Память 

Память – это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и вы- дачи по запросу команд программы и данных. 

          Существует большое количество видов памяти, которые различаются по устройству, организации, функциям и т.д. Обычно выделяют внутреннюю и внешнюю память. Термины эти имеют историческое происхождение, связанное с конструкцией первых ЭВМ: одна часть памяти находилась внутри главного шкафа (в котором размещался процессор), а другая – вне его. 
          Внутренняя память предназначена для хранения программ и данных, которые используются для задач, решаемых в данный момент. А внешняя память служит для того, чтобы сохранить данные на длительный срок, пока они не потребуются, именно поэтому ее еще часто называют долговременной.

         Внутренняя память

 Внутренняя память – часть памяти компьютера, которая используется для хранения программ и данных во время решения задачи.

          Часто ее называют основной памятью. В состав внутренней памяти входят ОЗУ и ПЗУ. Внутренняя память строится в соответствии с базовыми принципами. Основное отличие внутренней памяти от внешней – произвольный доступ к отдельным ячейкам памяти по их адресам (обращение к внешней памяти происходит иначе, см. далее). Информация, хранящаяся в ОЗУ, считается временной (оперативной), поэтому пользователь должен сам сохранять необходимые данные во внешней памяти.

            Существуют два типа оперативной памяти, отличающиеся по технологии изготовления – статическая и динамическая. Первая строится на триггерах , а вторая – на полупроводниковых конденсаторах. Конденсатор намного проще и меньше триггера, так что на одном и том же кристалле можно сделать гораздо больше запоминающих элементов динамического типа, чем статического. Поэтому динамическая память имеет большую емкость и меньшую стоимость, чем статическая. К сожалению, у нее есть очень существенный недостаток: она работает намного медленнее статической. Сейчас в персональных компьютерах используется динамическая оперативная память.. 

          Внутри компьютеров семейства IBM PC есть еще один особый вид памяти – память конфигурации (CMOS-память). В ней хранятся разнообразные настройки аппаратного обеспечения, а также часы и календарь, благодаря которым компьютер всегда знает текущую дату и время. Данные сохраняются благодаря питанию от небольшой батарейки. CMOS-память – это особая память, которая не входит в адресное пространство внутренней памяти. Поэтому к ней невозможно обратиться просто по адресу, и в этом смысле она скорее похожа на внешнюю память. Для работы с памятью конфигурации в ПЗУ современного ПК предусмотрена специальная программа (она называется BIOS Setup), причем работать с ней можно только до загрузки операционной системы (при включении компьютера).

Внешняя память

 Внешняя память – часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
      К внешней памяти относятся разнообразные устройства хранения данных, начиная от накопителей на магнитных дисках и кончая современными внешними запоминающими устройствами на основе полупроводниковой флэш-памяти. 
         Любой тип внешней памяти состоит из некоторого носителя информации (например, диска или полупроводникового кристалла) и электронной схемы управления (контроллера). 
          Компьютерный носитель информации – это средство длительного хранения данных в компьютерном формате. Носитель может быть съемным (как в накопителях на оптических дисках), а может быть помещѐн внутрь неразборного устройства (жесткий магнитный диск – винчестер). 
         В переносных устройства внешней памяти, например, во внешних винчестерах и флэш-накопителях, носитель и схема управления объединены в единый блок. Такие устройства подключаются к компьютеру снаружи через разъем. 
          Центральный процессор не может непосредственно обращаться к данным на носите- ле, он работает с ними через контроллер внешней памяти. На рисунке схематично показано, как читаются данные с внешнего носителя информации в ОЗУ.

         Для связи с контроллером процессор использует порты –  регистры контроллера, к которым процессор может обратиться по номеру. Процессор передает контроллеру «задание» на передачу данных, и контроллер берет руководство процессом на себя. В это время цен- тральный процессор может параллельно выполнять программу дальше или решать другую задачу. Таким образом, выполнить чтение (и запись) данных из внешней памяти гораздо сложнее, чем из внутренней памяти

    Для внешней памяти характерны следующие черты: 

• обменом данными управляют контроллеры; 
• прежде чем процессор сможет непосредственно использовать программу или данные, хранящиеся во внешней памяти, их нужно предварительно загрузить в ОЗУ;  
•  данные располагается блоками (на дисках их принято называть секторами);
• блок данных читается и пишется как единое целое, что существенно ускоряет процедуру обмена; работать с частью блока невозможна.

     В качестве  внешней  памяти  используются  самые разные носители. Первоначально программы и данные  сохранялись  на  бумажных  перфокартах  и перфолентах. Подписанные обычной ручкой или карандашом, они сортировались программистами вручную. Затем произошел переход к магнитным носителям: магнитным лентам, барабанам и дискам.

