Классификация основных видов памяти персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ

ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ

Информатика

Классификация основных видов памяти персонального компьютера



Введение

Актуальность данной темы налицо. Сегодня невозможно себе представить ни одной области человеческой жизнедеятельности, в которой компьютерная техника не была бы хоть как-то задействована. А в экономической сфере компьютер жизненно необходим. И ,по моему мнению, каждый человек, работа которого каким бы то ни было образом связана с компьютером, должен хотя бы приблизительно представлять устройство и принцип работы ПК. А без рассмотрения компьютерной памяти работу ЭВМ описать практически невозможно. Ведь, по сути, работа персонального компьютера основана на хранении различной информации в памяти, обмене этой информацией и перемещении её.



1. Память (общие сведения)

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память".

Основной характеристикой памяти является емкость.

Емкость памяти - это максимальный объем хpанимой инфоpмации, измеpяемой в байтах.

Память ЭВМ постpоена из двоичных запоминающих элементов - битов (от binary digit - двоичная цифpа), объединенных в гpуппы по 8 битов, котоpые называются байтами. Все байты пронумерованы. Hомеp байта называется адpесом. Каждый байт информации доступен по указанию его адреса. Адресная шина процессора находит требуемую ячейку памяти по указанному процессором адресу. Т.о. адресация памяти процессором ограничена разрядностью адресной шины и равна двум в степени разрядности адресной шины: для

8080 - 2^20=1 Мегабайт

80286 - 2^24=16 Мегабайт

80386 и т.д. - 2^32= 4 Гигабайт

Единицы измеpения инфоpмации:

1 байт - 8 бит

1 Килобайт - 1024 байта

1 Мегабайт - 1024 Кбайта

1 Гигабайт - 1024 Мбайта

1 Теpабайт - 1024 Гбайта

В ПК существует два вида памяти: внутpенняя и внешняя.

1.1 Внутренняя память

Внутренняя память - это память, к которой процессор может обратиться непосредственно в процессе работы и немедленно использовать ее.

К внутpенней памяти относятся:

Постоянная память (ПЗУ или ROM - Read Only Memory) - используется для хpанения данных, котоpые никогда не тpебуют изменения.

Содеpжимое памяти заносится на заводе-изготовителе.

В ПЗУ записывают пpогpамму упpавления pаботой пpоцессоpа, пpогpамму упpавления монитоpом, клавиатуpой, пpинтеpом, внешней памятью, пpогpаммы запуска и остановки ПК, тестиpования устpойств.

Инфоpмация, занесенная в ПЗУ пpедназначена только для чтения (read only). Вся информация, хранимая в ПЗУ энергонезависима, т.е. при выключении ПК она сохраняется. Объем ПЗУ невелик - измеряется в килобайтах. Микросхемы ПЗУ устанавливаются на "материнской" плате, расположенной в системном блоке.

Опеpативная память (ОЗУ или RAM -Random Acscess Memory) - этот вид памяти пpедназначен для временного хpанения информации и содержит обрабатываемые процессором в данный момент программы и данные. Распределение этой памяти осуществляется автоматически в процессе исполнения программ, которые перед началом работы загружаются в ОЗУ с жесткого диска или дискеты.

Это энеpгозависимый вид памяти - пpи выключении ПК содеpжимое памяти стиpается. Объем опеpативной памяти - от 8 до 64 Mb. Модули ОЗУ находятся на "материнской" плате.

КЭШ-память (cache) - это свеpхопеpативная память, пpедназначенная для обмена данными между пpоцессоpом и ОЗУ, т.е. является буфеpом между ними. Используется для вpеменного хpанения пpомежуточных данных.

МП <--> КЭШ <--> ОЗУ

Hаличие КЭШ-памяти увеличивает пpоизводительность ПК. Объем КЭШ-памяти зависит от объема опеpативной памяти. КЭШ-память может иметь объем: 64, 128, 256, 512 Kb. Для ОЗУ в 8 Mb достаточно КЭШ pазмеpом 256 Kb, для ОЗУ в 16 Mb - 512 Kb.

1.2 Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) - это вид памяти, пpедназначенный для долговpеменого хpанения инфоpмации. Этот вид памяти обладает большим объемом и маленьким быстpодействием.

Классификация оперативной памяти (ОЗУ)

Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре (“Информатика в понятиях и терминах”), созданных в сороковых -- в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому автор приводит некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям.

Энергозависимая и энергонезависимая память

ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее время работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов -- ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного поля носит практически прямоугольный характер.

Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов

Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) Поэтому, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой -- более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных.

Полупроводниковая память

В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это значит, что при выключении питания ее содержимое теряется.

Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются:

малая рассеиваемая мощность;

высокое быстродействие;

компактность.

Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных компьютеров.



2. SRAM и DRAM

Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Прежде, чем объяснять разницу между ними, рассмотрим эволюцию полупроводниковой памяти за последние сорок лет.

2.1 Триггеры

Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние [Информатика в понятиях и терминах/М., Просвещение, 1991 г. -- 208 с.: ил. -- стр. 91]. Таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Любой триггер можно создать из трех основных логических элементов: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому все, что относится к элементной базе логики, относится и к триггерам. Сама же память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM)

2.2 Элементная база логики

РТЛ --резистивно-транзисторная логика. Исторически является первой элеентной базой логики, работающей на ЭВМ второго поколения. Обладает большой рассеивающей мощностью (свыше 100 мВт на логический элемент). Не применялась уже в ЭВМ третьего поколения.

