Память современных компьютеров. Виды, характеристики

 

 

Введение

  Компьютеры довольно давно и прочно вошли в нашу жизнь. Они кардинально поменяли мир и возможности людей. Если первые компьютеры могли лишь вычислять нехитрые задачки, то современные могут практически всё. Они представляют из себя мультимедийный центр, рабочее место и место отдыха одновременно; помогают развиваться детям,  узнавать окружающий мир, не выходя из дома. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются.

  Для того, чтобы умещать в себя такое разнообразие функций, компьютерам требуется память нескольких видов. Память требуется на каждом шагу выполнения программ, нужна как для использования данных, так и для хранения результатов, необходима для взаимодействия с периферией компьютера и даже для поддержания образа, видимого на экране.

 Исходя из этого,  можно сказать, что тема "Память современных компьютеров"  является очень актуальной на сегодняшний день и должна входить в курс изучения информатики.

  Цель теоретической  части  курсовой работы - выяснить, как устроена современная компьютерная память, какие виды памяти существуют и чем они характеризуются.

 Для достижения цели  необходимо решить следующие  задачи:

       - изучить  теоретические и практические  материалы;

       - изучить  примеры и т.д.

   Цель практической  части курсовой работы - составить  решение поставленной задачи с помощью Office Excel.

    Для этого необходимо:

       - построить  определенные таблицы;

       - произвести  ряд вычислительных расчетов  для заполнения таблиц;

       - представить  результаты расчетов в графическом  виде.

1. Теоретическая  часть

1.1. Устройство памяти компьютера.

  Компьютерная  память - это устройство или совокупность устройств для хранения информации (запоминающее устройство). Она является одним из основных компонентов компьютера и предполагает использование нескольких запоминающих устройств.[5].

  Основными операциями, которые выполняют запоминающие  устройства являются запись и считывание информации. Они называются обращением к памяти. Запись - это процесс размещения данных по указанному адресу и хранение его там определенное время. Процесс выдачи информации называется чтением. При этом информация остается в памяти, а его копия передается в требуемое устройство. Таким образом, к ячейке можно обращаться сколько угодно раз. [4, с. 26].

  В основе работы запоминающего устройства лежит любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.[8]. В современной компьютерной технике обычно используют физические свойства полупроводников. В этом случае прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1. Благодаря устойчивым состояниям, которые определяются направлением намагниченности,  для хранения данных можно использовать разнообразные магнитные материалы. В основу системы хранения также может быть положено наличие или отсутствие заряда в конденсаторе.

  Система хранения информации в современном цифровом компьютере базируется на двоичной системе счисления, т.е. разнообразные формы данных (числа, текстовая информация, изображения, видео, звук и др.) изображаются в виде последовательностей битовых строк или бинарных чисел. При этом каждое из них состоит из значений 0 и 1, что позволяет компьютеру легко манипулировать ими, если имеется  достаточная емкость системы хранения.

   Множество современных  устройств, предназначенных для  хранения данных, основано на  использовании самых разных физических  эффектов. Каждое из них имеет  свои недостатки, поэтому универсального решения не существует.                                                       Как правило, компьютерные системы оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение. Самыми известными средствами хранения информации, используемыми в персональных компьютерах являются модули оперативной памяти, жесткие диски (винчестеры), дискеты (устарели), CD или DVD диски, а также устройства флэш-памяти.[9].

  Главной задачей компьютерной  памяти является хранение информации.

1.2. Виды памяти и их характеристика

Классифицировать компьютерную память можно по самым разнообразным  критериям.

По доступным  операциям с данными выделяют память только для чтения (ROM) и память для чтения/записи.

По энергозависимости (использованию питания): энергонезависимую память и энергозависимую память. [5]. В свою очередь, энергозависимая память разделяется на динамическую (DRAM) и статическую (SRAM).[6].

По назначению выделяется:

 Буферная память - память, которая хранит  временную информацию в виде файлов, папок, картинок, отрывков текста, скопированную либо вырезанную из одного места и предназначенную для вставки в другое.[10].

 Временная (промежуточная)  память – память для хранения  промежуточных результатов обработки;[5].

 Кэш-память - промежуточный  буфер с быстрым доступом, содержащий  информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью.[7].

Корректирующая память –  часть памяти ЭВМ, предназначенная  для хранения адресов неисправных  ячеек основной памяти и др.

Разделяемая память или память коллективного доступа  — память, доступная одновременно нескольким пользователям, процессам или процессорам  и др.

По удаленности  и доступности для центрального процессора:

 Первичная память. Она доступна центральному процессору без какого-либо обращения к внешним устройствам. Это регистры процессора (процессорная или регистровая память) и кэш процессора (если есть);

  Вторичная память доступна центральному процессору путем прямой адресацией через шину адреса (адресуемая память) или через другие выводы.

 Третичная память - доступна  только путём нетривиальной последовательности  действий и включает все виды  внешней памяти, доступной через  устройства ввода-вывода.[9].

Все же по общепринятой классификации  выделяют два вида компьютерной памяти: внутреннюю и внешнюю. Которые так же разделяются на подвиды, описанные ниже.

1.2.1. Внутренняя память

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной  обработки данных. Она быстрее, чем внешняя память.

  Внутреннюю память составляют микроскопические ячейки. Каждая из них имеет собственный уникальный адрес или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему определенного адреса. Для того чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в «командный» пункт.

  Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Объем внутренней памяти (количество ячеек) зависит от разрядности слова. Длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом.[5].

  Большинство внутренних ЗУ энергозависимы. Исключение составляет постоянная память, где хранятся программы, настройки, тестирования и первоначальной загрузки компьютера (BIOS), а также программы вычисления стандартных функций. [4, с. 27].

  Внутренняя память компьютера делится на оперативную (ОЗУ), постоянную (ПЗУ) и сверхоперативную (кэш-память).

1.2.1.1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ОЗУ (Random Access Memory (RAM))- память с произвольным доступом - область памяти, в которой сохраняются данные в процессе работы компьютера.[2, c. 62].

Информация в ней может  быть как записана, так и считана.

  Основная (оперативная)  память в компьютере размещается  на стандартных панельках, называемых  модулями.  Модули ОП вставляются  в соответствующие разъемы на  материнской плате.[3, с.117].

  В современных компьютерах оперативная память присоединена к центральному процессору. Она использует шину памяти или, как её еще называют, адресную шину. Шина адреса состоит из проводов и схем сопряжения и необходима для параллельной передачи кода адреса ячейки  основной памяти. [1, c. 73]. Запись в память данных осуществляется  подачей на шину  адреса сигналов, соответствующих адресам ячеек. В них помещаются  данные из шины записи.     При чтении данных из памяти по шине адреса  передаются адреса читаемых ячеек. Сами данные из ячеек передаются по шине чтения. Возможность произвольного доступа к любой ячейке памяти  и  позволяет называть оперативную память как память с произвольным доступом (RAM).[1, c. 60].

   В устойчивом виде информация в данном виде памяти хранится несколько  миллисекунд. При выключении питания содержимое ОЗУ очищается, поэтому перед выключением все данные, подвергнутые изменениям во время работы, нужно сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (например, жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.[11].

 Объем оперативной памяти является одной из основных характеристик компьютера. Он определяется объемом информации, обрабатываемой без обращения к внешним ЗУ, что существенно сокращает время вычислений.

  Конечно, чем больше оперативная память компьютера, тем больше его возможности для размещения и использования в своей работе программ и данных. Для того, чтобы увеличить объем оперативной памяти, можно использовать  дополнительную память (Expanded Memory) на дополнительных платах. В этом случае процессор обращается к данным так, будто они находятся в обычной оперативной памяти объемом до 1 Мб, но при этом происходит переадресация в дополнительную память на дополнительной плате, которая может иметь емкость несколько мегабайт. Так же для увеличения объема оперативной памяти используют расширенную память (Extended Memory). Обычно она размещается на материнской плате. Для работы с расширенной памятью процессор должен переходить из реального режима в защищенный (protected mode).[5].

   В ОЗУ хранятся все открытые документы, страницы, мультимедийные файлы.

  ОЗУ выполняют миллиарды операций, потребляя при этом довольно мало энергии. Для некоторых из них достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или поддерживать память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах. [5].

   Оперативная память является динамической (DRAM). Ее содержимое периодически обновляется. Для хранения разряда (бита или трита) динамической памяти используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два).[4, с. 27]. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов). Но он имеет и некоторые недостатки. Во-первых, при зарядке и разрядке конденсаторов неизбежны переходные процессы, т. е. запись происходит сравнительно медленно. Во-вторых, со временем конденсаторы разряжаются. Причём, чем меньше их ёмкость, тем быстрее они разряжаются. За то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени, память на конденсаторах получила своё название динамическая память. В связи с этим, чтобы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов для восстановления необходимо «регенерировать» через определённый интервал времени. Регенерация выполняется центральным микропроцессором или контроллером памяти.[6].

  Динамическую память(DRAM)  можно представить двумя типами: асинхронным и синхронным. Асинхронная динамическая память имеет недостаточное быстродействие, что приводит к простою процессора. Синхронная память является предпочтительнее по цене и  производительности. [3, с. 116].

 1.2.1.2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

  ПЗУ- память, в которой хранятся данные при выключенном питании. ПЗУ часто называют энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Энергообеспечение в данном случае производится  за счет батареек, которые установлены на материнской плате.

  В ПЗУ хранятся данные об архитектуре и настройках: дата, время, сетевые подключения и т.д. В английском варианте постоянная память называется ROM (Read Only Memory).[10].

  Поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, в момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ни данных, ни программ. Но, чтобы начать работу, процессору нужны команды, поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес, указывающий на ПЗУ. Ряд программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System). Её основное назначение - проверить состав и работоспособность компьютерной системы, а также обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководами. Программы, которые находятся на ПЗУ, называют «зашитыми», т.к. их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера.

BIOS проверяет работоспособность устройств, задает низкоуровневые параметры их работы, а после этого ищет загрузчик операционной системы (Boot Loader) на доступных носителях информации и передает управление операционной системе.

  Кроме обычной оперативной  и постоянной памяти, в компьютере  имеется небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера.  Специально для хранения информации об оборудовании конкретного компьютера, на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, называемая CMOS. Ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а данные в нее можно заносить и изменять с помощью программы Setup, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах на материнской плате. То, что компьютер четко отслеживает время и календарь даже и в выключенном состоянии, тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся и изменяются в CMOS.