Что такое память компьютера определение. Что такое память компьютера

Изучив эту тему, вы узнаете:

Что такое память компьютера и как она соотносится с памятью человека;
- каковы характеристики памяти;
- почему память компьютера разделяется на внутреннюю и внешнюю;
- какова структура и особенности внутренней памяти;
- какие наиболее распространенные типы внешней памяти компьютера существуют и в чем состоит их назначение.

Назначение и основные характеристики памяти

В процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в составе компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называют памятью. Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, представляет собой закодированные с помощью цифр 0 и 1 различные символы (цифры, буквы, знаки), звуки, изображения.

Память компьютера - совокупность устройств для хранения информации.

В процессе развития вычислительной техники люди вольно или невольно пытались по образу и подобию собственной памяти проектировать и создавать различные технические устройства хранения информации. Чтобы лучше понять назначение и возможности различных запоминающих устройств компьютера, можно провести аналогию с тем, как хранится информация в памяти человека.

Может ли человек хранить всю информацию об окружающем мире в своей памяти и нужно ли это ему? Зачем, например, помнить названия всех поселков и деревень вашей области, когда при необходимости вы можете воспользоваться картой местности и найти все, что вас интересует? Нет необходимости помнить и цены железнодорожных билетов на разных направлениях, так как для этого есть справочные службы. А сколько существует всевозможных математических таблиц, где рассчитаны значения некоторых сложных функций! В поисках ответа вы всегда можете обратиться к соответствующему справочнику.

Информация, которую человек постоянно хранит в своей внутренней памяти, характеризуется гораздо меньшим объемом по сравнению с информацией, сосредоточенной в книгах, кинолентах, на видеокассетах, дисках и других материальных носителях. Можно сказать, что материальные носители, используемые для хранения информации, составляют внешнюю память человека. Для того чтобы воспользоваться информацией, хранящейся в этой внешней памяти, человек должен затратить гораздо больше времени, чем если бы она хранилась в его собственной памяти. Этот недостаток компенсируется тем, что внешняя память позволяет сохранять информацию сколь угодно длительное время и использовать ее может множество людей.

Существует еще один способ хранения информации человеком. Только что появившийся на свет малыш уже несет в себе внешние черты и, частично, характер, унаследованный от родителей. Это так называемая генетическая память. Новорожденный многое умеет: дышит, спит, ест... Знаток биологии вспомнит о безусловных рефлексах. Эту разновидность внутренней памяти человека можно назвать постоянной, неизменной.

Подобный принцип разделения памяти использован и в компьютере. Вся компьютерная память поделена на внутреннюю и внешнюю. Аналогично памяти человека, внутренняя память компьютера является быстродействующей, но имеет ограниченный объем. Работа же с внешней памятью требует гораздо большего времени, но она позволяет хранить практически неограниченное количество информации.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной и кэш-памяти. Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования. Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти и кэш-памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внутренней памяти полностью очищается. Другая часть внутренней памяти, называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера.

Внешняя память компьютера по аналогии с тем, как человек обычно хранит информацию в книгах, газетах, журналах, на магнитных лентах и пр., тоже может быть организована на различных материальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнитных лентах, на лазерных дисках (компакт-дисках).

Классификация видов компьютерной памяти по назначению показана на рисунке 18.1.

Рассмотрим общие для всех видов памяти характеристики и понятия.

Существует две распространенные операции с памятью - считывание (чтение) информации из памяти и запись ее в память для хранения. Для обращения к областям памяти используются адреса.

При считывании порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия: числа участвуют в вычислениях, слова используются при создании текста, из звуков создается мелодия и т. д. После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.

Рис. 18.1. Виды памяти компьютера

При записи (сохранении) порции информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.

Операции чтения и записи можно сравнить с известными вам в быту процедурами воспроизведения и записи, выполняемыми с обычным кассетным магнитофоном. Когда вы прослушиваете музыку, то считываете информацию, хранящуюся на ленте. При этом информация на ленте не исчезает. Но после записи нового альбома любимой рок-группы ранее хранившаяся на ленте информация будет затерта и утрачена навсегда.

Чтение (считывание) информации из памяти - процесс получения информации из области памяти по заданному адресу.

Запись (сохранение) информации в памяти - процесс размещения информации в памяти по заданному адресу для хранения.