ТТЛ, или Т2Л --транзисторно-транзисторная логика. Реализована на биполярных транзисторах. Использовалась в интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Обладает временем задержки сигнала в логическом элементе 10-- нс, а потребляемая мощность на элемент --10 мВт

ТТЛ-Шотки -- это модификация ТТЛ с использованием диода Шотки. Обладает меньшим временем задержки (3 нс) и высокой рассеиваемой мощностью (20 мВт).

ИИЛ, или И2Л --интегральная инжекторная логика. Это разновидность ТТЛ, базовым элементом которой являются не биполярные транзисторы одного рода (pnp или npn), а горизонтально расположенного p+n+p транзистора и вертикально расположенного npn транзистора. Это позволяет создать высокую плотность элементов на БИС и СБИС. При этом потребляемая мощность равна 50 мкВт на элемент и время задержки сигнала --10 нс.

ЭСЛ --логические элементы с эмиттерными связями. Эта логика также построена на биполярных транзисторах. Время задержки в них --0,5 --2 нс, потребляемая мощность --25 --50 мВт.

Элементы на МДП (МОП) --транзисторах. Это схемы, в которых биполярные транзисторы заменены на полевые. Время задержки таких элементов составляет от 1 до 10 нс, потребляемая мощность --от 0,1 до 1,0 мВт.

CMOS) КМОП --логика (комплементарная логика.) В этой логике используются симметрично включенные n-МОП и p-МОП транзисторы. Потребляемая мощность в статическом режиме --50 мкВт, задержка --10 --50 нс.

Как видно из этого обзора, логика на биполярных транзисторах самая быстрая, но одновременно самая дорогая и обладает высокой мощностью рассеяния (и значит -- лучше “греется”.) При прочих равных условиях логика на полевых транзисторах более медленная, но обладает меньшим электропотреблением и меньшей стоимостью.

2.3 SRAM. Замечания

Из предыдущего раздела Вы узнали, что является элементной базой статического ОЗУ. Как Вы уже поняли, статическое ОЗУ -- дорогой и неэкономичный вид ОЗУ. Поэтому его используют в основном для кэш-памяти, регистрах микропроцессорах и системах управления RDRAM (смотри раздел B.3.3.5).

2.4 DRAM. Что это такое?

Для того, чтобы удешевить оперативную память, в 90-х годах XX века вместо дорогого статического ОЗУ на триггерах стали использовать динамическое ОЗУ (DRAM). Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор. Как известно, конденсатор способен некоторое время “держать” на себе электрический заряд. Обозначив “заряженное” состояние как 1 и “незаряженное” как 0, мы получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени (который зависит от качества материала и технологии его изготовления), то его необходимо периодически “подзаряжать” (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие “динамическая” для этого вида памяти.

За 10 лет, прошедших со времени создания первых микросхем DRAM, их развитие шло "семимильными" шагами по сравнению с SRAM. Эволюция DRAM рассматривается в следующем подразделе.



3. Классификация оперативной памяти (ОЗУ)

Конструктивные особенности.

Динамическое ОЗУ со времени своего появления прошло несколько стадий роста, и процесс ее совершенствования не останавливается. За свою десятилетнюю историю DRAM меняла свой вид несколько раз. Вначале микросхемы динамического ОЗУ производились в DIP-корпусах. Затем их сменили модули, состоящие из нескольких микросхем: SIPP, SIMM и, наконец, DIMM и RIMM. Рассмотрим эти разновидности поподробнее.

3.1 Устаревшие модификации

Рис. 3.1. Модуль памяти DIP

DIP- корпус --это исторически самая древняя реализация DRAM. DIP-корпус соответствует стандарту IC. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты (см. рисунок 3.1.).

Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются так называемыми банками. Банки бывают на 64, 256 Кбайт, 1 и 4 Мбайт. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка.

Чипы памяти бывают одно и четырехразрядными, и иметь емкость 64 Кбит, 256 Кбит, 1 и 4 Мбит. Обозначение разновидностей микросхем памяти в DIP-корпусах показано в таблице [Р. Вебер, стр. 46--].

Следует отметить, что памятью с DIP-корпусами комплектовались персональные компьютеры с микропроцессорами i8086/88, i80286 и, частично, i80386SX/DX. Установка и замена этого вида памяти была нетривиальной задачей. Мало того, что приходилось подбирать чипы для банков памяти одинаковой разрядности и емкости. Приходилось прилагать усилия и смекалку, чтобы чипы правильно устанавливались в разъемы. К тому же необходимо было не разрушить контакты механически, не повредить их инструментом, статическим электричеством, грязью и т.п. Поэтому уже в компьютерах с процессором i80386DX эти микросхемы стали заменять памяти SIPP и SIMM.

SIPP (SIP) --модули памяти

Одной из незаслуженно забытых конструкций модулей памяти являются SIPP-модули. Эти модули представляют собой маленькие платы с несколькими напаянными микросхемами DRAM.

SIPP является сокращением слов Single Inline Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью контактных штырьков. Под контактной колодкой находятся 30 маленьких штырьков (смотри рисунок B.3.3.), которые вставляются в соответствующую панель системной платы ([Вебер,] стр. 49--).

Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом. По мнению автора, этот вид модулей лидировал по простоте их установки на системную плату.

3.2 SIMM-модули

Рис. 3.4. Модуль памяти SIMM (30pin)

Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов.) Он включает в себя все то, что для DIP называлось банком (смотри подраздел B.3.1.1.)

Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с помощью колодок (см. рисунок B.3.5.)

Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволит поставить их неправильным образом ([Вебер,] стр. 47--.)

Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины).

Сравнение SIMM-модулей

SIMM-модули в своем развитии прошли два этапа. Первыми представителями SIMM-модулей были 30-пиновые SIMM FPM DRAM. Их максимальная частота работы -- 29 МГц. Стандартным же временем доступа к памяти считалось 70 нс. Эти модули уже с трудом работали на компьютерах с микропроцессорами i80486DX2, и были вытеснены сначала 72-пиновыми FPM DRAM, а затем EDO RAM.

Модуль памяти SIMM (72pin)

SIMM EDO RAM имеют только 72 пина и могут работать на частоте до 50 МГц. Этими модулями памяти оснащались компьютеры с процессорами Intel 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro и Pentium MMX, а также AMD 80586 и K5. Эти модули устанавливались на платах с чипсетом Intel 440TX, 440EX, 440LX, 450NX; VIA Apollo MVP 3/4, Pro/Pro+; ALI Alladin 4/4+/V/PRO II, ALI Alladin TNT2.

В настоящее время SIMM-модули, как 30-pin, так и 72-pin не удовлетворяют по своим характеристикам требованиям новых шин и процессоров. Поэтому они все активнее заменяются модулями DIMM [Евгений Калугин Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 --стр. 166--.]

Причины повышения скорости работы EDO RAM.

Не смотря на небольшие конструктивные различия, и FPM, и EDO RAM делаются по одной и той же технологии, поэтому скорость работы должна быть одна и та же. Действительно, и FPM, и EDO RAM имеют одинаковое время считывания первой ячейки -- 60--70 нс. Однако в EDO RAM применен метод считывания последовательных ячеек. При обращении к EDO RAM активизируется не только первая, но и последующие ячейки в цепочке. Поэтому, имея то же время при обращении к одной ячейке, EDO RAM обращается к следующим ячейкам в цепочке значительно быстрее. Поскольку обращение к последовательно следующим друг за другом областям памяти происходит чаще, чем к ее различным участкам (если отсутствует фрагментация памяти), то выигрыш в суммарной скорости обращения к памяти значителен. Однако даже для EDO RAM существует предел частоты, на которой она может работать. Несмотря ни на какие ухищрения, модули SIMM не могут работать на частоте локальной шины PCI, превышающей 66 МГц. С появлением в 1996 году процессора Intel Pentium II и чипсета Intel 4 0BX частота локальной шины возросла до 100 МГц, что заставило производителей динамического ОЗУ перейти на другие технологии, прежде всего DIMM SDRAM.

3.3 DIMM

Аббревиатура DIMM расшифровывается как Dual Inline Memory Module (Модуль памяти с двойным расположением выводов). В модуле DIMM имеется 168 контактов, которые расположены с двух сторон платы и разделены изолятором. Также изменились и разъемы для DIMM-модулей.

Следует отметить, что разъем DIMM имеют много разновидностей DRAM. К тому же вплоть до последнего времени модули DIMM не имели средств самоконфигурирования (в отличие от SIMM-модулей). Поэтому для облегчения выбора нужного модуля пользователям на материнских платах разные типы DIMM имеют от одного до трех вырезов на модуле памяти. Они предотвращают от неправильного выбора и неправильной установки модулей памяти.

В следующих подразделах рассмотрим типы DRAM, имеющие разъем DIMM.

SDRAM

Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (динамическое ОЗУ с синхронным интерфейсом). Этим они отличаются от FPM и EDO DRAM, работающих по асинхронному интерфейсу.

С асинхронным интерфейсом процессор должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций. Они обычно занимают 60 нс. В DRAM с синхронным управлением происходит защелкивание информации от процессора под управлением системных часов. Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных. Это позволяет процессору выполнять другие задачи. После определенного количества циклов данные становятся доступными, и процессор может их считывать. Таким образом, уменьшается время простоя процессора во время регенерации памяти.

Другое преимущество синхронного интерфейса --это то, что системные часы задают временные границы, необходимые DRAM. Это исключает необходимость наличия множества стробирующих импульсов, обязательных для асинхронного интерфейса. Это, во-первых, уменьшает трафик по локальной шине (нет “лишних” сигналов), а во-вторых, позволяет упростить операции ввода-вывода (в операциях пересылки центральный процессор либо контроллер DMA уже не должен выделять полезную информацию среди служебных стробирующих импульсов и битов четности). В-третьих, все операции ввода/вывода на локальной шине стали управляться одними и теми же синхроимпульсами, что само по себе хорошо.

Хотя SDRAM появилась уже давно, использование ее тормозилось высокой (на 33%) ценой по сравнению с EDO RAM. “Звездный час” SDRAM настал в 1997 году, после появления чипсета 440BX, работающего на частоте 100 МГц. Вследствие этого доля рынка SDRAM за год выросла в два раза (с 25% в 1997 году до 50% в 1998 году.)

В настоящее время выпускаются модули SDRAM, работающие на частотах 100 и 133 МГц. Также разработаны SDRAM на частоты 143 МГц и выше.

ESDRAM

Следующим оригинальным решением, увеличившим частоту работы SDRAM, явилось создание кэша SRAM на самом модуле динамического ОЗУ. Так появилась спецификация Enhanced SDRAM

(ESDRAM). Это позволило поднять частоту работы модуля до 200 МГц. Назначение кэша на модуле точно такое же, что и кэш второго уровня процессора -- хранение наиболее часто используемых данных.

