как скоро будет проходить процесс записи-считывания байт данных в запоминающее устройство. В отличие от объёма памяти, пользователь не способен повышать этот параметр сверх конретного уровня, поскольку он определяется конструктивными особенностями, а также существующими технологиями и интерфейсом подключения.

Внутренняя память

Характерными особенностями внутренней памяти по сравнению с внешней являются высокое быстродействие и ограниченный объем. Физически внутренняя память компьютера представляет собой интегральные микросхемы (чипы), которые размещаются в специальных подставках (гнездах) на плате. Чем больше размер внутренней памяти, тем более сложную задачу и с большей скоростью может решить компьютер.

Постоянная память хранит очень важную для нормальной работы компьютера информацию. В частности, в ней содержатся программы, необходимые для проверки основных устройств компьютера, а также для загрузки операционной системы. Очевидно, что изменять эти программы нельзя, так как при любом вмешательстве сразу станет невозможным последующее использование компьютера. Поэтому разрешено только чтение хранимой там постоянно информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое ее английское название Read Only Memory (ROM) — память только для чтения.

Вся записанная в постоянную память информация сохраняется и после выключения компьютера, так как микросхемы являются энергонезависимыми. Запись информации в постоянную память происходит обычно только один раз — при производстве соответствующих чипов фирмой-изготовителем.

Постоянная память — устройство для долговременного хранения программ и данных.

Существует две основные разновидности микросхем постоянной памяти: однократно программируемые (после записи содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые. Изменение содержимого многократно программируемой памяти производится путем электронного воздействия.

Оперативная память хранит информацию, необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные, команды, промежуточные и конечные результаты. Эта память работает только при включенном электропитании компьютера. После его выключения содержимое оперативной памяти стирается, так как микросхемы являются энергозависимыми устройствами.

Оперативная память — устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.

Устройство оперативной памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой ячейке памяти. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory — память с произвольным доступом).

Если необходимо хранить результаты обработки длительное время, то следует воспользоваться каким-нибудь внешним запоминающим устройством.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
При выключении компьютера вся находящаяся в оперативной памяти информация стирается.

Оперативная память характеризуется высоким быстродействием и относительно малой емкостью.

Микросхемы оперативной памяти монтируются на печатной плате. Каждая такая плата снабжена контактами, расположенными вдоль нижнего края, число которых может быть 30, 72 или 168 (рисунок 18.2). Для подключения к другим устройствам компьютера такая плата вставляется своими контактами в специальный разъем (слот) на системной плате, расположенной внутри системного блока. Системная плата имеет несколько разъемов для модулей памяти, суммарный объем которых может принимать ряд фиксированных значений, например 64, 128, 256 Мбайт и более.

Рис. 18.2. Микросхемы (чипы) оперативной памяти

Кэш-память (англ. cache — тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера.

Кэш-память используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью. Алгоритм ее работы позволяет сократить частоту обращений микропроцессора к оперативной памяти и, следовательно, повысить производительность компьютера.

Существует два типа кэш-памяти: внутренняя (8-512 Кбайт), которая размещается в процессоре, и внешняя (от 256 Кбайт до 1 Мбайт), устанавливаемая на системной плате.

Компьютер тормозит. У меня мало памяти?

Компьютер может тормозить по множеству причин. Вот какие причины могут быть связаны с памятью:

• Всю оперативную память заняла прожорливая или плохо оптимизированная программа.
• На жёстком диске не хватает места для временных файлов.
• SSD заполнен почти полностью, отчего он начинает естественным образом тормозить.

Что делать: перезагрузить, очистить корзину, поискать лишние большие файлы.

Иерархическая пирамида компьютерной памяти

С технической точки зрения, компьютерной памятью считается любой электронный накопитель. Быстрые накопители данных используются для временного хранения информации, которой следует быть «под рукой» у процессора. Если бы процессор вашего компьютера за любой нужной ему информацией обращался бы к жесткому диску, компьютер работал бы крайне медленно. Поэтому часть информации временно хранится в памяти, к которой процессор может получить доступ с более высокой скоростью.

