Виды памяти 3

Введение

У человека всегда была потребность сохранить результаты его трудов, будь они материальными или умственными. Для этой цели издавна использовались различные способы: древний человек вёл записи с помощью рисунков, т. к. он не владел письменностью, с появлением письменности появилась и возможность более информативно излагать свои мысли, для чего стали использоваться глиняные таблички, папирусы, бумага, береста и даже каменные стены. Но с развитием человеческой цивилизации, с развитием различных наук количество информации, подлежащей сохранению, постепенно увеличивалось и приходилось придумывать новые методы или улучшать старые. Так ещё в 1041-1048 г.г. в древнем Китае были предприняты первые опыты книгопечатания (Би Шэн), которое в 15-16 в.в. получило распространение в Европе, а создание в 1814 печатной машины положило начало современной полиграфии. Тогда же, в 16 в., итальянец Романецатто изобрёл «пишущее пианино», правда, не получившее распространения, а вообще с тех пор было запатентовано и создано около 300 различных конструкций пишущих машинок, хотя практическое применение нашли лишь 25-30 из них. Хотя это были и весьма несовершенные конструкции, они существенно подняли индивидуальную производительность. В 1857 г. англичанин Леон Скотт создал первое устройство, регистрирующее акустические колебания, а в 1878 г. американцем Томасом Эдисоном по такому же принципу был создан фонограф, позволявший записывать и воспроизводить различные звуки и человеческую речь. Так появились первые устройства механической записи информации, а 40-50-х г.г. нашего столетия появилась первая технология записи информации на магнитные носители, что вывело этот процесс на принципиально новый уровень.

В 1945 г. Джон фон Нейман (1903-1957), американский ученый, выдвинул идею использования внешних запоминающих устройств для хранения программ и данных. Нейман разработал структурную принципиальную схему компьютера. Схеме Неймана соответствуют и все современные компьютеры.

Несмотря на стремительные темпы развития вычислительной техники, фундаментальные принципы построения ЭВМ практически не изменились. Базовые идеи построения вычислительных устройств сформулированные известным математиком Джоном фон Нейманом с группой соавторов в 1946г. и получили название «принципов фон Неймана». Сущность этих принципов:

использование двоичной системы для представления чисел. В работе фон Неймана были убедительно продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и др. Но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера;

принцип «хранимой программы». Согласно этому принципу программа, записанная с помощью двоичных кодов, должна храниться в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею данные;

принцип адресности. Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде двоичных чисел.

С развитием компьютерной техники объёмы информации в электронной форме начали стремительно возрастать. Программы для ПК и объём обрабатываемой и сохраняемой ими информации исчисляется не десятками или сотнями килобайт, как на заре компьютерной эры, а десятками и сотнями мегабайт, к тому же возросла и ценность самой информации. Всё это обусловило потребность в ёмких, быстрых и надёжных устройствах записи информации.

Работая с информацией, человек пользуется не только своими знаниями, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. информация хранится в памяти человека и на внешних носителях. Заученную информацию человек может забыть, а записи сохраняются надежнее.

В процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в составе компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называются памятью.

1. Компьютерная память.

Память компьютера - совокупность устройств для записи, хранения и выдачи информации, представленной в закодированной форме, а так же для переноса информации с одного компьютера на другой.

Запоминающие устройства имеют свою градацию. В основном их можно разделить на две группы: внутреннюю и внешнюю память (или же как это встречается более часто - на внутренние и внешние запоминающие устройства или накопители на гибких и жёстких дисках).

Основные операции с памятью

Существует две распространенные операции с памятью - чтение информации из памяти и запись ее в память для хранения.

-  При чтении порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия. После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.

-  При записи (сохранении) информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая. 
Внимание! Из энергозависимой памяти информация пропадает при выключении компьютера.

Основные характеристики памяти

Способ обращения к устройству памяти для чтения или записи информации получил название доступа. 
С этим понятием связан такой важный параметр памяти, как время доступа, или быстродействие - это время, необходимое для чтения из памяти или записи в нее минимальной порции информации. Измеряется в милли-, микро- наносекундах.