SDRAM II

Спецификация SDRAM II (или DDR SDRAM) не имеет полной совместимости с SDRAM. Эта спецификация позволяет увеличить частоту работы SDRAM за счет работы на обеих границах тактового сигнала, то есть на подъеме и спаде. Однако SDRAM

II использует тот же 168-ми контактный разъем DIMM.

SLDRAM

Как и SDRAM II, эта спецификация использует обе границы тактового сигнала и имеет в себе SRAM. Однако благодаря протоколу SynchLink Interface эта память способна работать на частоте до 400 МГц.

Память от Rambus (RDRAM, RIMM)

RDRAM представляет собой спецификацию, созданную и запатентованную фирмой Rambus, Inc. За счет использования обоих границ сигнала достигается частота работы памяти в 800 МГц.

Подсистема памяти Direct Rambus включает в себя следующие компоненты [Евгений Калугин. Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 г., стр. 166--.]:

Direct Rambus Controller.

Direct Rambus Channel.

Direct Rambus Connector.

Direct Rambus RIMM(tm).

Direct Rambus DRAMs.

Рассмотрим эти компоненты поподробнее:

1. Контроллер Direct Rambus -- это главная шина подсистемы памяти. Он помещается на чипе логики, как и PC-чипсет, микропроцессор, графический контроллер. Физически можно поместить до четырех Direct Rambus--контроллеров на одном чипе логики. Контроллер -- это интерфейс между чипом логики и памятью Rambus, и в его обязанности входит генерация запросов, управление потоком данных, и ряд других функций.

2. Direct Rambus Channel создает электрические соединения между Rambus Controller и чипами Direct RIMM. Работа канала основана на 30-ти сигналах, составляющих высокоскоростную шину. Эта шина работает на частоте 400 МГц и, за счет передачи данных на обеих границах тактового сигнала, позволяет передавать данные на 800 МГц. Два канала данных (шириной в байт каждый) позволяет получать пиковую пропускную способность в 1,6 Гбайт/с. Канал соответствует форм-фактору SDRAM.

3. Разъем Direct Rambus -- это разъем со 168 контактами. Контакты расположены на двух сторонах модуля, по 84 с каждой стороны. Разъем представляет собой низкоиндуктивный интерфейс между каналом на модуле RIMM и каналом на материнской плате.

4. Модуль RIMM -- это модуль памяти, который включает в себя один или более чипов и организует непрерывность канала. По существу, RIMM образует непрерывный канал на пути от одного разъема к другому. Поэтому оставлять свободные разъемы недопустимо

Существуют специальные модули только с каналом, называемые continuity modules. Они не содержат чипов памяти и предназначены для заполнения свободных посадочных мест.

Модули RIMM имеют размеры, сходные с геометрическими размерами SDRAM DIMMs. Модули RIMM поддерживают SPD, которые используются на DIMM'ах SDRAM. В отличие от SDRAM DIMM, Direct Rambus может содержать любое целое число чипов Direct RDRAM (до максимально возможного).

Один канал Direct Rambus максимум может поддерживать 32 чипа DRDRAM. На материнской плате может использоваться до трех RIMM модулей. Используются 64 Мбит, 128 Мбит и 256 Мбит устройства.

Чтобы расширить память сверх 32-х устройств, могут использоваться два чипа повторителя. С одним повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6-ю RIMM модулями, а с двумя -- 128 устройств на 12 модулях.

5. Чипы DRDRAM. Чипы DRDRAM составляют часть подсистемы Rambus, запоминающие данные. Все устройства в системе электрически расположены в канале между контроллером и терминатором. Устройства Direct Rambus могут только отвечать на запросы контроллера, который делает их шину подчиненной или отвечающей. Устройства включают в себя статическое и динамическое ОЗУ.

1. Постоянное запоминающее устройство

Кроме оперативной памяти, под термином "память" мы будем подразумевать постоянную и CMOS - память.

К постоянной памяти относят постоянное запоминающее устройство, ПЗУ (в англоязычной литературе - Read Only Memory, ROM, что дословно перводится как "память только для чтения"), перепрограммируемое ПЗУ, ППЗУ (в англоязычной литературе - Programmable Read Only Memory, PROM), и флэш-память (flash memory). Название ПЗУ говорит само за себя. Информация в ПЗУ записывается на заводе-изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будетневозможно удалить до следующей операции стирания информации.



4. Флэш-память

Особо следует рассказать о флэш-памяти. Flash по-английски - это "вспышка, проблеск". Флэш-память является энергонезависимой памятью, (как и ПЗУ и ППЗУ). При выключении компьютера ее содержимое сохраняется. Однако содержимое flash-памяти можно многократно перезаписывать, не вынимая ее из компьютера (в отличие от ППЗУ). Запись происходит медленнее, чем считывание, и осуществляется импульсами повышенного напряжения. Вследcтвие этого, а также из-за ее стоимости, флэш память не заменит микросхемы ОЗУ.



5. CMOS-память

CMOS-память - энергозависимая, перезаписываемая память, которая при своей работе , однако, почти не потребляет энергии. CMOS переводится как complementary metal oxode semiconductor - "комплиментарный металл - оксид - полупроводниковый". Достоинства этой памяти - низкое потребление энергии, высокое быстродействие. В CMOS - памяти компьютера находятся важные для его работы настройки, которые пользователь может менять для оптимизации работы компьютера. Питается эта память от небольшого аккумулятора, встроенного в материнскую плату.

Недостатки перезаписываемой памяти.

