Пам’ять комп’ютера: ієрархія, фізична реалізація, основні параметри і характеристики

Пам'ять зберігає інформацію, передану з інших пристроїв (зокрема, пристроїв уведення), і видає інформацію іншим пристроям комп'ютера, включаючи пристрої виведення. Пам'ять комп'ютера складається з великої кількості пронумерованих комірок, в кожній з яких можуть знаходитись або дані, що обробляють­ся, або інструкції програм. Спочатку за допомогою якогось зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма. Пристрій управлін­ня зчитує вміст комірки пам'яті, в якій знаходиться перша інструкція (ко­манда) програми, і організує її виконання. Як правило, після виконання ко­манди пристрій управління починає виконувати команду з комірки пам'я­ті, що знаходиться безпосередньо за коміркою, в якій міститься виконана команда. Але цей порядок можна змінити за допомогою команд передачі управління (переходу), що дозволяє створювати складні програми. Таким чином, пристрій управління виконує інструкції програми авто­матично, без втручання людини. Він може обмінюватись інформацією з оперативною пам'яттю та зовнішніми пристроями комп'ютера.

Комп'ютерна пам'ять забезпечує підтримку однієї з найважливіших Функцій сучасного комп'ютера, - здатність тривалого зберігання інформації. Разом з центральним процесора запам'ятовуючій пристрій є ключовими ланками так званої архітектури фон Неймана, - принципу закладеного в основу більшості сучасних комп'ютерів загального призначення.
Комп'ютерна пам'ять (пристрій зберігання інформації, запам'ятовуючий пристрій) - частина обчислювальної машини, фізичний пристрій або середовище для зберігання даних, які використовуються в обчисленнях, протягом певного часу. Пам'ять, як і ЦПУ, є незмінною частиною комп'ютера з 1940-х.Модуль оперативної пам'яті, вставлений в материнську плату. На побутовому рівні слово "пам'ять" має більш вузьке значення - напівпровідникова пам'ять з довільним доступом (RAM), що використовується в якості ОЗУ персонального комп'ютера (планка або модуль пам'яті).
Пам'ять комп'ютера завжди мала ієрархічну структуру і передбачає використання декількох запам'ятовуючих пристроїв, що мають різні характеристики. Найбільш відомі засоби машинного зберігання даних, які використовуються в персональних комп'ютерах: модулі оперативної пам'яті, жорсткі диски (вінчестери), дискети (гнучкі магнітні диски), CD-або DVD-диски, а також пристрої флеш-пам'яті.

Внутрішні запам’ятовуючі пристрої ділять на оперативні (ОЗП) і постійні (ПЗП). ОЗП виконується у вигляді інтегральних мікросхем. В одній елементарній комірці ОЗП зберігається 1 біт інформації у вигляді електричного сигналу чи заряду. Інформацію в ОЗП можна як писати, так і читати необмежене число разів. Інформація в комірці ОЗП змінюється тоді, коли у неї записується нова інформація. Доступ до комірки ОЗП здійснюється по адресним шинам практично миттєво (декілька наносекунд). Тому ОЗП – найшвидший вид пам’яті - часто позначають RAM (Random Access Memory - пам’ять з довільним доступом). Існують ОЗП двох видів: динамічне і статичне.
В динамічному ОЗП (DRAM) кожний біт інформації зберігається у вигляді заряду дуже маленького конденсатора. Його розрядка відбувається через долі секунди. Тобто при вимиканні ПК вміст ОП стирається. Тому для збереження інформації здійснюють цикли відновлення (регенерації): з періодом в декілька мілісекунд інформацію перезаписують. Доступ до інформації здійснюється в проміжках між регенераційними циклами, що уповільнює роботу з цим видом ОЗП.
Кожна комірка статичного ОЗП (SRAM) виконується у вигляді тригера на 4 транзисторах. Тригер має два стійких стани на виході (0 і 1) і не вимагає відновлюючих циклів. При подачі на вхід тригера електричного імпульсу його вихід перемикається у протилежний стійкий стан. Отже, один з вхідних імпульсів може встановити тригер у високий потенціал (запис логічної 1), а через деякий час інший вхідний імпульс може скинути вихід у низький потенціал (стирання одиниці або запис логічного нуля). Звертатись до статичного ОЗП можна в будь-який момент часу, тому його швидкодія набагато вища динамічного ОЗП. Але статичне ОЗП дороге і громіздке. Тому ОЗП ділять на два рівня: кеш-пам’ять (статичне) і звичайне динамічне ОЗП.
Швидкодіюча кеш-пам’ять міститься як би “між” процесором і ОП і зберігає копії найчастіше використовуваних ділянок ОП. Зберігання часто використовуваних даних у кеш-пам’яті називають кешуванням даних. При звертанні процесора до ОП потрібні дані спочатку шукаються в кеш-пам’яті, а якщо її там немає – шукаються в ОЗП. Так як час доступу до кеш-пам’яті в декілька разів менше, ніж до звичайної, середній час доступу до пам'яті зменшується, а швидкодія збільшується в 5 та більше разів.
Від кількості встановленої в ПК ОП залежить, з якими програмами можна з ними працювати. Постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) виконується у вигляді мікросхем, в які необхідна інформація записується на заводі-виробнику тільки один раз і її можна тільки читати. Такий вид інформації називають ROM (Read Only Memory – пам’ять тільки для читання). Хоча доступ до ПЗП повільніший, ніж до ОЗП, основна його перевага у тому, що інформація не счезає при вимиканні живлення. Тому в ПЗП зберігають програми початкового завантаження ПК, тестування, виконання операцій з пристроями введення-виведення, а вміст ПЗП називають BIOS (Basic Input-Output System – базова система введення-виведення). Завдяки BIOS ПК при вмиканні “оживає” і готує усю систему до роботи з людиною.
Крім ОЗП і ПЗП у ПК є невелика ділянка пам’яті для збереження параметрів конфігурації ПК – CMOS-пам’ять (Complementaru Metal-Oxide Semiconductor) з низьким енергоспоживанням. Вміст CMOS-пам’яті не змінюється при вимиканні електроживлення ПК, так як для її живлення використовують спеціальний акумулятор (він постачає електроенергією і вбудований в ПК годинник).