Память современных компьютеров. Виды, характеристики

  Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.[3, с. 118].

1.2.1.3. Кэш - быстрая память.

Кэш (от англ. сash —склад) - особый вид быстродействующей памяти, которая является буфером между центральным процессором и оперативной памятью. [1, с. 59]. Говоря проще, кэш-память предназначена для ускорения процессов считывания и записи. Достигается это в результате того, что передача данных от кэша или к нему производится быстрее, нежели к оперативной памяти (считывание из оперативной памяти производится в 2-3 раза медленнее). Время доступа к кэш-памяти составляет 15-20 нс. [4, с. 27].

   В современных  компьютерах кэш-память на материнскую  плату не устанавливается.

  Для кэш-памяти обычно используется не динамические, а статические модули памяти. Ячейки статической памяти (SRAM) представляют собой электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает быстродействие. [2, c. 62].

  Действие кэш-памяти эффективно за счет того, что программы обрабатывают одни и те же данные. Команды программы расположены одна за другой или внутри цикла. Это увеличивает вероятность присутствия данных в кэш-памяти. Если требуемые данные для чтения находятся в кэш-памяти, то говорят о попадании в нее, если нужные данные не находятся в ней, то их нужно считывать из оперативной памяти и говорят о промахе. [10]. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш. Если кэш имеет ограниченный  объём, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для этого используются разные алгоритмы вытеснения.

  При модификации элементов  данных в кэше, они обновляются в основной памяти.

  В кэше с немедленной записью при каждом изменении происходит синхронное обновление данных в основной памяти.

  В кэше с отложенной записью (обратной записью) обновление осуществляется в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. При промахе в кэше с отложенной записью могут потребоваться два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.[7].

  Таким образом, суть кэш-памяти в сохранении образа областей из оперативной памяти, которая работает быстрее.

    Существует несколько  уровней кэша.

  На первом уровне  кэш-память находится внутри процессора. Следовательно, обращение к ней  происходит с большей скоростью,  чем по системной шине. Отключение кэш-памяти первого уровня иногда может понизить производительность системы в несколько раз для некоторых видов программ.  Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт.

  Современная кэш память второго уровня находится на ядре процессора, осуществляет синхронизацию между ядрами процессора, практически находится между кэшем первого уровня и кэшем третьего уровня.   Использование кэш-памяти 2-го уровня увеличивает производительность системы на 10-20 % (иногда указывается 20-30 %). Это зависит от вида используемых программ.

  Кэш третьего уровня в 486 компьютерах стал встраиваться на материнскую плату. Эта память в то время называлась кэш-памятью второго уровня. Данный кэш работает уже не на внутренней частоте центрального процессора, а на внешней, поэтому скорость передачи данных к данной кэш-памяти ниже, чем к кэшу первого уровня. Позже кэш третьего уровня стал называться кэш, находящемся на кристалле процессора (Pentium IV, достигая 4 Мб, в современных до 24 мегабайт).

  В некоторых компьютерах может использоваться кэш четвертого уровня (обычно для серверов).

  Кэш следующего уровня, как правило, больше по размеру, чем кэш предыдущего уровня и частота его медленней, чем у кэша предыдущего уровня. [8].

1.2.2. Внешняя память

  Внешнюю память ЭВМ используют для длительного хранения больших объемов информации. Она характеризуется высокой емкостью, энергонезависимостью и относительно низким быстродействием.[4, c. 28].

  Внешняя память обычно  располагается вне центральной  части компьютера.

К устройствам внешнего хранения относятся магнитные запоминающие устройства

 и оптические запоминающие  устройства. [1, c. 61].

  Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения (воспроизведения) записи цифровой информации.

1.2.2.1. Магнитные запоминающие  устройства

Магнитные запоминающие устройства хранят информацию благодаря магнитным свойствам материалов. Они состоят из устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который осуществляется запись и с которого считывается информация. За счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи происходит намагничивание. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. При изменение полярности напряжения измененяется направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Магнитные запоминающие устройства включают в себя ленточные накопители (стримеры, кассеты) и  дисковые накопители (жесткие и гибкие диски, дискеты).

