Устройства памяти компьютера

Компьютерная  память

 

      Компьютерная  память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) - часть  вычислительной машины, физическое  устройство или среда для хранения  данных, используемых в вычислениях,  в течение определённого времени.  Память, как и центральный процессор,  является неизменной частью компьютера  с 1940-х. Память в вычислительных  устройствах имеет иерархическую  структуру и обычно предполагает  использование нескольких запоминающих  устройств, имеющих различные  характеристики.

 

     В персональных  компьютерах «памятью»  часто  называют один из её видов  — динамическая память с произвольным  доступом (DRAM), — которая в настоящее  время используется в качестве  ОЗУ персонального компьютера.

 

     Задачей компьютерной  памяти является хранение в  своих ячейках состояния внешнего  воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать  самые разнообразные физические  воздействия (см. ниже). Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю и информация в них записывается в виде двух чётко различимых состояний — 0 и 1 («выключено»/«включено»). Специальные механизмы обеспечивают доступ (считывание, произвольное или последовательное) к состоянию этих ячеек.

 

     Процесс доступа  к памяти разбит на разделённые   во времени процессы — операцию  записи (сленг. прошивка, в случае записи ПЗУ) и операцию чтения, во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства — контроллера памяти.

 

     Также различают  операцию стирания памяти —  занесение (запись) в ячейки памяти  одинаковых значений, обычно 0016 или  FF16.

 

     Наиболее известные  запоминающие устройства, используемые  в персональныхкомпьютерах: модули оперативной памяти (ОЗУ), жёсткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD- или DVD-диски, а также устройства флеш-памяти.

 

 

Функции памяти

 

     Компьютерная  память обеспечивает поддержку  одной  из функций современного  компьютера, — способность длительного  хранения информации. Вместе с  центральным процессором запоминающее  устройство являются ключевыми  звеньями, так называемой архитектуры  фон Неймана, — принципа, заложенного  в основу подавляющего большинства  современных компьютеров.

 

     Первые  компьютеры  использовали запоминающие устройства  исключительно для хранения обрабатываемых  данных. Их программы реализовывались  на аппаратном уровне в виде  жёстко заданных выполняемых  последовательностей. Любое перепрограммирование  требовало огромного объёма ручной  работы по подготовке новой  документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. д. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

 

     Любая информация  может быть измерена в битах  и потому, независимо от того, на каких физических принципах  и в какой системе счисления  функционирует цифровой компьютер  (двоичной, троичной, десятичной и  т. п.), числа,текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

 

     К настоящему  времени создано множество   устройств, предназначенных для   хранения данных, основанных на  использовании  самых разных  физических эффектов. Универсального  решения не существует, у каждого  имеются свои достоинства и  свои недостатки, поэтому компьютерные  системы обычно оснащаются несколькими  видами систем хранения, основные  свойства которых обуславливают  их использование и назначение.

 

Физические  основы функционирования

 

     В основе  работы запоминающего устройства  может лежать любой физический  эффект, обеспечивающий приведение  системы к двум или более  устойчивым состояниям. В современной  компьютерной технике часто используются  физические свойства полупроводников,  когда прохождение тока через  полупроводник или его отсутствие  трактуются как наличие логических  сигналов 0 или 1. Устойчивые состояния,  определяемые направлением намагниченности,  позволяют использовать для хранения  данных разнообразные магнитные  материалы. Наличие или отсутствие  заряда в конденсаторе также  может быть положено в основу  системы хранения.  Отражение  или рассеяние света от поверхности  CD, DVD или Blu-ray-диска также позволяет  хранить информацию.

 

Классификация типов памяти

 

Следует различать классификацию  памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же — по технической реализации. Здесь  рассматривается первая — таким  образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так  и структуры данных, реализуемые  в большинстве случаев программно.

 

 

Доступные операции с данными

Память только для чтения

Память для чтения/записи

 

Память  на программируемых  и перепрограммируемых  ПЗУ (ППЗУ и ПППЗУ) не имеет общепринятого  места в этой классификации. Её относят  либо к подвиду памяти «только  для чтения»[1], либо выделяют в отдельный  вид[2].

 

Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной  частоте её перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых  информация часто меняется в процессе работы, а к ROM — предназначенные для хранения относительно неизменных данных.[1]

 

Энергозависимость

Энергонезависимая память —  память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;

Энергозависимая память —  память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.

Статическая память — энергозависимая  память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;

Динамическая память —  энергозависимая память, в которой  информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

 

Метод доступа

Последовательный доступ — ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в  очерёдности их расположения. Вариант  такой памяти — стековая память.

Произвольный доступ —  вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

 

 

Назначение

Буферная память — память, предназначенная для временного хранения данных при обмене ими между  различными устройствами или программами.

Временная (промежуточная) память — память для хранения промежуточных  результатов обработки.

Кеш-память — часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранение часто используемых данных для предоставления их в более быстрый доступ, нежели кешируемая память.