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи и считывания данных. Основными параметрами любых элементов памяти является минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время доступа (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения. Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат времени. В цикл обращения кроме активной фазы самого доступа входит и фаза восстановления (возврата памяти к исходному состоянию), которая соизмерима по времени с активной фазой. Временные характеристики самих запоминающих элементов определяются их принципом действия и используемой технологией изготовления.

Другой важной характеристикой памяти является ее объем, или емкость. Эта величина показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в данной памяти. 
Измеряется в кило-, мега-, гигабайтах.

Производительность машины очень сильно зависит от объема внутренней памяти. Если для работы каких-то программ не хватает внутренней памяти, то компьютер начинает переносить часть данных во внешнюю память, что резко снижает его производительность. Скорость чтения/записи данных в оперативную память на несколько порядков выше, чем во внешнюю.

Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Для эффективной работы современных программ требуется оперативная память объемом в сотни и тысячи мегабайтов (гигабайты).



1.1. Структура памяти компьютера



Хранение и обработка информации реализованы в двоичных кодах с применением двоичной системы счисления. Это связано с использованием в ЭВМ многоразрядных электронных систем памяти, каждый разряд которых – бит, может принимать одно из двух различных состояний – 0 или 1. следовательно, минимальная единица измерения информации – это бит – одна двоичная цифра. Последовательность восьми двоичных разрядов образует байт, т.е. 8 бит.

Второе значение понятия «байт» - минимальная адресуемая ячейка памяти. В этом смысле величина байта необязательно составляет 8 двоичных разрядов.

Единица измерения информации «слово» составляет два байта, или 16 бит; двойное слово – четыре байта, 32 бита.

Байты памяти условно пронумерованы. Начальным номером является нулевой. Конечный номер определяется техническими характеристиками устройства. Порядковый номер байта памяти задает его адрес. Указанный размер слова и двойного слова в некоторых типах ЭВМ может составлять другую величину битов.

Для облегчения работы с большими объемами памяти на практике применяют более крупные единицы, такие как:

1 Килобайт (Кбайт)=1024 байта

1 Мегабайт (Мбайт)=1024 Кб

1 Гигабайт (Гбайт)=1024 Мб

1 Терабайт (Тбайт)=1024 Гб

1 Петабайт (Пбайт)=1024 Тб

1 Эксабайт (Эбайт)=1024 Пб

1 Зетабайт (Збайт)=1024 Эб

1 Йоттабайт (Йбайт)=1021 Зб



2. Внутренняя память

Внутренняя память - это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера. Сформулированное правило относится к принципам Неймана. Его называют принципом хранимой программы.

Информационная структура внутренней памяти – битово-байтовая.

Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера — дискретность. Дискретные объекты составлены из частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. “Песчинками” компьютерной памяти являются биты.

Второе свойство внутренней памяти компьютера — адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт- это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, в одном байте памяти хранится один байт информации.

Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля. Порядковый номер байта называется его адресом. Принцип адресуемости означает, что занесение информации в память, а также извлечение ее из памяти, производится по адресам.

Память можно представить как многоквартирный дом (см. приложение рис. 2), в котором каждая квартира — это байт, а номер квартиры — это адрес. Для того чтобы почта дошла по назначению, необходимо указать правильный адрес. Именно так, по адресам, обращается к внутренней памяти процессор компьютера



2.1. Характеристики устройств внутренней памяти

Внутренняя память имеет в своем составе несколько устройств. Основным является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Соответствующий по смыслу английский термин, который часто встречается в технической литературе, - RAM (Random Access Memory), т.е. память с произвольным (случайным) доступом. Такой доступ подразумевает возможность получить данные из памяти по любым адресам в любом порядке.

ОЗУ имеет непосредственную связь с процессором. В нем хранятся программные команды и данные, участвующие в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их во внешнюю память устройства вывода. Основными особенностями ОЗУ являются:

возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти;

высокая скорость работы, близкая к быстродействию микропроцессора;

необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы (энергозависимость).