Рассмотрим некоторые  из них.

  Накопитель на жестком магнитном диске  (НЖМД) является основным  внешним запоминающим устройством на ПК. В один ПК может быть установлено до четырех  НЖМД при условии, что в ПК не будет устройств, использующих тот же интерфейс, что и НЖМД. [1, c. 80].

  Часто жесткий диск называют винчестером. В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы, поэтому для сохранения  информации и работоспособности жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы. Иногда в процессе работы компьютера могут случаться сбои. Вирусы, перебои энергоснабжения, программные ошибки могут стать причиной повреждения информации, которая хранится на жестком диске. Но повреждение информации не всегда означает ее потерю. Если знать о том, как она хранится на жестком диске, то ее можно восстановить. Например, при повреждении вирусом загрузочной области не обязательно форматировать весь диск. Чтобы продолжить нормальную работу, нужно просто восстановить поврежденное место.[7].

  По строению НЖМД представляет собой  набор дисков, магнитных головок, двигателей, механизма доступа, заключенных в воздухонепроницаемый корпус, и управляющих электронных схем. Вращение дисков с магнитным покрытием происходит на общем валу. Каждый их этих дисков разбит на концентрические круги, называемые дорожками, которые находятся на обоих поверхностях каждого диска. Совокупность дорожек одного диаметра представляет собой цилиндр. Дорожки разбиваются на секторы. Их размер на разных дисках может составлять  512, 1024, 2048 байтов. Запись и чтение данных в НЖМД  осуществляется последовательно по секторам дорожек одного цилиндра, а при его заполнении осуществляется переход на дорожки следующего цилиндра и т.д. Для чтения и записи информации на жестком диске используется система магнитных головок. Они одновременно перемещаются  по радиальной оси к центру и от центра дисков НЖМД. Наиболее значимыми параметрами  НЖМД являются:

- максимально возможный  объем  хранимой информации на одном НЖМД, который достигает 300 Гбайт. Современные рабочие станции обычно составляют НЖМД объемом 80-120 Гбайт.

- время доступа к диску  определяется  интервалом времени  между запросом на выдачу данных  и получением этих данных. В  настоящее время среднее значение  этого параметра  находится в пределах 7-9 м/с.

- средняя скорость передачи  данных зависит от типа используемого  интерфейса НЖМД и изменяется  в пределах 30-80 Мб/с.

-скорость вращения дисков  НЖМД достигает 7200-15 000об/мин.

Последние три показателя определяют производительность НЖМД. [1, c. 80].

  Жесткий диск характеризуется емкостью, скоростью работы, временем доступа к данным и пропускной способностью ввода-вывода. Емкость диска показывает то количество информации, которое на нем помещается. Скорость работы характеризуется временем доступа к данным и скоростью чтения и записи данных на диске.

  При чтении или записи коротких блоков данных, расположенных в различных участках диска, скорость работы определяется временем доступа к данным. При чтении или записи длинных (в десятки и сотни килобайт) файлов гораздо важнее пропускная способность тракта обмена с диском. Время доступа и скорость чтения/записи зависят не только от самого дисковода, но от параметров всего тракта обмена с диском: от быстродействия контроллера диска, системной шины и основного микропроцессора компьютера.[4, с. 32].

Компании - производители  жестких дисков одна за другой сообщают о выпуске на рынок носителей  информации емкостью 1 Тбайт - т. е. 1000 Гбайт. Как правило данные носители стоят недешево. Их минусом является скорость. Все современные диски, включая и терабайтные, качают информацию примерно со скоростью, в среднем не превышающей величины 70-90 Мбайт/с. Чтобы прочесть всю информацию с терабайтного диска, придется затратить свыше трех часов. И даже наиболее быстрый на сегодняшний день интерфейс SATA II предполагает обмен информацией со скоростями в 300 Мбайт/с.[7].