Способ обращения к устройству памяти для чтения или записи информации получил название доступа. С этим понятием связан такой параметр памяти, как время доступа, или быстродействие памяти - время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации. Очевидно, что для числового выражения этого параметра используются единицы измерения времени: миллисекунда, микросекунда, наносекунда.

Время доступа, или быстродействие, памяти - время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации.

Важной характеристикой памяти любого вида является ее объем, называемый также емкостью. Этот параметр показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в памяти. Для измерения объема памяти используются следующие единицы: байты, килобайты (Кбайт), мегабайты (Мбайт), гигабайты (Гбайт).

Объем (емкость) памяти - максимальное количество хранимой в ней информации.

Внутренняя память

Характерными особенностями внутренней памяти по сравнению с внешней являются высокое быстродействие и ограниченный объем. Физически внутренняя память компьютера представляет собой интегральные микросхемы (чипы), которые размещаются в специальных подставках (гнездах) на плате. Чем больше размер внутренней памяти, тем более сложную задачу и с большей скоростью может решить компьютер.

Постоянная память хранит очень важную для нормальной работы компьютера информацию. В частности, в ней содержатся программы, необходимые для проверки основных устройств компьютера, а также для загрузки операционной системы. Очевидно, что изменять эти программы нельзя, так как при любом вмешательстве сразу станет невозможным последующее использование компьютера. Поэтому разрешено только чтение хранимой там постоянно информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое ее английское название Read Only Memory (ROM) - память только для чтения. 

Вся записанная в постоянную память информация сохраняется и после выключения компьютера, так как микросхемы являются энергонезависимыми. Запись информации в постоянную память происходит обычно только один раз - при производстве соответствующих чипов фирмой-изготовителем.

Постоянная память - устройство для долговременного хранения программ и данных.

Существует две основные разновидности микросхем постоянной памяти: однократно программируемые (после записи содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые. Изменение содержимого многократно программируемой памяти производится путем электронного воздействия.

Оперативная память хранит информацию, необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные, команды, промежуточные и конечные результаты. Эта память работает только при включенном электропитании компьютера. После его выключения содержимое оперативной памяти стирается, так как микросхемы являются энергозависимыми устройствами.

Оперативная память - устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.

Устройство оперативной памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой ячейке памяти. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory - память с произвольным доступом).

Если необходимо хранить результаты обработки длительное время, то следует воспользоваться каким-нибудь внешним запоминающим устройством.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
При выключении компьютера вся находящаяся в оперативной памяти информация стирается.

Оперативная память характеризуется высоким быстродействием и относительно малой емкостью.

Микросхемы оперативной памяти монтируются на печатной плате. Каждая такая плата снабжена контактами, расположенными вдоль нижнего края, число которых может быть 30, 72 или 168 (рисунок 18.2). Для подключения к другим устройствам компьютера такая плата вставляется своими контактами в специальный разъем (слот) на системной плате, расположенной внутри системного блока. Системная плата имеет несколько разъемов для модулей памяти, суммарный объем которых может принимать ряд фиксированных значений, например 64, 128, 256 Мбайт и более.

Рис. 18.2. Микросхемы (чипы) оперативной памяти

Кэш-память (англ. cache - тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера.

Кэш-память используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью. Алгоритм ее работы позволяет сократить частоту обращений микропроцессора к оперативной памяти и, следовательно, повысить производительность компьютера.

Существует два типа кэш-памяти: внутренняя (8-512 Кбайт), которая размещается в процессоре, и внешняя (от 256 Кбайт до 1 Мбайт), устанавливаемая на системной плате. 

Внешняя память

Назначение внешней памяти компьютера заключается в долговременном хранении информации любого вида. Выключение питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Объем этой памяти в тысячи раз больше объема внутренней памяти. Кроме того, в случае необходимости ее можно «нарастить» так же, как можно купить дополнительную книжную полку для хранения новых книг. Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени. Как человек затрачивает на поиск информации в справочной литературе гораздо больше времени, чем на ее поиск в собственной памяти, так и скорость обращения (доступа) к внешней памяти существенно больше, чем к оперативной.

Необходимо различать понятия носителя информации и устройства внешней памяти.

Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.

Устройство внешней памяти (накопитель)-физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель.

Носителями информации во внешней памяти современных компьютеров являются магнитные или оптические диски, магнитные ленты и некоторые другие.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа.

В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует.