Основной недостаток ПЗУ - невозможность обновить информацию в этом виде памяти, - одновременно является и его преимуществом: данные невозможно потерять случайно и умышленно. Особенно это стало актуальным на рубехе XX - XXI веков, с вытеснением микросхем ПЗУ на CMOS и flash-память. Рассмотрим возникающие проблемы.

5.1 Потеря данных в CMOS

Компьютеры с ISA шиной (содержащие процессоры вплоть до i80286), имели минимум настроек. Часто они вполне нормально работали в своей основной конфигурации. Ситуация изменилась после появления на компьютерах памяти более чем 16 Мбайт, ШВУ контроллеров и PCI-шины. Как выяснилось, в большинстве случаев стандартная настройка материнской платы стала неприменимой. Для сохранения настроек пользователя их стали хранить в CMOS-памяти. Иногда содержимое CMOS-памяти разрушается. Это возможно в следующих случаях:

Воздействие вируса. При своей работе вирус может специально внедряться в CMOS-память, чтобы обеспечиватиь лучшие условия для его распространения либо специально вывести компьютер из строя.

Неисправность аккумулятора. В некоторых случаях аккумулятор CMOS-памяти может разряжаться (от времени или короткого замыкания на плате.) В этом случаесодержимое CMOS может разрушиться не сразу, а по прошествии двух - трех суток. Скачок напряжения при работе с CMOS. В этом случае последствия непредсказуемы. Установка пароля на загрузку. Иногда пользователь для защиты от несанкционированного доступа устанавливает "пароль на загрузку". Если он потом забудет пароль, то для запуска компьютера будет необходим сброс параметров CMOS-памяти путем короткого замыкания ее аккумулятора.

Для восстановления параметров CMOS-памяти после ее сброса существуют опции "стандартной" и безопасной" настройки этой памяти на материнской плате. Пользователю в этом случае придется восстанавливать не все, а только часть параметров. Опции "стандартной" и "безопасной" настройки хранятся в ПЗУ и изменить их невозможно!

5.2 Потеря данных в flash-памяти

Потеря данных в flash-памяти возможна по тем же причинам, что и в CMOS-памяти. Однако для флэш-памяти нет возможности вернуться к первоначальным установкам! В связи с этим потеря информации в флэш-памяти может быть непоправимой.



6. Распределение памяти в компьютерах

Область ПЗУ

Системная область занимает следующие 384 Кбайт адресного пространства. Распределение адресов в этой области в наибольшей степени зависит от фирмы-производителя и модели компьютера. Эта область впервые выделилась в компьютерах на основе процессора 8088. В них эта область содержала видеопамять, BIOS, дополнительный BIOS и, кроме того, содержала внутренний интерпретатор с языка Бейсик. В начале видеопамять 000С:0000 - 000С:FFFFh (размером 64 Кбайт). Затем видеопамять возросла до 128 Кбайт (EGA- VGA режимы высокого разрешения), и стала занимать пространства адресов с 000А:00000h до 000B:FFFFh. Соответственно область BIOS сдвинулась в пространстве адресов 000E:0000h - 000F:FFFFh. В настоящее время и SVGA-видеокарты в режиме высокого разрешения видеопамять в RAM (системной области оперативной памяти) занимает те же 128 Кбайт , а доступ к остальной части видеопамяти (размер которой может превышать 4 мегабайта), осуществляется постранично. Управление постраничным выделением памяти (по 128 Кбайт каждая страница) осуществляется с помощью ПЗУ на самой видеоплате.

Область памяти с адресами 000С:0000h - 000D:FFFFh занимает либо страница дополнительной (expanded) LIM-памяти, либо дополнительное ПЗУ (BIOS) пользователя. Это ПЗУ позволяет превратить обычный офисныйый компьютер в специализированную ЭВМ. В современных компьютерах эта область содержит ПЗУ USB (Universal Serial Bus), поэтому для дополнительной памяти надо выделять другие адреса.

Уже у компьютеров серии PC/AT системное ПЗУ было расширено до 64 Кбайт, и в частности, за счет исключения интерпретатора с языка Бейсик. Важно отметить, что в последних 16 байтах области системной памяти (которая занимает пространство адресов с 000Е:0000h по 000F:FFFFh) находится стартовый адрес микропроцессора при включении питания и который не должен быть переопределен ни в коем случае.

Конечно, для современных компьютеров размеры системного ПЗУ в 64 Кбайта (и даже в 128 Кбайт!) уже недостаточно, поскольку число различных подключаемых к компьютеру устройств велико. Поэтому большинство устройств содержат собственные ПЗУ (BIOS) прямо на самой плате-контроллере , а доступ к нему осуществляется с помощью устройств прямого доступа к памяти (DMA). Задача системного BIOS - переправлять сигналы операционной системы в ПЗУ периферийного устройства на обработку, и корректно возвратить обратно полученный ответ. Именно поэтому разделение системного адресного пространства на области весьма условно.

D.2. Распределение (карта) памяти шиноцентричных Intel-совместимых компьютерах.

В августе 1981 года фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер, основанный на микропроцессоре Intel 8088. Этот процессор способен был адресовать 1 Мбайт оперативной памяти, которой, как тогда казалось, персональным компьютерам хватит надолго. В связи с этим проблеме распределения памяти уделили меньше внимания, чем другим проблемам. С легкой руки компании Microsoft это распределение памяти "укоренилось" в мире и стало стандартом де-факто для всех Intel-совместимых компьютеров.

В памяти Intel-совместимых компьютеров можно выделить три зоны памяти:

Базовая (Conventional) память - первые 640 Кбайт памяти с адресами 0000:0000h - 0009:FFFFh.