Существует определенная иерархия компьютерной памяти. Место определенного вида памяти в ней означает ее «удаленность» от процессора. Чем «ближе» та или иная память к процессору, тем она, как правило, быстрее. Перед нами иерархическая пирамида компьютерной памяти, которая заслуживает подробного рассмотрения.

Вершиной пирамиды является регистр процессора.
За ним следует кеш-память первого (L1)
и второго уровня (L2)
Оперативная память делится на:
физическую и виртуальную
И кеш, и оперативная память являются временными хранилищами информации
Далее идут постоянные хранилища информации:
ПЗУ/BIOS; съемные диски; удаленные накопители (в локальной сети); жесткий диск
Подножие пирамиды образуют устройства ввода, к которым относятся:
клавиатура; мышь; подключаемые медиаустройства; сканер/камера/микрофон/видео; удаленные источники; другие источники

Процессор обращается к памяти в соответствии с ее местом в иерархии. Информация поступает с жесткого диска или устройства ввода (например, с клавиатуры) в оперативную память. Процессор сохраняет сегменты данных, к которой нужен быстрый доступ, в кеш-памяти. В регистре процессора содержатся специальные инструкции. К рассмотрению кеш-памяти и регистра процессора мы еще вернемся.

Назад в прошлое

Компьютер Bendix G15 с барабанной памятью. Оператор в костюме прилагается.

Одним из основных компонентов первых компьютеров были электромагнитные переключатели, разработанные известным американским ученым Джозефом Хенри еще в 1835 году, когда ни о каких компьютерах никто даже не помышлял. Простой механизм состоял из обмотанного проводом металлического сердечника, подвижной железной арматуры и нескольких контактов. Разработка Хенри легла в основу электрического телеграфа Сэмюеля Морзе и Чарльза Витстоуна.

Первый компьютер, построенный на переключателях, появился в Германии в 1939 году. Инженер Конрад Зюс использовал их при создании системной логики устройства Z2. К сожалению, прожила машина недолго, а ее планы и фотографии были утеряны во время бомбардировок Второй мировой войны. Следующее вычислительное устройство Зюса (под именем Z3) увидело свет в 1941 году. Это был первый компьютер, управляемый программой. Основные функции машины реализовывались при помощи 2000 переключателей. Конрад собирался перевести систему на более современные компоненты, но правительство прикрыло финансирование, посчитав, что идеи Зюса не имеют будущего. Как и ее предшественница, Z3 была уничтожена во время бомбардировок союзников.

Электромагнитные переключатели работали очень медленно, но развитие технологий не стояло на месте. Вторым типом памяти для ранних компьютерных систем стали линии задержки. Информацию несли электрические импульсы, которые преобразовывались в механические волны и на низкой скорости перемещались через ртуть, пьезоэлектронный кристалл или магниторезистивную катушку. Есть волна — 1, нет волны — 0. В единицу времени по проводящему материалу могли путешествовать сотни и тысячи импульсов. По завершении своего пути каждая волна трансформировалась обратно в электрический импульс и отсылалась в начало — вот вам и простейшая операция обновления.

Линии задержки разработал американский инженер Джон Преспер Экерт. Компьютер EDVAC, представленный в 1946 году, содержал два блока памяти по 64 линии задержки на основе ртути (5,5 Кб по современным меркам). На тот момент этого было более чем достаточно для работы. Вторичная память также присутствовала в EDVAC — результаты вычислений записывались на магнитную пленку. Другая система, UNIVAC 1, увидевшая свет в 1951 году, использовала 100 блоков на основе линий задержки, а для сохранения данных у нее была сложная конструкция со множеством физических элементов.

Блок памяти на основе линий задержки больше похож на гиперпространственный двигатель космического корабля. Сложно представить, но подобная махина могла сохранить всего несколько бит данных!