Другим важным устройством внутренней памяти компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Техническое (английское) название этого устройства памяти – ROM (Read Only Memory), т.е. память только для чтения. Информация в это устройство записывается производителем, сохраняется неизменной и постоянно доступна компьютеру, в том числе сразу в момент включения. ПЗУ играет очень важную роль, потому что в нем записана программа начальной загрузки компьютера. Кроме того, в этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому её часто называют BIOS – Basic Input Output System/

В современных компьютерах быстродействие процессора ОЗУ может существенно отличаться. Поэтому, для повышения производительности системы в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное ЗУ (СЗУ) или кэш-память. Название «кэш» происходит от английского слова «cache», которое обозначает тайник. СЗУ невидимо для пользователя и данные, хранящиеся в нём, недоступны для прикладного программного обеспечения.

Основная идея работы кэш-памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы копируются в СЗУ; одновременно в специальный каталог адресов, который находится в той же самой памяти, запоминается, откуда информация была извлечена. Если данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее.

В настоящее время кэш-память обычно реализуется по двухуровневой системе. При этом первичный кэш (level 1- уровень 1) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный (level 2) устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объёма КЭШа повышает эффективность работы компьютера. 



3. Внешняя память

Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних (относительно материнской платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с разными принципами хранения информации.  Это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски. Сохранение информации на них не требует постоянного электропитания. Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.

На сегодняшний день существует 3 основных технологии записи информации: электронная (чипы памяти различных видов), магнитная (жёсткие, гибкие диски), магнитооптическая и оптическая (диски CD-ROM, DVD и др.).

Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации.

Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. 



3.1. Характеристики устройств внешней памяти

В состав внешней памяти входят:  1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);  2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);  3) накопители на магнитооптических компакт дисках;  4) накопители на оптических дисках (CD-ROM);  5) накопители на магнитной ленте и др.

Устройства внешней памяти — это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации. Кто не знает, что такое магнитофон? На магнитофон мы привыкли записывать речь, музыку, а затем прослушивать записи. Звук записывается на дорожках магнитной ленты с помощью магнитной головки. С помощью этого же устройства магнитная запись снова превращается в звук.

Аналогично действует устройство внешней памяти компьютера — накопитель на магнитной ленте (НМЛ). На дорожки ленты записывается все тот же двоичный код: намагниченный участок — единица, не намагниченный — нуль. Устройство компьютера, которое работает с магнитной лентой, записывает и считывает с нее информацию, называется накопителем на магнитной ленте (НМЛ). Употребляется также английское название этого устройства — стриммер.

Самым распространенным устройством внешней памяти на современных компьютерах стали накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы. 

Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном диске (НМД) или дисководом. Информацию сохраняют на накопителях двух видов, в зависимости от действий, которые человеку нужно выполнить с данными. Для переноса небольших объемов информации используют гибкие магнитные диски (дискеты) а, для длительного хранения больших объемов информации используют накопители на жестких дисках (винчестеры)

Сравнительно новым видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название — лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.

Сначала появились лазерные диски, на которых информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM — Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе значит “компактный диск — только для чтения”.

Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски — CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново.

Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD-ROM. Объем информации, хранящейся на них, может достигать десятков гигабайт.

Основные характеристики долговременной памяти:

Емкость (объем) - максимальное количество информации (объем данных), который можно записать на носитель.

Быстродействие определяется временем доступа к нужной информации, временем ее считывания/записи и скоростью передачи данных.

Надежность хранения информации

стоимость

Емкость внешней памяти в сотни и тысячи раз превышает емкость оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях со сменными носителями. 
Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени, так как быстродействие внешней памяти существенно меньше, чем оперативной.

Наличие внешней памяти обеспечивает возможность неоднократного использования информации в течение длительного времени. Информация во внешней памяти хранится в двоичном представлении, что позволяет отрабатывать её без каких бы то ни было дополнительных преобразований. Поскольку скорость записи и считывание информации в устройствах внешней памяти намного ниже быстродействия центральных устройств, поскольку для их подключения к магистрали необходим контроллер. Как правило, в составе компьютера имеются несколько устройств внешней памяти. Для персонального компьютера это главным образом гибкие и жесткие магнитные диски, а также оптические диски.



3.2. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД).

