Оперативное запоминающее устройство
Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) — памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из адреса памяти, обращаясь к нему по его номеру. Адрес памяти имеет стандартное число двоичных разрядов, обычно размер ячейки ОЗУ равен одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схему памяти подаётся питание, т. е. она является энергозависимой.
Существуют два вида ОЗУ: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе и представляет информационный бит.
При записи или чтении из такого устройства требуется время для накопления или стекания заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического. Статическая (или кэш-память, cache — запас) работает практически с той же скоростью, что и процессор. Конструктивно элемент статической памяти представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах. Кэш-память может быть как встроенной в процессор, так и отдельной от него микросхемой, устанавливаемой на системной плате. Емкость статических ОЗУ значительно меньше, чем у динамических, кроме того, они более энергоёмки и значительно дороже. Обычно статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В современных процессорах кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет емкость 16—128 Кбайт и скорость, равную скорости процессора. В корпусе процессора на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня объёмом 256 Кбайт и более. Наконец, память третьего уровня расположена на системной плате, ее емкость может достигать 1000 Мбайт.
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними объектами. Эта память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory) и является энергонезависимой. Бывают два вида ПЗУ: программируемое однократно и перепрограммируемое ПЗУ. Память первого типа не позволяет изменять записанную в нее информацию, из такой памяти можно только читать. Память второго типа допускает многократную перезапись своего содержимого, стирание хранящейся информации осуществляется электрическим сигналом повышенной мощности.
Внутренние шины передачи данных
Шина — это устройство, обеспечивающее связь центрального процессора с периферийными устройствами компьютера. Существуют общая и периферийные шины. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шину адреса, шину данных и шину управления. Каждая шина характеризуется числом параллельных проводников для передачи информации. Эта характеристика называется шириной шины. Другой важной характеристикой является тактовая частота шины — это частота формирования циклов передачи информации. На этой частоте работает контроллер шины.
Шина адреса предназначена для передачи адреса памяти или адреса порта ввода/вывода. Если ширина шины равна 
, то количество адресуемой памяти равно 
. Шина данных передает команды и данные, ее ширина составляет обычно 32¸64 проводников. Ширина шины управления определяется алгоритмом ее работы или иначе протоколом работы шины. Примерный протокол работы шины таков. Первый такт работы инициируется процессором, который выставляет на шину адреса адрес внешнего порта или адрес памяти и управляющие сигналы, определяющие вид обмена. На втором такте процессор ждет от устройства сигнала о готовности к приему или передаче информации. Второй такт может повторяться до тех пор, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи или открывает шину данных для приёма информации. Наконец, на четвёртом такте происходит собственно обмен.
Для повышения производительности центрального процессора и всего компьютера в целом включаются дополнительные шины, связывающие напрямую процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства.
В персональных компьютерах фирмы IBM применяются общие шины, имеющие следующие характеристики:
общая шина PCI (Peripheral Component Interconnect) с тактовой частотой 66 МГц, шириной шины адреса — 32, шины данных — 64 разряда, пропускной способностью 528 Мбайт/с;
общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) с параметрами, аналогичными шины PCI. Используется в переносных компьютерах класса ноутбук.
Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Все эти устройства обладают большим объёмом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. п.
Наиболее распространены следующие типы ВЗУ:
накопители на магнитных дисках (НМД):
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
накопители на магнитных лентах (НМЛ);
 |
накопители на оптических дисках (НОД).
Рис. 8. Структура поверхности магнитного диска
У магнитных дисков в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющие фиксировать два магнитных состояния, т. е. два (противоположных) направления намагниченности. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом. Все магнитные диски характеризуются своим диаметром. Этот параметр называется форм-фактором. Информация на диск записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси с переменной угловой скоростью (с постоянной линейной, рис. 8). Информация на диске расположена на концентрических окружностях — дорожках (треках). Количество дорожек и их емкость зависит от типа магнитного диска, качества головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта (обычно 512) данных. Обмен данными осуществляется последовательно целым числом секторов.
Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Поле памяти, отводимое каждому файлу, выделяется кратным определенному количеству кластеров, которые могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являться смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.
Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска по специальной программе. Кроме физической структуры различают еще и логическую структуру диска. Логическая структура определяется файловой системой, реализованной на диске. Эта структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.
Основа дисков изготавливается из алюминия и керамики, на которые наносится магнитный слой. Магнитные диски бывают гибкими и жесткими. Гибкий диск (англ. floppy disk) или дискета — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Гибкие диски имеют объем хранимой информации 1.44¸2.88 Мбайт. Наибольшее распространение получили гибкие диски с форм-фактором 3.5 дюйма, но существуют диски с форм-факторами 5.25 и 1.8 дюйма.
Накопители на жестких дисках (Hard Disk Drive, HDD) — это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используются для постоянного хранения информации — программ и данных. Такие диски получили название "винчестер". Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья фирмы "Винчестер". В настоящее время используются диски с объемом до 120 000¸160 000 Мбайт, причем это значение постоянно увеличивается. Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса накопителя. Для повышения скорости обмена данными некоторые жесткие диски имеют свою кэш-память, которая может быть встроенной в дисковод или создаваться программным путем в оперативной памяти.
Рис. 9. Профиль дорожки CD-ROM
Накопители на оптических дисках. Впервые компакт-диск (Compact Disk Read Only Memory, CD-ROM) был предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony для записи звуковой информации. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600¸700 Мбайт. Диск представляет собой полимерный круг диаметром 12 см и толщиной 1.2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждения слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (рис. 9). На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Запись на компакт-диск при промышленном производстве наносится в несколько этапов с помощью мощного инфракрасного лазера.
CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию. С середины 1990-х годов появились устройства, позволяющие производить однократную запись на компакт-диск непосредственно на компьютере (SD-Recordable, CDR). Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи (CD-Rewritable, SD-RW). Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи (Digital Versatile Disk, DVD).
Флэш-память. Все дисковые устройства памяти имеют механические детали, надежность которых недостаточна. Это привело к созданию флэш-памяти, обладающей малой энергоемкостью, небольшими размерами и значительным объемом. Эта память допускает неограниченное число циклов перезаписи. В ней использован новый принцип записи и считывания информации. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой изготовлен из ферроэлектрического материала, два крайних слоя представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При такой подаче информация записывается или считывается со среднего слоя. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельной микросхемы с контроллером, размером 40´16´7 мм, ее объем сейчас может достигать нескольких десятков Гбайт.