Электронная память

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Электронная память»

Электронная память применяется практически во всех подсистемах РС.

Основная или оперативная память (Mаin Memory) компьютера используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например дисковой) и периферийными подсистемами (графика, ввод, вывод, коммуникации и т.п.)

Ее другое название - ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - примерно соответствует английскому термину RAМ (Random Access Memory) память с произвольным доступом.

Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи или чтения с любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке.

Требования, предъявляемые к основной памяти:

большой (для электронной памяти) объем, исчисляемый единицами, десятками и даже сотнями мегабайт;

быстродействие и производительность, позволяющие реализовать вычислительную мощность современных процессоров;

высокая надежность хранения данных, ошибка даже в одном бите в принципе может привести и к ошибкам вычислений, и к искажению и потере данных, иногда и на внешних носителях.

Кэш-память (Cache Memory) - сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и его «клиентами» -- процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины.

Кэш-память не является самостоятельным хранилищем, информация в ней не адресуема клиентами подсистемы памяти, присутствие кэш для них «прозрачно». Кэш хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено кэш-памятью существенно быстрее, чем оперативной памятью. От эффективности алгоритма кэширования зависит вероятность нахождения затребованных данных в кэш-памяти и, следовательно, выигрыш в производительности памяти и компьютера в целом. Кэш в современных компьютерах строится по двухуровневой схеме:

- Первичный кэш, или L1 Cache (Level 1 Cache) - кэш 1 уровня, внутренний (Inter nal, Integrated) кэш процессоров класса 486 и старше, а также некоторых моделей 386.

- Вторичный кэш, или L2 Cache (Level 2 Cache) -- кэш 2 уровня. Обычно это внешний (External) кэш, установленный на системной плате. В Pentium Рго и Pentium II вторичный кэш расположен в одном корпусе с процессором. Дополнительный кэш на системную плату уже не устанавливается. Кэш, установленный на системной плате компьютера с процессором 386, не имеющем внутреннего кэш, является первичным (и единственным). оперативный память компьютер процессор

Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации - BIOS, таблиц знакогенераторов и т. п. Эта память при обычной работе компьютера только считывается, а запись в нее (часто называемая программированием) осуществляется специальными устройствами -- программаторами. Отсюда и ее название -- RОМ (Read Only Memory -- память только для чтения) или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Требуемый объем памяти этого типа невелик, например, BIOS PC/XT помещалась в 8 Кбайт, в современных компьютерах типовое значение -- 128 Кбайт. Быстродействие постоянной памяти обычно ниже, чем оперативной. С этим фактом приходится мириться, а для повышения производительности содержимое RОМ копируется в ОЗУ, и при работе используется только эта копия -- теневая память (Shadow RОМ). В последние годы постоянную память стала вытеснять энергонезависимая память (ЕЕРRОМ и флэш-память), запись в которую возможна и в самом компьютере в специальном режиме работы.

Полупостоянная память в основном используется для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами-календарем (СМ0S Меmогу и СМ0S RТС) имеет объем несколько десятков байт, ЕSСD -- (Extended Static Configuration Data) область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play

-- имеет объем несколько килобайт. Сохранность данных полупостоянной памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память --VN RAM (Non-Volatile RAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания. Буферная память различных адаптеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно является разделяемой между процессором (точнее, абонентами системной шины) и контроллерами устройств. К этой памяти относятся и 16-байтные FIFO-буферы СОМ-портов, и 16-мегабайтные (и более) кэш-буферы высокопроизводительных SCSI-адаптеров.

Специфическим примером буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера, которая используется для построения растрового изображения и его постоянного циклического вывода на монитор (регенерации изображения). Необходимый объем определяется видеорежимом и типом графического адаптера, для текстового режима МDА было достаточно 4 Кбайт, SVGA в режимах высокого разрешения требует нескольких мегабайт видеопамяти. Специфика работы видеопамяти заключается в необходимости обращения к ней со стороны центрального процессора или графического акселератора одновременно с непрерывным процессом регенерации изображения.

Электронная память применяется и в качестве внешней памяти -- накопителях Flash Drive для блокнотных ПК и автономных контроллеров. Широкому распространению этих сверхбыстродействующих «дисков» препятствует очень высокая на сегодняшний день стоимость хранения информации.