Рассмотрим знакомые всем примеры. Время доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где записана песня. Это пример последовательного доступа к информации. Время же доступа к песне на грампластинке не зависит от того, первая эта песня на диске или последняя. Чтобы прослушать любимое произведение, достаточно установить звукосниматель проигрывателя в определенное место на диске, где записана песня, или на музыкальном центре указать ее номер. Это пример прямого доступа к информации.

Дополнительно к введенным ранее общим характеристикам памяти для внешней памяти используют понятия плотности записи и скорости обмена информацией.

Плотность записи определяется объемом информации, записанным на единице длины дорожки. Единицей измерения плотности записи служат биты на миллиметр (бит/мм). Плотность записи зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, то есть числа дорожек на поверхности диска.

ПЛОТНОСТЬ записи - объем информации, записанной на единице длины дорожки.

Скорость обмена информации зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что, в свою очередь, определяется скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. По способу записи и чтения устройства внешней памяти (накопители) подразделяются в зависимости от вида носителя на магнитные, оптические и электронные (флэш-память). Рассмотрим основные виды внешних носителей информации.

Гибкие магнитные диски

Одним из наиболее распространенных носителей информации являются гибкие магнитные диски (дискеты) или флоппи-диски (от англ. floppy disk). В настоящее время широко используются гибкие диски с внешним диаметром 3,5" (дюйма), или 89 мм, называемые обычно 3-дюймовыми. Диски называются гибкими потому что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. 

Поверхность диска покрывается специальным магнитным слоем. Именно этот слой обеспечивает хранение данных, представленных двоичным кодом. Наличие намагниченного участка поверхности кодируется как 1, отсутствие - как 0. Информация записывается с двух сторон диска на дорожках, которые представляют собой концентрические окружности (рисунок 18.3). Каждая дорожка разделяется на секторы. Дорожки и секторы представляют собой намагниченные участки поверхности диска.

Работа с дискетой (запись и чтение) возможна только при наличии на ней магнитной разметки на дорожки и секторы. Процедура предварительной подготовки (разметки) магнитного диска называется форматированием. Для этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, с помощью которой и производится форматирование диска.

Рис. 18.3. Разметка поверхности гибкого диска

Форматирование диска - процесс магнитной разметки диска на дорожки и секторы.

Для работы с гибкими магнитными дисками предназначено устройство, называемое дисководом, или накопителем на гибких магнитных дисках (НГМД). Дисковод для гибких дисков относится к группе накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока.

Гибкий диск вставляется в щель дисковода, после чего автоматически открывается шторка и происходит вращение диска вокруг своей оси. При обращении к нему соответствующей программы магнитная головка записи/чтения устанавливается над тем сектором диска, куда надо записать или откуда требуется считать информацию. Для этого дисковод снабжен двумя шаговыми электродвигателями. Один двигатель обеспечивает вращение диска внутри защитного конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация, а значит, увеличивается скорость обмена информацией. Второй двигатель перемещает головку записи/чтения вдоль радиуса поверхности диска, что и определяет другую характеристику внешней памяти - время доступа к информации.

В защитном конверте имеется специальное окно защиты записи. Это окно может быть открыто или закрыто с помощью бегунка. Для предохранения информации на диске от изменения или удаления это окно открывают. При этом запись на гибкий диск становится невозможна и доступным остается только чтение с диска.

Для обращения к диску, установленному в дисководе, используются специальные имена в виде латинской буквы с двоеточием. Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличить имя дисковода от буквы, поскольку это общее правило. Дисководу для считывания информации с 3-дюймового диска присваивается имя А: или иногда В:.

Запомните правила работы с гибкими дисками.

1. Не дотрагивайтесь до рабочей поверхности диска руками.
2. Не держите диски вблизи источника сильного магнитного поля, например около магнита.
3. Не подвергайте диски нагреванию.
4. Рекомендуется делать копии содержимого гибких дисков на случай их повреждения и выхода из строя.

Существенно увеличить хранимый на магнитном диске объем позволяют технологии, которые при записи дополнительно используют сжатие информации (ZIP-диск).

Жесткие магнитные диски

Одним из обязательных компонентов персонального компьютера являются жесткие магнитные диски. Они представляют собой набор металлических либо керамических дисков (пакет дисков), покрытых магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри герметичного корпуса накопителя, обычно называемого винчестером. Накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) относится к накопителям с прямым доступом.

Термин «винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30"/30" известного охотничьего ружья «Винчестер».

Основные особенности жестких дисков:

♦ жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;
♦ для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;
♦ для доступа к информации один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в место считывания/запи си информации;
♦ наиболее распространенные размеры жесткого диска - 5,25 и 3,5 дюйма в наружном диаметре.