Старшая (Upper) память - следующие 384 Кбайта (адреса 000A:0000h - 000F:FFFFh).

Расширенная (Extended) - вся остальная память. Она начинается с адреса 0010:0000h. Максимальное значение адреса - FFFF:FFFFh.

Рассмотрим эти три зоны по-подробнее.

Базовая память

Со времен микропроцессора 8088 здесь находятся все исполняемые программы, в том числе и операционная система. Эта преемственность сохранилась до сих пор. В самом начале этой области находится:

Таблица векторов прерываний. Она всегда находится в диапазоне адресов 0000:0000h - 0000:0400h (первый килобайт памяти). Таблица определяет адреса прерываний - готовых процедур операционной системы, которые компьютер вызывает для выполнения определенной задачи. Программы прерываний стандартизованы для всех операционных систем фирмы Microsoft.

Файл надстройки над системой BIOS - файл IO.SYS. В этом файле находятся программы-прерывания ввода/вывода, специфичные для операционной системы Microsoft.

Система обработки прерывания (Int 21h) системы MS-DOS - файл MSDOS.SYS

Примечание: эта часть отсутствует в операционных системах Windows. Она целиком помещается в файле IO.SYS.

Стеки операционной системы MS-DOS. Эти стеки используются исключительно программами - прерываниями операционной системы. Число стеков варьируется в MS-DOS в пределах от 8-ми до 64-х, а их размер - от 32-х до 512-ти байт. Стеки устанавливаются командой STACKS в файле Config.sys.

Системное окружение. Здесь расположены переменные окружения операционной системы (задаваемые командами SET, PATH, Prompt, Lastdrive и некоторыми другими.) Размер системного окружения задается в опциях команды SHELL файла Config.sys.

Буфера ввода/вывода дисковых накопителей. Число буферов ввода/вывода задается командой Buffers файла Config.sys. На каждый буфер выделяется по 532 байта.

Дескрипторы открытых файлов. На каждый дескриптор отводится 64 байта. Число дескрипторов устанавливается командой FILESфайла Config.sys.

Драйверы, запускаемые командой Device файла Config.sys. Среди них могут быть драйверы расширенной памяти Himem.sys, дополнительной памяти Emm386.exe, а также совмещенный драйвер Quemm386.sys.

Резидентные программы, загружаемые в память командой Install файла Config.sys.

Резидентная часть командного процессора Command.com.

Резидентные программы, загружаемые из файла Autoexec.bat и командной строки.

Вся остальная базовая память доступна для программ MS-DOS. Общий объем базовой памяти, занятой системными программами, не должен превышать 256 Кбайт, а рекомендуемый максимальный размер этой области - 128 Кбайт. Только при свободном объеме 512 Кбайт большинство программ DOS будут чувствовать себя комфортно.

Конечно, любой драйвер подключенного к компьютеру устройства, любая запущенная резидентная программа забирает под свои нужды определенную часть памяти, и лимит в 128 Кбайт может быть достигнут очень быстро. Чтобы избежать этого, возможны два сценария:

(Для MS-DOS версий 5.0 и выше.) Загрузить большинство резидентных программ и драйверов, а также часть основных файлов MS-DOS в верхнюю и старшую память.

(Для всех операционных систем.) Создать несколько конфигураций из файлов Config.sys и Autoexec.bat (или им подобных), содержащих необходимый минимальный набор драйверов и резидентных программ, и переключаться между конфигурациями путем перезагрузки компьютеров.

Любой из сценариев имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому выбор любого сценария либо их комбинации должен решаться индивидуально.

Расширенная память. Зоны в расширенной памяти

Не вся область расширенной памяти доступна для выполнения программ. В этой области памяти находится зона теневого BIOS (Shadow RAM) и зона микропроцессора Weitec.

Зона теневого BIOS

Из-за низкой скорости доступа к блокам ПЗУ процессор должен тратить несколько циклов ожидания на то, чтобы считать данные. При этом общая скорость работы приложения снижается. При использовании теневого BIOS программы из ПЗУ копируются в более быструю оперативную память (RAM) и там выполняются.

При создании теневого BIOS необходимо учитывать следующее: ПЗУ от ОЗУ отличается тем, что его содержимое нельзя изменить. Поэтому, в принципе, содержимое теневого BIOS можно изменить. Чтобы избежать этого, в настройках материнской платы необходимо запретить доступ программ "на запись" к теневому BIOS.

Зона теневого BIOS расположена по адресам памяти 00FE:0000h - 00FF:FFFFh. При этом зона системного BIOS расположена в первых 64 Кбайт этой области. Остальное пространство используется для теневого BIOS плат расширения. Весьма нежелательно, чтобы эта область памяти рагментировалась.

Зона микропроцессора Weitek.

Микропроцессор Abacus фирмы Weitek спроектирован так, что он обменивается данными с центральным процессором через расширенную память. Для обмена данными используется диапазон адресов C000:0000h - C000:FFFFh. Центральный процессор просто пересылает данные в эту область, а затем считывает из нее готовые результаты.

При использовании микропроцессора Abacus часто возникает конфликт между ним и драйверами расширенной и дополнительной памяти. Чтобы избежать его, мало прописать в BIOS использование этого микропроцессора. Необходимо также установит опции поддержки микропроцессора Weitek в драйверах.

Примечание: стандартные драйверы расширенной и дополнительной памяти MS-DOS поддерживают этот микропроцессор начиная с версии DOS 6.0.

Сегментация памяти в защищенном режиме.