В зависимости от требований конкретной подсистемы эта память реализуется на микросхемах с различными принципами хранения информации, которые и будут рассмотрены в данной главе.

Электронная память, применяемая в компьютерах, фотоаппаратах и любых других цифровых устройствах, подразделяется на два типа -- динамическую и статическую. Действие динамической памяти основано на способности пары проводников, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, накапливать и сохранять электрический заряд. Ячейка микросхемы памяти представляет собой миниатюрный конденсатор с изоляционной прокладкой между электродами. При подаче тока на ячейку памяти на одном из электродов накапливается потенциал положительной, на другом - отрицательной направленности. Наличие электрического заряда на выводах ячейки распознается компьютером как 1 бит -- минимально возможная единица информации. Каждой ячейке микросхемы памяти присвоен постоянный адрес. Таким образом, контроллер памяти сканирует ячейки и считывает биты информации. При этом наличие заряда на выводах ячейки интерпретируется как логическая единица, отсутствие заряда как логический нуль. Последовательность логических нулей и единиц составляет цифровой код, используемый компьютером для считывания и дальнейшей обработки информации.

Время, в течение которого микроскопические конденсаторы ячеек способны сохранять заряд, очень невелико - всего несколько миллисекунд. Поэтому контроллер памяти постоянно (то есть динамически, отсюда название) подзаряжает конденсаторы ячеек, обновляя таким образом содержимое памяти. Этот тип памяти является энергозависимым, потому что при обесточивании компьютера обновление содержимого ячеек памяти прекращается, конденсаторы разряжаются и информация уничтожается. От прочих типов электронной памяти динамическая память отличается высоким быстродействием. Поэтому в компьютерах она применяется в качестве оперативного запоминающего устройства ОЗУ, или RAM (Random Access Memory память с произвольным доступом). В цифровом фотоаппарате динамическая память выполняет функции быстродействующего буфера, в который записываются снимки, считанные с сенсора и оцифрованные встроенным компьютером камеры. Благодаря наличию буферной памяти, фотоаппарат готов к съемке следующего кадра сразу после перезаписи предыдущего снимка на сменную карту флэш-памяти.

От размера буферной памяти напрямую зависит быстродействие цифрового фотоаппарата, также способность работать качестве видеокамеры для съемки видеороликов. Что такое видеоряд? Последовательность кадров, от снятых с частотой, при которой смена кадров не будет заметна человеческому глазу от 16 до 24 кадров в секунду. Если объем буферной памяти позволяет, то фотоаппарат снимает последовательность кадров с пониженным разрешением, формируя таким образом видеоряд. Правда, буферной памяти обычно хватает всего лишь на несколько десятков кадров, видео ролик получается непродолжительным около 20-30 секунд (у дорогих фотоаппаратов может быть и больше). При этом частота смены кадров не превышает 10-12 в секунду. То есть видеоролик получается явно не кинематографического качества, но вполне достаточного, чтобы фотограф попробовал свои силы в цифровом видеомонтаже. Изменить объем установленной в камеру буферной памяти невозможно, поскольку микросхемы впаяны в системную-плату фотоаппарата.

Другой тип электронной памяти - статический. Принцип действия статической памяти напоминает работу обычного переключателя. Если контакты переключателя замкнуть, ток беспрепятственно пройдет через выводы ячейки памяти и компьютер расценит это как логическую единицу. Если контакты разомкнуть, прохождение тока прекратится, компьютер расценит это как логический нуль.

В первых компьютерах в качестве ячеек статической памяти использовались электромеханические переключатели реле. В современных микросхемах ячейки статической памяти - это обычные проводники, часть из которых разрушается при программировании специальными приборами-программаторами. Подобные микросхемы статической памяти широко используются качестве постоянного запоминающего устройства ПЗУ, или RAM (Read-Only Memory память только для чтения). Пример - картриджи игровых приставок Sega Genesis, микросхемы которых при производстве картриджей записывается игровая программа. Перепрограммировать микросхему памяти повторно невозможно. Кроме одноразовых микросхем ПЗУ, программируемых при их производстве, выпускаются микросхемы статической памяти многоразового использования EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory стираемые программируемые только для чтения). Записанную в ячейки микросхемы EPROM информацию можно стереть светом ультрафиолетового спектра и затем переписать заново.