                                                             перфокарта

      Следующей технологией хранения информации стали оптические компакт-диски (англ. CD = Compact Disk). При записи данных (одним из способов) луч лазера «выжигает» на поверхности диска дорожку, в которой чередуются впадины и возвышения. При считывании также применяется луч лазера, только меньшей интенсивности, чтобы не раз- рушить данные. Для распознавания нулей и единиц используется различное отражение от перепадов глубины и ровной поверхности диска. В отличие от магнитных дисков, где информация хранится в виде на отдельных замкнутых дорожках, данные на оптическом дис- ке записываются вдоль непрерывной спирали, как на старых грампластинках27. 
         Сейчас широко используются оптические диски следующих поколений: DVD (англ. Digital Versatile Disk – цифровой многоцелевой диск, емкость до 17 Гбайт) и Blu-ray-диски (емкостью до 66 Гбайт). Они имеют тот же диаметр, что и CD-диски, но для повышения плотности записи используют лазер с меньшей длиной волны.
          Наконец, последнее достижение в области устройств внешней памяти – запоминающие устройства на базе флэш-памяти. В ней нет движущихся частей, а носителем информации служит полупроводниковый кристалл. Данные во флэш-памяти обновляются только блоками, но для устройств внешней памяти это вполне естественно. Максимальное количество перезаписей данных для каждого блока хотя и велико, но все же ограничено. Поэтому встроенный контроллер при записи использует специальный алгоритм для выбора свободных блоков, стараясь загружать сектора диска как можно более равномерно. Кроме широко распространенных флэш-дисков («флэшек»), этот вид памяти используется в картах памяти для фотоаппаратов, плееров и сотовых телефонов, а также в твердотельных винчестерах . Напомним, что ПЗУ также может изготовляться на базе флэш-памяти.  

                                                                       Флэш-карта


      Взаимодействие разных видов памяти

Иерархия памяти.
Кэширование.

 Самая  быстрая  (и  очень небольшая) память –  это регистры процессора.  Гораздо больше по объему, но заметно медленнее, внутренняя память (ОЗУ и ПЗУ). Далее следует огромная, но еще более медленная внешняя память. Наконец, последний уровень – это данные, которые можно получить из компьютерных сетей.

              Для редактирования файла с диска (внешняя память) программа обработки загружает его в ОЗУ (внутренняя память), а конкретные символы, с которыми в данные доли секунды работает процессор, «поднимаются» по иерархии выше – в регистры процессора.      
           Производительность компьютера в первую очередь зависит от «верхних» уровней памяти – процессорной памяти и ОЗУ. Быстродействие процессоров значительно выше, чем скорость работы ОЗУ, поэтому процессору приходится ждать, пока до него дойдут данные из оперативной памяти. Чтобы улучшить ситуацию, между процессором и ОЗУ добавляют еще один слой памяти, который называют кэш-памятью (от англ. cache – тай- ник, прятать). 

Кэш-память – это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счѐт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним

         Кэш-память – это статическая память, которая работает значительно быстрее дина- мического ОЗУ. В ней нет собственных адресов, она работает не по фон-неймановскому принципу адресности. При чтении из ОЗУ процессор обращается к контроллеру кэш-памяти, который хра- нит список всех ячеек ОЗУ, копии которых находятся в кэше. Если требуемый адрес уже есть в этом списке, то запрашивать ОЗУ не нужно, и контроллер передает процессору значение, связанное (ассоциированное) с этим адресом. Такой принцип организации памяти называется ассоциативным. 

      Если нужных данных нет в кэш-памяти, они читаются из ОЗУ, но одновременно по- падают и в кэш – при следующем обращении их уже не нужно читать из ОЗУ.

 




        Подчеркнем, что термин «кэширование» в вычислительной технике имеет довольно широкий смысл: речь идет о сохранении информации в более быстродействующей памяти с целью повторного использования. Например, браузер кэширует файлы, полученные из Интернета, сохраняя их на винчестере в специальной папке. В накопителе на жестком диске также используется кэширование. Таким образом, кэш может быть организован как с помощью аппаратных средств (кэш процессора), так и программно (кэш браузера).

         Основные характеристики памяти 

   Информационная емкость – это максимально возможный объем данных, который мо- жет сохранить данное устройство памяти.
       
            Емкость памяти измеряется в тех же самых единицах, что и объем информации, т.е. в битах, байтах и производных единицах (чаще всего – в мегабайтах или гигабайтах). 
            Для дисков часто говорят о форматированной и неформатированной емкости. Первая величина – это объем «полезной» памяти, а вторая включает еще и ту область диска, которую занимает служебная разметка. 
             Для оценки быстродействия памяти используют несколько величин. Любая операция обмена данными включает не только саму передачу данных, но и подготовительную часть. Это может быть, например, поиск нужного сектора диска или установка адреса внутри микросхемы ОЗУ. Время подготовки соизмеримо со временем передачи, так что пренебрегать им нельзя. Общее время обмена данными от начала подготовки до окончания передачи называют временем доступа. 

 Время доступа – интервал времени от момента посылки запроса информации до момента получения результата на шине данных. 

        При измерении этой величины обычно рассматривают самый сложный случай, когда данные считываются или записываются в случайных местах памяти. На практике байты или сектора часто читаются по порядку, поэтому время ввода или вывода уменьшается. 
          Для ОЗУ время доступа измеряется в наносекундах (1 нс = 10-9  с), а для винчестеров – в миллисекундах (1 мс = 10-3 с). Такая разница связана с тем, что дисковод должен сначала переместить считывающую головку в нужное положение. Поскольку устройства внешней памяти работают с целыми блоками данных, для их характеристики требуется какой-то дополнительный показатель. 

Средняя скорость передачи данных – это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (т.е. без учета подготовительной стадии).

        Эта характеристика обычно измеряется в мегабайтах в секунду (Мбайт/с). 
        Для оценки стоимости памяти используют отношение стоимости модуля памяти к его информационной емкости. Часто говорят о стоимости одного бита или стоимости одного гигабайта. Для дисковых накопителей часто указывают частоту вращения (в оборотах в минуту). Чем быстрее вращается диск, тем выше может быть скорость считывания и записи.