Устройства внутренней памяти

Памятькомпьютера предназначена для хранения в ней данных и исполняемых программ. Основными характеристи­ками памяти являются объем и время доступа, а также плотность записи информации. Объем машинной памяти (в байтах) определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память. Время доступа к памяти (в секундах) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти едини­цы информации. Плотность записи информации (бит/см²) пред­ставляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя.

К устройствам внутренней памяти относятся: регистровая, оперативная, кэш-память, постоянная, перепрограммируемая постоянная (Flash Memory), CMOS RAM, видеопамять.

Регистровая или внутрикристальная память организуется регистрами процессора, образующими сверхоперативное запоминающее устройство.

Оперативная память (RAM - random access memory (память со свободным доступом, ОЗУ) - оперативное запоминающее устройство) быстрое запоминающее устройство, содержит команды и дан­ные, с которыми в данный момент работает процессор. От размера оперативной памяти существенно зависит скорость компьютера и то, с какими программами может работать данный ПК. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо совсем не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Объем ОЗУ современных ПК может составлять десятки Гбайт и более (для задач компьютерного дизайна и т.п.).

Оперативная память энергозависима. Это означает, что при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно. Существует два вида ОЗУ, отличающиеся физическим принципом действия и техническими характеристиками: динамическая память (DRAM) и статическая память (SRAM).

1. Динамическая память - Dynamic Random Access Memory (DRAM, динамическая память с произвольной выборкой). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, являющемся ячейкой памяти. Для поддержания в ячейках информационных уровней сигналов на необходимом уровне, их содержимое с помощью специальных схем регенерации периодически обновляется. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Поэтому такая память имеет низкое быстродействие: 30-100 нс. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера или видеопамяти.

2. Статическая память - Static RAM (SRAM) обычно со временем выборки 8-20 нc. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие, как правило, из четырех или шести транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому такой тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панелях, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Модули стандартизованы. Приведем несколько примеров модулей памяти:

- SIPP и SIMM-30 - самые первые модули с однобайтной организацией (разрядность 1 байт), применялись вплоть до процессоров класса 486;

- DIMM-184 - 8-байтные модули DDR SDRAM;

- DIMM-240 - 8-байтные модули DDR2 SDRAM;

- RIMM - 2-байтные модули RDRAM;

- SO DIMM и SO RIMM - малогабаритные варианты модулей;

- AIMM они же GPA Card (Graphics Performance Accelerator) - 32- или 16-битные модули SDRAM, предназначенные для расширения памяти графических адаптеров, встроенных в системную плату.

Ныне пристальное внимание обращено к технологиям создания оперативной памяти, которая сохраняет данные после выключения электропитания. Таким свойством обладают прежде всего ферроэлектрическая (Ferroelectric RAM, FRAM) и магнитная (Magnetic RAM, MRAM) память.

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память, - очень быстрое запоминающее устройство (ЗУ) небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-память реализуется на более быстродействующих микросхемах статической памяти SRAM.

Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды программы. Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае «попадания в кэш», то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память процессора имеет многоуровневую структуру, но чаще она является трёхуровневой:

- кэш-память первого уровня (обозначается L1), располагается на кристалле процессора. Она работает с тактовой частотой процессора, размер памяти 16-128 кбайт;

- кэш-память второго уровня (L2), размещается на кристалле процессора либо на системной плате. Она работает на тактовой частоте системной шины, объём колеблется от 256 кбайт до 4 Мбайт;

- кэш-память третьего уровня (L3) - фрагмент ОЗУ (2-24 Мбайта), используемый для буферизации данных при работе с внешними устройствами (например, флоппи-дисководами) либо выполнении системных и прикладных программ.

Постоянная память предназначена для длительного хранения данных, даже когда ПК выключен (является энергонезависимой). Такой вид памяти обычно называется ROM (read only memory - память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки операционной системы и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется BIOS (Basic Input-Output System, или базовая система ввода-вывода).

BIOS – совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой важный модуль любой операционной системы.

В BIOS содержится программа тестирования – POST (Power ON Self Test), выполняющаяся каждый раз при запуске компьютера. POST проверяет общую исправность основных устройств компьютера. В случае успешного выполнения теста выполняется программа начальной загрузки, также находящаяся в BIOS. Программа начальной загрузки выполняет загрузку операционной системы с соответствующего накопителя. Накопитель, с которого должна загружаться операционная система, указывается в установках конфигурации, хранящихся в памяти RTC CMOS RAM. BIOS позволяет смотреть на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера.

В процессе дальнейшей работы для обслуживания стандартных периферийных устройств выполняются хранящиеся в BIOS программы обслуживания – драйверы. Для хранения программ BIOS необходима энергонезависимая память, в качестве которой могут использоваться постоянные запоминающие устройства.

Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

- Постоянные запоминающие устройства, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

- Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (Flash Memory). Позволяют перепрограммировать их многократно. Флэш-память исторически происходит от ROM-памяти, но функционирует подобно RAM, однако в отличие от последней работает значительно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи.

Энергонезависимая память CMOS – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от аккумулятора. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Видеопамять - память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.