Кроме одноразовых микросхем ПЗУ, программируемых при их производстве, выпускаются микросхемы статической памяти многоразового использования EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory стираемые программируемые только для чтения). Записанную в ячейки микросхемы EPROM информацию можно стереть светом ультрафиолетового спектра и затем переписать заново. Статическая память относится энергонезависимому типу. Микросхеме статической памяти для сохранения записанной в нее информации не требуется питание, а сама записанная информация может храниться неограниченное время. Именно к статическому типу относится и перезаписываемая флэш-память.

Название "флэш-память" (от "flash" - вспышка) микросхемы этого типа получили от разработчика, компании Toshiba. Вероятно, название отражает особенности работы электронной флэш-памяти - информация записывается только при подаче электрического сигнала на выводы ячеек и сохраняется при обесточивании. В микросхеме флэш-памяти использована способность полупроводниковых приборов - транзисторов сохранять свое состояние при обесточивании. При подаче на базу транзистора потенциала определенной полярности, транзистор либо открывается, пропуская ток через эмиттер и коллектор, либо закрывается, препятствуя прохождению тока. Это состояние сохраняется до тех пор, пока на базу транзистора явным образом не будет подан потенциал обратной полярности.

Это весьма схематическое описание принципа действия флэш-памяти ни коим образом не раскрывает сути всех процессов, происходящих в микросхемах памяти этого типа, но дает общее представление о работе "цифровой пленки". Технология производства флэш-памяти совершенствуется день ото дня. Повышается надежность хранения информации, растет емкость микросхем, уменьшается их стоимость. Являясь твердотельными электронными накопителями информации, в будущем микросхемы флэш-памяти вытеснят привычные сегодня жесткие диски, поскольку по показателям надежности эти устройства просто несопоставимы. Электронная память не содержит никаких механических узлов, потому здесь напрочь отсутствует возможность механического износа. Этим и объясняется небывалая популярность флеш драйвов, миниатюрных накопителей на основе флэш-памяти для порта USB.

Электронная память ПК

Электронная память применяется практически во всех подсистемах ПК. Под памятью ЭВМ понимают устройства, служащие для запоминания, хранения и представления информации. Такие устройства называются также запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность и вычислительные возможности ПК в значительной мере определяются организацией и характеристиками имеющийся у нее памяти. Так как стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ПК, то в целях оптимального сочетания объема, быстродействия и стоимости память строится по иерархическому принципу, включая несколько типов памяти, отличающихся организацией, характеристиками и назначением. В качестве основных характеристик памяти будем рассматривать ее объем в байтах и время доступа (запись/чтение) в микро- и наносекундах (мкс и нс). Под шириной доступа понимают объем считанной/записанной за одно обращение к памяти информации. В зависимости от типа памяти этот объем может составлять один байт, машинное слово или группу байтов. Именно время и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ.

Согласно сказанному, память современных ЭВМ в общем случае имеет многоуровневую организацию: внутренняя {сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП} и внешняя (НМД, НГМД, НМЛ и др.) память.

Рассмотрим пока только внутреннюю память как основную компоненту каждой ЭВМ. Сверхоперативная (регистровая) память и ПЗУ рассматривалась выше; здесь сделаем лишь несколько дополнений относительно ПЗУ. ПЗУ и их разновидности, например, программируемые логические матрицы (ПЛМ) широко используются для построения управляющих программных или микропрограммных памятей и различных логических комбинационных схем ЭВМ и систем автоматики. В результате современной полупроводниковой технологии ПЗУ стали компактными и их электронные схемы проще, чем для ОП.

Еще один важный элемент из числа устанавливаемых на системной плате, это микросхема BIOS (Basic Input-Output System, базовая система ввода-вывода). Она представляет собой энергонезависимое постоянное запоминающее устройство, в которое записаны программы, реализующие функции ввода-вывода, а также программа тестирования компьютера в момент включения питания (POST, Power-On-Self-Test) и ряд других специальных программ.

