ВВЕДЕНИЕ
Память компьютера предназначена для хранения информации и характеризуется следующими основными параметрами:
- объемом (емкостью), то есть максимально возможным числом блоков данных, размещаемых в памяти;
- быстродействием, характеризуемым средним временем обращения к памяти (средним временем поиска, чтения и/или записи одного блока данных);
- ценой, отнесенной к одному блоку хранимых данных.
Память компьютера имеет иерархическую структуру в связи с тем, что в едином запоминающем устройстве не удается одновременно в должной мере удовлетворить требования большого объема памяти и высокого быстродействия. Поэтому обычно в состав процессора включают быстродействующую кэш-память сравнительно малого объема (часто также разделяемую на два или три уровня), далее по мере роста объема и времени обращения к памяти выделяют оперативную память и внешнюю память.
РАЗНОВИДНОСТИ И ОСОБЕНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ
В итоге структура памяти имеет следующую классификацию, представленную на рисунке 1:
Рисунок 1 – Классификация памяти
- Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.
- Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.
- Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
- Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.
Так же в рисунке 1 есть сокращения, которые имеют следующую расшифровку:
СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory;
НЖМД – накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры);
НГМД – накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы);
НМЛ – накопители на магнитных лентах;
ПК и ПЛ – перфокарты и перфоленты;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство.
К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ (рисунок 2) устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.
Рисунок 2 – Постоянное запоминающее устройство
К энергозависимой внутренней памяти (рисунок 3) относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш-память. В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.
Рисунок 3 – Оперативное запоминающее устройство
Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.
Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:
1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) - несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2 дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья “Винчестер” - отсюда пошло такое название этих накопителей. Схема накопителя на жёстких магнитных дисках представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Накопители на жестких МД:
а — НМД ЕС 5061 (прототип IBM 2311 — сменные и съемные пакеты дисков; 29 Мбайт); б — «винчестер» (несменные и несъемные пакеты дисков; до 500 Гбайт
2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная ёмкость 5,25 дюймовой дискеты - 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты - 1,44Мбайт. В настоящее время 5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются. Накопитель продемонстрирован на рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема накопителя на гибких магнитных дисках
Альтернативою HDD (НЖМД) накопителям, являются SSD накопители, то есть твердотельный накопитель. Это компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме микросхем памяти, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором.
В настоящее время твердотельные накопители используются как в носимых (ноутбуках, нетбуках, планшетах), так и в стационарных компьютерах для повышения производительности. На 2016 год наиболее производительными выступали SSD формата M.2 с интерфейсом NVMe, у которых при подходящем подключении скорость записи/чтения данных могла достигать 3800 мегабайт в секунду. SSD представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 – Твердотельный накопитель
3. Оптические диски (СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory) - компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD-ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее популярными съемными носителями информации. Раньше при размерах 12 см в диаметре их ёмкость достигает 700 Мб, сейчас объём памяти может достигать 512 Гб. В настоящее время формат компакт-дисков DVD-ROM утратили популярность и морально устарели, так как позволяют при тех же размерах носителя разместить информацию объемом 45 Гб. Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно и представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Оптические диски:
а — DVD-RW (до 45 Гб); б — SD-RW (до 512 Гб)
Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:
1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 22 Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 220 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации. Для ознакомления магнитные накопители представлены на рисунке 7.
Рисунок 7 – Накопители на магнитных лентах
2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются. Перфокарты и перфоленты продемонстрированы на рисунке 8.
Рисунок 8 – Перфокарты (а) и перфоленты (б):
ИТОГИ
Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.
Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти. Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации - одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты - восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки, можно совершать две основные операции:
1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;
2) записать информацию в байт с определенным адресом.
Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.
По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.
Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Е.Г., Богатырев С.Д. Информатика. Мультимедийный электронный учебник - https://inf.e-alekseev.ru/
2. https://studref.com/352375/informatika/
3. В. Фиоктистов. Обзор технологий хранения информации. Часть 1. Принципы работы и классификация ЗУ