- Предназначены для хранения небольших объемов информации

- Следует оберегать от сильных магнитных полей и нагревания 

- Это носители произвольного (прямого)  доступа к информации

- Используются для переноса данных с одного компьютера на другой

- Для работы с информации носитель должен быть отформатирован, т.е. должна быть произведена магнитная  разметка диска на дорожки и секторы

- Скорость обмена информации зависит от скорости вращения дисковода. Для обращения к диску, вставленному в дисковод, присваивается имя  А: 

- Объём ГМД сравнительно небольшой (3,5 дюйма - 1,44 Мбайт)

- Рекомендуется делать копии содержимого ГМД

Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. Поверхность диска покрыта специальным магнитным слоем (1- намагниченный участок, 0 – не намагниченный). Информация записывается с двух сторон диска на дорожки в виде концентрических окружностей. Дорожки разбиваются на секторы. Современные дискетки имеют программную разметку. На каждом секторе выделяется участок для его идентификации, а на остальное место записываются данные. Дисковод снабжен двумя двигателями. Один обеспечивает вращение внутри защитного конверта. Второй перемещает головку записи/чтения вдоль радиуса поверхности диска. В защитном конверте имеется специальное окно защиты записи. С помощью бегунка это окно открывают и дискета становится доступна только на чтение, а на запись доступа не будет. Это предохраняет информацию на диске от изменения и удаления.

3.3. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД).

- Предназначены для хранения той информации, которая наиболее часто используется в работе - программ операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных

- Следует оберегать от ударов при установке и резких перемещений в пространстве

- Это носители с произвольным доступом к информации

- Для хранения информации разбивается на дорожки и секторы

- Скорость обмена информации значительно выше ГД 

- Объём ЖД измеряется от Мбайт до сотен Гбайт

НЖМД встроены в дисковод и являются несъемными. Они представляют собой несколько алюминиевых дисков с магнитным покрытием, заключенных в единый корпус с электродвигателем, магнитными головками и устройством позиционирования. К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка, которая перемещается по радиусу диска с внешней стороны к центру. Во время работы дисковода диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации. Благодаря хорошей защищенности от пыли, влаги и других внешних воздействий достигают высокой плотности записи, в отличии от дискет.

Для обращения к НЖМД используется имя, задаваемое прописной латинской буквой, начиная с С:   , но с помощью специальной системной программы можно разбить свой физический ЖД на несколько логических дисков, каждому из которых дается соответствующее имя.

Накопители на жестких магнитных дисках часто называют винчестер - по первой модели ЖД, имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что совпало с калибром 30?/30? охотничьего ружья.



3.4. Оптические (лазерные) CD и DVD диски

- Предназначены для хранения любого вида информации

- Информацию на CD записывается с помощью лазерного луча

- Следует оберегать от царапин и загрязнения поверхности

- Это носители прямого (произвольного) доступа к информации

- Объем (ёмкость) CD составляет сотни Мбайт; DVD -более 1Гбайта

- Более долговечны и надежны, чем магнитные диски

CD – Compact Disk. Изготовляют из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация записывается  отдельными секторами мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как «1», впадины поглощают луч и, воспринимаются как «0». Это бесконтактный способ считывания информации.  Срок хранения 50-100лет

DVD – Digital Video Disk. Имеет те же размеры, что и CD. Объем - Гбайт. Может быть односторонним или двухсторонним, а на каждой стороне может быть 1 или 2 рабочих слоя.

3.5. Флеш - память

 Флеш - память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. 

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов. Распространена флэш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. 

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Flash-память относится к классу перепрограммируемых постоянно запоминающих устройств с электрическим стиранием информации.

Среди главных достоинств это памяти можно назвать следующие:

Энергонезависимость, т.е. способность хранить информацию при выключенном  питании (энергия расходуется только в момент записи данных);

- информация может храниться очень длительное время (десятки лет);

- сравнительно небольшие размеры;

- высокая надежность хранения данных, в том числе устойчивость к механическим нагрузкам;

- не содержит движущихся деталей (как в жестких дисках).

Основные недостатки флэш-памяти:

- невысокая скорость передачи данных (в сравнении с динамической оперативной памятью);

- незначительный объем (по сравнению с жесткими дисками); На конец 2008 г. основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш- памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 23 раза. В связи с этим и объёмы флеш - накопителей не так велики. Хотя работы в этих направлениях ведутся. Удешевляется технологический процесс, усиливается конкуренция. Многие фирмы уже заявили о выпуске SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.

- ограничение по количеству циклов перезаписи (хотя эта цифра в современных разработках очень высока – более миллиона циклов).


 



2