В своей работе BIOS опирается на сведения об аппаратной конфигурации компьютера, которые хранит еще одна микросхема -- CMOS RAM (Com-plementary Metal-Oxide-Semiconductor RAM). Это энергозависимая полупостоянная память, постоянно питается от батарейки, которая тоже находится на системной плате. Та же батарейка питает и схему кварцевых часов, непрерывно отсчитывающих время и текущую дату. К полупостоянной памяти относится также ESCD ? (Extended Static Configuration Data) область энергонезависимой памяти, используемой для конфигурирования устройств Plug and Play.

Буферная память различных адаптеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно является разделяемой между процессором и контроллерами устройств.

Специфическим примером буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера, которая используется для построения растрового изображения и его постоянного циклического вывода на монитор (регенерация изображения). Необходимый объем определяется видеорежимом и типом графического адаптера, для текстового режима MDA, было достаточно 4 Кбайт, для SVGA в режимах высокого разрешения требуется несколько мегабайт видеопамяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или оперативная память (по-английски RAM, Random Access Memory, память с произвольным доступом, то есть возможны и чтение, и запись) реализована на СБИС. Скорость доступа, то есть время, необходимое для считывания данных из ОЗУ или записи их туда, у современных ОЗУ составляет около 60 нс. (60?10-9 с).

Существуют два типа СБИС памяти: статическая (SRAM Static RAM) и динамическая.(DRAM Dynamic RAM).

В первых элементарную ячейку образуют так называемые схемы триггеров. Будучи установлена входным импульсом в одно из двух возможных состояний ("О” или "1”), такая схема сохраняет его до очередного импульса или до выключения питания. При считывании записанного в ячейку значения ее состояние тоже не изменяется. Иначе работает динамическая память: она состоит из микроскопических конденсаторов, каждый из которых может пребывать в состоянии "заряжен” (что символизирует двоичную единичку) или "не заряжен” (двоичный ноль). Чтобы сохранять данные в такой памяти, заряженные конденсаторы необходимо периодически "подпитывать”. Поэтому динамическое ОЗУ при прочих равных условиях существенно медленнее статического. Но зато оно менее энергоемко. Следует подчеркнуть, что оба вида памяти хранят данные лишь при постоянном электропитании. Про такое запоминающее устройство говорят, что оно энергозависимо. Данные в этой памяти стираются после выключения или перезагрузки компьютера.

Конструктивно современная СБИС ОЗУ (например, SIMM, single in-line memory module) представляет собой небольшую печатную плату с размещенными на ней микросхемами. В последнее время в основном применяются 72-контактные (72-pin) З2-битовые модули (32 бита -- длина слова из четырех байт плюс по биту контроля четности на каждый байт).

Оперативная память служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты), непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ, и УУ процессора.

Способ организации ОП зависит от методов размещения и поиска информации в ней. По данным признакам различают адресную, ассоциативную и стековую память. Адресная память характеризуется тем, что размещение и поиск информации в ней основаны на адресном принципе хранения слова; адресом слова является номер содержащей его ячейки. При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер (адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры. Ассоциативная память обеспечивает поиск нужной информации не по ее адресу в ОП, а по ее содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой тип памяти позволяет существенно упростить и ускорить обработку информации, что достигается за счет совмещения операции доступа с выполнением ряда логических операций. В ассоциативной памяти могут выполнятся достаточно сложные операции логического поиска. Подобно предыдущей стековая память также является безадресной и ее можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг с другом последовательной передачей слов: запись нового слова в ОП производится в ее верхнюю ячейку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячейку вниз, т.е. получают адрес на 1 больше прежних (до операции записи). Считывание в такого рода памяти производится только из ее 0-ячейки; при этом если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. Стековая память реализует LIFO-принцип доступа: Last Input First Output (Последним пришел, первым вышел). Для организации доступа (чтение/запись) к информации, хранящейся в ОП необходимо располагать эффективными механизмами адресации (прямая, косвенная, укороченная, регистровая, стековая, теговая и др.), зависящей от типа памяти и системы команд ЭВМ.

Размещено на Allbest.ru