В защищенном режиме работы микропроцессоров x86 обеспечивается лучшая защита операционной системы от несанкционированного доступа программ пользователя. Это происходит путем усложнения формирования линейного адреса в микропроцессорах i80386 и выше. Например, сегмент не может быть использован никакой программой, если он не "представлен" ей соответствующим образом. Программа уже не может обращаться по любому адресу, который она может сформировать. При "представлении" сегмента программе она должна запросить не только базовый адрес сегмента, но и уровень привилегий, локализацию сегмента, его длину и разрешающую способность, права доступа к сегменту (чтение, запись и выполнение) и некоторые другие параметры.

При всем этом у системного программиста имеется больше возможностей по управлению сегментацией памяти. Так, уже в микропроцессоре i80386 сняты ограничения на размер сегмента. Он может иметь значение от 1 байта до 4 Гбайт. В нем также сняты ограничения на местоположение границы сегмента. Граница сегмента больше не привязана к границе параграфа, да и само понятие "параграф" к защищенному режиму работы микропроцессора не применяется. Программист в описании сегмента сам определяет уровни привилегий и тип используемого сегмента.

Уровни привилегий назначаются программам с целью не допустить разрушение системных областей некорректными действиями прикладных программ. Некоторые команды выполняются только на нулевом (самом верхнем) уровне привилегий. Выполнение других команд зависит от того, какие уровни привилегий установлены в регистров флагов и при описании сегмента. В любом случае действуют следующие правила вызова сегментов и межсегментных переходов.

1. Возможен переход от сегмента к сегменту, имеющих один и тот же уровень привилегий.

2. Возможно обращение к сегменту данных, имеющему тот же или более низкий уровень привилегий, чем сегмент кода.

3. Если необходимо перейти к сегменту кода, имеющий более высокий уровень привилегий, необходимо использовать вентиль.

Дескрипторные таблицы

В системах на базе процессоров x86 допускается создание почти любого числа сегментов - необходимо только наличие соответствующего дескриптора. Все дескрипторы имеют длину 8 байт и хранятся в специальной области ОЗУ, называемой дескрипторной таблицей (descriptor table). Порядок размещения дескрипторов произволен, а максимальное число дескрипторов - 8192. Таким образом максимальный размер дескрипторной таблицы - 64 Кбайт.

Существует три типа дескрипторных таблиц, выбор которых зависит от назначения сегмента. Рассмотрим эти типы по подробнее.

Глобальная дескрипторная таблица (GDT).

Главной общесистемной таблицей дескрипторов является именно эта системная таблица. Таблицу GDT "коллективно используют" все задачи. Для определения начального адреса GDT предназначен специальный регистр микропроцессора - GDTR. Наличие GDT в системе обязательно при работе микропроцессора x86 в защищенном режиме.

Дескрипторная таблица прерываний (IDT).

Общесистемной является также дескрипторная таблица прерываний. Она содержит в себе дескрипторы специальных объектов - шлюзов. Поскольку шлюзы определяют точки входа программ обработки прерываний и особых случаев, они служат заменой таблицы векторов прерываний процессора i8086. Начальный адрес таблицы находится в системном регистре IDTR микропроцессора.

Локальная дескрипторная таблица (LDT)

Для каждой задачи в дополнение к таблице GDT можно построить свою, локальную дескрипторную таблицу. Она определяет сегменты, доступные только этой, конкретной задаче. Эти таблицы не являются обязательными, создаются по мере надобности, и хранятся в сегментах программы, на которых есть ссылка в GDT. Локальные таблицы используют 16-ти битный селектор, что упрощает манипуляцию с сегментами. Локальные дескрипторные таблицы могут участвовать в свопинге памяти, как и обычные сегменты.

Селекторы

Отправной точкой входа в дескриптор является селектор. Полный формат регистра селектора приведен на рисунке 1.

Двухбитное поле RPL привлекается для контроля привилегий в механизме защиты.

Бит индикации таблицы TI показывает. из какой дескрипторной таблицы выбирается дескриптор:

TI=0 - GDT, TI=1 - LDT

Старшие 13 бит определяют нужный дескриптор в дескрипторной таблице.

Формирование линейного адреса

Формирование линейного адреса в микропроцессоре x86 показано на рисунке E.2.

Из рисунка видно, что базовый адрес сегмента и эффективный адрес принимают равноправное участие в формировании линейного адреса.

Формат дескрипторной таблицы

Формат дескрипторной таблицы

На рисунке E.3. приведен формат дескрипторов в дескрипторных таблицах. Подробнее смотри (Григорьев и Обнинск.) На них обозначены:

Формат локальной дескрипторной таблицы.

Базовый адрес (32-х битный) - базовый адрес сегмента. Именно этот адрес сформирует процессор при нулевом смещении.

Предел (20-битный). Определяет размер сегмента в байтах.

Бит присутствия (P) установлен в состояние 1, когда он находится (присутствует) в физической памяти.

Двухбитное поле привилегий (DPL) определяет уровень привилегий сегмента. Существуют четыре уровня привилегий: от 0 до 3.

Бит S (системный, сегмент) всегда установлен в 1, если этот объект в дескрипторной таблице является сегментом. В случае S=0 данный объект может являться, а может и не являться сегментом памяти.

Бит гранулярности G. При бите гранулярности G = 0 предел сегмента измеряется в байтах, а при G = 1 - в страницах по 4 Кбайт.