За кадром нашего исследования осталось два довольно значимых изобретения в области носителей данных. Оба сделал талантливый сотрудник Bell Labs Эндрю Бобек. Первая разработка — так называемая твисторная память — могла стать прекрасной альтернативой памяти на основе магнитных сердечников. Она во многом повторяла последнюю, но вместо ферритовых колец для хранения данных использовала магнитную пленку. У технологии были два важных преимущества. Во-первых, твисторная память могла одновременно записывать и считывать информацию с целого ряда твисторов. Плюс к этому, было легко наладить ее автоматическое производство. Руководство Bell Labs надеялось, что это позволит существенно снизить цену твисторной памяти и занять перспективный рынок. Разработку финансировали ВВС США, а память должна была стать важной функциональной ячейкой ракет Nike Sentinel. К сожалению, работа над твисторами затянулась, а на первый план вышла память на основе транзисторов. Захват рынка не состоялся.

«Не повезло в первый раз, так повезет во второй»,— подумали в Bell Labs. В начале 70-х годов Эндрю Бобек представил энергонезависимую пузырьковую память. В ее основе лежала тонкая магнитная пленка, которая удерживала небольшие намагниченные области (пузырьки), хранящие двоичные значения. Спустя какое-то время появилась первая компактная ячейка емкостью 4096 бит — устройство размером один квадратный сантиметр обладало емкостью целой планки с магнитными сердечниками.

Изобретением заинтересовались многие компании, и в середине 70-х разработками в области пузырьковой памяти занялись все крупные игроки рынка. Энергонезависимая структура делала пузырьки идеальной заменой как первичной, так и вторичной памяти. Но и тут планам Bell Labs не удалось сбыться — дешевые винчестеры и транзисторная память перекрыли кислород пузырьковой технологии.

Виды DRAM

Существуют различные виды DRAM. Исторически первые микросхемы DRAM сначала уступили место FPRAM (Fast Page RAM), которые в свою очередь были заменены на EDO RAM (Extended Data Output RAM), на смену которым, в конце концов, пришли микросхемы синхронной памяти DRAM или SDRAM.

Новые поколения SDRAM используют двойную скорость передачи данных (SDRAM included Double Data Rate). Речь идет о DDR2, DDR3 и DDR4.

Хотя каждое новое поколение SDRAM имело некоторые улучшения по сравнению с предыдущими поколениями, следует отметить, что сама базовая динамическая ячейка ОЗУ оставалась практически без изменений и обеспечивала лишь незначительное увеличение скорости доступа. С другой стороны, плотность размещения ячеек памяти или общее количество битов, упакованных в один чип, значительно увеличилось с течением времени. Тем не менее, основные улучшения в новых поколениях SDRAM были связаны именно с увеличением скорости передачи данных и уменьшением удельного энергопотребления.

SDRAM является основой для всех современных видов DRAM. До появления SDRAM память DRAM использовала асинхронной обмен, то есть после запроса на чтение данные сразу же появлялись на шине данных. В SDRAM данные синхронизируются с помощью тактового сигнала.

Например, после того, как SDRAM-память получает команду чтения, она начинает выставлять данные спустя определенное количество тактов. Эта задержка известна как строб адреса столбца CAS (Column Address Strobe). Она имеет фиксированное значение для каждого модуля памяти.

Кроме того, в SDRAM считывание данных всегда синхронизируется по фронту тактового сигнала. Таким образом, процессор точно знает, когда ожидать запрошенные данные.

Выводы

Основные характеристики памяти компьютера трудно обобщить, поскольку устройства в системе очень разные. Видимо, поэтому еще не разработали универсальный механизм, который объединял бы в себе и ОЗУ, и ПЗУ, и SSD и даже флеш-память.

С другой стороны, это было бы не совсем удобно для пользователя. Поэтому каждый девайс обзавелся своими характеристиками, на которые влияет производитель, стоимость, популярность и другие факторы.

Так, оперативная память имеет объем, частоту работы, напряжение и тип. Похожие характеристики и у внешних дисков (HDD и SSD). Покупатель смотрит на форм-фактор, интерфейсы, объем и общую работоспособность. Даже флеш-накопитель имеет похожие параметры, среди которых есть снова-таки объем, формат, скорость работы.

Несмотря на такую схожесть в технических характеристиках, эти устройства отвечают за свои конкретные задачи. ОЗУ хранит временную информацию о процессах на ПК. А вот жесткий и твердотельный накопитель сохраняет личную информацию пользователя и системы. Флешка также сохраняет любые данные, но может являться «переносчиком» их на другие устройства.