Накопители на гибких  магнитных дисках (НГМД) относятся  к стандартным внешним устройствам  хранения данных, несмотря на то что в последние годы  утратили свою функциональность и значение. [1, c. 81].Накопитель на гибких магнитных дисках конструктивно выполнен таким образом, что пользователь может менять установленные в нем магнитные диски. Такие сменные магнитные диски называются гибкими магнитными дисками или флоппи-дисками (их также называют дискетами) и расположены в специальном конверте, защищающем их от повреждения. На дискетах имеется специальный переключатель-защелка, разрешающая или запрещающая запись на дискету. Запись на дискету разрешена, если отверстие закрыто и запрещена, если открыто.

  В настоящий момент, технологии хранения и чтения/записи информации на обычную дискету дают невысокие скорости обмена и позволяют добиться плотности записи для объема информации до 2 мегабайт. [4, с. 30].

 НГМД в основном используются для  восстановления операционной системы и для хранения ключей для доступа к лицензионным программам. Гибкие диски используются в основном одного типа, размером 3,5 и объемом 1,44 Мб. [1, c. 81].

  Стримеры используются  для создания и хранения архивных  копий баз данных. Накопители  на магнитной ленте отличает  низкая цена, но малая производительность и недостаточная надежность. Испытывают электромагнитные и повышенные механические нагрузки и могут часто выходить из строя.[2, с. 74].

 К их достоинствам  можно отнести использование  сменных картриджей, объем каждого  из которых может достигать  500 Гб. [1, c. 83].

1.2.2.2. Оптические запоминающие  устройства

Оптические запоминающие устройства появились сравнительно недавно. Основу их работы составляет запись и чтение при помощи изменения отражения светового потока от оптически структурированных поверхностей. Оптические дисковые накопители состоят из носителя и устройства чтения/записи. Запись происходит благодаря приданию оптически структурируемому слою определенной структуры, которая, также как и у магнитных дисковых накопителей, организована в виде замкнутых концентрических дорожек, но представляет микроизменения оптических, свойств однородной поверхности носителя. [10]. Примерами оптических накопителей являются CD-ROM, CD-R, CD-RW, а так же DVD-R, DVD-RW- накопители [1, c. 81].

  CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory)- компакт-диск только для чтения. Он предназначен для использования предварительно записанной на него еще в процессе изготовления информации.[4, с. 32].

  Информация на диске представлена в виде последовательности углублений и выступов, расположенных на спиральной дорожке, которая выходит из области вблизи оси диска. Углубления и выступы наносятся промышленным способом с помощью штамповки  заготовок дисков. Выступ соответствует двоичной цифре "1", а углубление - "0". На CD-ROM  размещается 780 Мбайт информации.  Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных, измеряемая в кратных долях. Первые CD-ROM   считывали информацию  со скоростью 150 Кб/ч. Скорость считывания следующих моделей накопителей стала обозначаться и рассчитываться по формуле как ×N, где N - множитель, на который умножают первоначальную скорость, чтобы получить искомую. Так, если на накопителе написано "×52", то это означает, что скорость чтения в 52 раза больше скорости считывания первого CD-ROM. [1, c. 81].  В настоящее время устройства чтения CD-ROM имеют  производительность 48х - 56х.[2, с. 74].

 CD-R-диски (CD - Recordable)  дают возможность однократной записи данных. Это гарантирует надежность сохранения записанной информации. Они появились в середине 1990-х годов. Запись на CD-R осуществляется благодаря наличию на их поверхности светочувствительного слоя, который темнеет при нагревании. Лазерный луч в процессе записи нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют, переставая пропускать свет к отражающему слою. После записи информации на такой диск его поверхность будет представлять собой  чередование светлых и темных точек, которые соответствуют  значениям разрядов  двоичного числа.[1, c. 82].