Бит D - размер по умолчанию. Он определяет, какая из размерностей для данных (16 или 32 бита) применяется для операндов процессора. При D=0 процессор интерпретирует содержимое сегмента кода как 16-ти битный код процессора i80286, а при D=1 - как 32-х битный код процессора i80486 и старше. Использование бита D - самый простой способ переключения между 16-ти и 32-х битными приложениями.

Бит A - доступа и обращения. Этот бит процессор автоматически устанавливает в состояние 1, когда происходит обращение к сегменту в физической памяти, описываемым данным дескриптором. Он предназначен для предотвращения свопинга сегмента на диск в момент обращения к нему.

Бит X зарезервирован корпорацией Intel для своих будущих разработок. Он должен всегда равняться 0.

Бит U может быть использован программистом для своих целей.

Трехбитное поле ТИП используется для указания целевого использования сегмента. Его значения:

000b - сегмент данных, разрешено только считывание.

001b - сегмент данных, разрешено считывание и запись.

010b - сегмент стека, разрешено только считывание (не используется в практике.)

011b - сегмент стека, разрешено чтение и запись.

100b - сегмент кода, разрешено только выполнение.

101b - сегмент кода, разрешено выполнение и считывание.

110b - подчиненный сегмент кода, разрешено только выполнение.

111b - подчиненный сегмент кода, разрешено выполнение и считывание.

2. Страничная организация памяти. Виртуальная память.

Основное применение страничного преобразования адреса - организация виртуальной памяти. Виртуальная память позволяет использовать программам, больший объем памяти, чем установленный на компьютере физический объем памяти. Остальная информация может быть сброшена на внешний носитель.

Управление страничным разбиением памяти обычно возлагается на специальную микросхему MMU (Memory Managment Unit - устройство управления памятью). В микропроцессоре i80486 и выше это устройство встроено в процессор.

Как и сегментация, страничная организация памяти связана с преобразованием виртуального адреса (в данном случае линейного) в физический. В страничном преобразовании базовым объектом памяти является блок фиксированного размера, называемый страницей (page). Размер страницы - 4 Кбайт.

Структура страниц

При разрешенном страничном преобразовании физическая память компьютера разбивается на страницы. Иногда страницы называют страничными кадрами - page frame, - размером ; Кбайт. Поскольку часть страниц находится вне физической памяти, предусмотрен механизм замены страниц по требованию. Это позволяет программам использовать для своих нужд все линейное адресное пространство, не заботясь о том, занята ли физическая память другими процессами.

Границы сегментов и страниц могут не совпадать. Однако желательно, для повышения производительности системы, выравнивать границы сегментов на границы страничного кадра.

В отличие от сегмента, для страниц есть только два уровня привилегий: пользовательский (User) и супервизора (Supervisor). Пользовательский уровень привилегий соответствует уровню 3 для сегмента, а уровень супервизора - уровням привилегий сегмента 0, 1 и 2.

Формирование адреса при страничном преобразовании

В процессе страничного преобразования старшие 20 бит 32-х битного линейного адреса заменяются новым значением - номером физической страницы. Младшие же 12 бит линейного адреса определяют положение байта внутри страницы и остаются неизменными.

Для уменьшения размера таблицы страниц в микропроцессорах x86 предусмотрена двухуровневая схема преобразования адреса. Основой страничного преобразования служит регистр управления CR3, содержащий 20-ти битный физический базовый адрес каталога страниц текущей задачи. Предполагается, что каталог выровнен по границе страничного кадра, постоянно находится в памяти и не участвует в свопинге.

Корневая страница, называемая каталогом страниц, содержит 1024 32-х битных дескриптора, называемых элементами каталога страниц PDE (Page Directory Entry). Каждый из них адресует подчиненную таблицу страниц. Каждая из этих таблиц содержит 1024 32-х битных дескриптора, называемая элементами таблицы страниц. PTE (Page Table Entry). Каждый PTE содержит адрес страничного кадра в физической памяти.

Собственно преобразование линейных адресов в физические состоит из следующих действий:

- Старшие 10 бит 31 - 22 линейного адреса, дополненные двумя младшими нулями, служат индексом PDE.

- Средние 10 бит 21 - 12 линейного адреса, дополненные двумя младшими нулями, индексируют таблицу страниц PTE. Элемент PTE содержит 20-битный базовый адрес страничного кадра в физической памяти.

Этот базовый адрес из элемента PTE объединяется с младшими 12-ю битами линейного адреса, образуя 32-х битный физический адрес. В элементе таблицы страниц существует бит неприсутствующей страницы. Он означает, что указанной странице нет в памяти и ее необходимо загрузить с внешнего устройства. Также существуют биты, указывающие, происходит ли обращение к страницам. Эти страницы невозможно выгрузить из памяти.



Заключение

память компьютер персональный

Таким образом, в данной работе была изложена информация о классификации основных видов памяти ПК. Были приведены основные принципы работы отдельных видов памяти.

Из работы становится понятно, что различных видов памяти в современном персональном компьютере достаточно много, и разобраться в них очень нелегко. Однако, хотя бы приблизительно, понять как классифицируется компьютерная память представляется вполне возможным. Также становится ясно, как происходит работа компьютерной памяти и обмен информацией внутри ПК между различными запоминающими устройствами; была рассмотрена табличная организация памяти.

В связи с быстрым развитием современной коипьютерной индустрии, информация о последних разработках в области компьютерной памяти очень скудна,и, обычно, ограничена простыми анонсами. Поэтому, я решил рассмотреть уже морально устаревшие виды памяти чтобы, хотя бы иметь представление о структуре памяти ПК и принципах её работы.

Размещено на Allbest.ru

...