Корректирующая память —  часть памяти ЭВМ, предназначенная  для хранения адресов неисправных  ячеек основной памяти. Также используются термины «relocation table» и «remap table».

Управляющая память — память, содержащая управляющие программы  или микропрограммы. Обычно реализуется  в виде ПЗУ.

Разделяемая память или память коллективного доступа — память, доступная одновременно нескольким пользователям, процессам или 

процессорам.

 

Основной функцией внешней  памяти компьютера является способность  долговременно хранить большой  объем информации (программы, документы, аудио-и видеоклипы и т. д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем или дисководом, а хранится информация на носителях (например, дискетах).

 

В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД или дискетах) и накопителях на жестких магнитных  дисках (НЖМД или винчестерах), в  основу записи, хранения и считывания информации положен магнитный принцип, а в лазерных дисководах — оптический принцип.

 

Гибкие магнитные диски.

 

Гибкие магнитные диски  помещаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информации называется дискетой. Дискета вставляется в  дисковод, вращающий диск с постоянной угловой скоростью. Магнитная головка  дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и записывается (или  считывается) информация.

 

Информационная ёмкость  дискеты невелика и составляет всего 1.44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об./мин).

 

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски следует  предохранять от воздействия сильных  магнитных полей и нагревания, так как это может привести к размагничиванию носителя и  потере информации.

 

Жесткие магнитные диски.

 

Жесткий диск (HDD — Hard Disk Drive) относится к несменным дисковым магнитным накопителям. Первый жесткий диск был разработан фирмой IBM в 1973 г. и имел емкость 16 Кбайт.

 

Жесткие магнитные диски  представляют собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический  корпус и вращающихся с высокой  угловой скоростью. За счет множества  дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жестких дисков может  в десятки тысяч раз превышать  информационную емкость дискет и  достигать сотен Гбайт. Скорость записи и считывания информации с  жестких дисков достаточно велика (около 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (7200 об./мин).

 

Часто жесткий диск называют винчестер. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке  в начале 70-х годов, имел емкость  по 30 Мб информации на каждой рабочей  поверхности. В то же время, широко известная  в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр - 0.30; может грохотал при своей работе первый винчестер как автомат или порохом от него пахло - не ясно, но с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

 

В процессе работы компьютера случаются сбои. Вирусы, перебои  энергоснабжения, программные ошибки - все это может послужить причиной повреждения информации, хранящейся на Вашем жестком диске. Повреждение  информации далеко не всегда означает ее потерю, так что полезно знать  о том, как она хранится на жестком  диске, ибо тогда ее можно восстановить. Тогда, например, в случае повреждения  вирусом загрузочной области, вовсе  не обязательно форматировать весь диск (!), а, восстановив поврежденное место, продолжить нормальную работу с  сохранением всех своих бесценных  данных.

 

В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные  элементы. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких  дисков, необходимо оберегать их от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

 

Лазерные дисководы и  диски.

В начале 80-х годов голландская  фирма «Philips» объявила о совершенной ею революцией в области звуковоспроизведения. Ее инженеры придумали то, что сейчас пользуется огромной популярностью - Это лазерные диски и проигрыватели.

 

За последние несколько  лет компьютерные устройства для  чтения компакт-дисков (CD), называемые CD-ROM, стали практически необходимой  частью любого компьютера. Это произошло  потому, что разнообразные программные  продукты стали занимать значительное количество места, и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно дорогостоящей  и ненадёжной. Поэтому их стали поставлять на CD (таких же, как и обычные музыкальные).

 

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD — Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отражающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1.

 Для сохранности информации  лазерные диски надо предохранять  от механических повреждений  (царапин), а также от загрязнения.

 

 На лазерных дисках  хранится информация, которая была  записана на них в процессе  изготовления.  Запись на них  новой информации невозможна. Производятся  такие диски путем штамповки.  Существуют CD-R и DVD-R диски информация на которые может быть записана только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW информация может быть записана/перезаписана многократно. Диски разных видов можно отличить не только по маркировки, но и по цвету отражающей поверхности.

 

Запись на CD и DVD при помощи обычных CD-ROM и DVD-ROM невозможна. Для этого необходимы устройства CD-RW и DVD-RW с помощью которых возможны чтение-однократная запись и чтение-запись-перезапись. Эти устройства обладают достаточно мощным лазером, позволяющем менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска.

 

 Информационная ёмкость  CD-ROM достигает 700 Мбайт, а скорость  считывания информации (до 7.8 Мбайт/с)  зависит от скорости вращения  диска. DVD-диски имеют гораздо большую информационную ёмкость (однослойный односторонний диск - 4.7 Гбайт) по сравнению с CD-дисками, т.к. используются лазеры с меньшей длинной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Так же существуют двухслойные DVD-диски и двухсторонние DVD-диски. В настоящее время скорости считывания 16-скоростных DVD-дисководов достигает 21 Мбайт/с.