Жесткий магнитный диск представляет собой очень сложное устройство с высокоточной механикой чтения/записи и электронной платой, управляющей работой диска. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов, резких толчков.

Производители винчестеров сосредоточили свои усилия на создании жестких дисков большей емкости, надежности, скорости обмена данными и меньшей шумности. Можно выделить следующие основные тенденции развития жестких магнитных дисков:

♦ развитие винчестеров для мобильных приложений (например однодюймовые, двухдюймовые винчестеры для ноутбуков);
♦ развитие областей применения, не связанных с персональными компьютерами (в телевизорах, видеомагнитофонах, автомобилях). 

Для обращения к жесткому диску используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D: и т. д. Для удобства работы в операционной системе предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один физический диск на несколько независимых частей, называемых логическими дисками. В этом случае каждой части одного физического диска присваивается свое логическое имя, что позволяет независимо обращаться к ним: С:, D: и т. д.

Оптические диски

Оптические, или лазерные носители - это диски, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Эти диски изготовлены из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Такие диски часто называют компакт-дисками у или CD (англ. Compact Disk - компакт -диск). Лазерные диски в настоящее время являются наиболее популярными носителями информации. При габаритах (диаметр - 120 мм), сопоставимых с флоппи-дисками (диаметр - 89 мм), емкость современного компакт-диска примерно в 500 раз больше, чем у дискеты. Емкость лазерного диска составляет примерно 650 Мбайт, что эквивалентно хранению текстовой информации объемом около 450 книг или звукового файла длительностью 74 минуты.

В отличие от магнитных дисков, лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация на дорожке-спирали записывается мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как единица (1), впадины поглощают луч и, соответственно, воспринимаются как ноль (0). 

Бесконтактный способ считывания информации с помощью лазерного луча определяет долговечность и надежность ком- пакт-дисков. Как и магнитные, оптические диски относятся к устройствам с произвольным доступом к информации. Оптическому диску присваивается имя - первая свободная буква латинского алфавита, не использованная для имен жестких дисков.

Различают два типа накопителей (оптических дисководов) для работы с лазерными дисками:

♦ устройство для чтения с компакт-дисков, которое позволяет только читать информацию, ранее записанную на диск. Этим обусловлено название оптического дисковода CD-ROM (от англ. Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск только для чтения). Невозможность записи информации в этом устройстве объясняется тем, что в нем установлен источник слабого лазерного излучения, мощности которого хватает только для считывания информации;
♦ оптический дисковод, который позволяет не только считывать, но и выполнять запись информации на компакт-диск. Он называется CD-RW (Rewritable). Устройства CD-RW обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска и прожигать микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, производя тем самым запись непосредственно в дисководе компьютера.

Диски DVD, также как и CD, хранят данные за счет расположенных выпуклостей (насечек) вдоль спиральных дорожек на отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в устройствах записи/чтения DVD дисков лазер создает насечки более мелкого размера, что позволяет увеличить плотность записи данных. 

Внедрение полупрозрачного слоя, который прозрачен для света с одной длиной волны и отражает свет другой длины волны, позволяет создавать двухслойные и двухсторонние диски и следовательно увеличить емкость диска при прежних размерах. При этом геометрические размеры DVD и CD одинаковые, что позволило создать устройства, способные воспроизводить и записывать данные как на CD, так и на DVD. Но оказалось, что это не предел. Для записи видео и звука на DVD применяется сложная технология сжатия данных, обеспечивающая возможность разместить еще большие объемы информации в меньшем пространстве

Магнитные ленты

Магнитные ленты представляют собой носитель, аналогичный используемому в аудиокассетах бытовых магнитофонов. Устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации с магнитных лент, называется стримером (от англ. stream - поток, течение; струиться). Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информации и характеризуется гораздо меньшей скоростью записи и считывания информации по сравнению с дисководами.

Основное назначение стримеров - создание архивов данных, резервное копирование, надежное хранение информации. Многие большие банки, коммерческие фирмы, торговые предприятия в конце плановых периодов переносят важные сведения на магнитные ленты и убирают кассеты в архивы. Кроме того, на кассеты стримеров периодически записывается информация с винчестера, чтобы воспользоваться ею в случае непредвиденного сбоя жесткого диска, когда необходимо срочно восстановить хранившуюся на нем информацию.

Флэш-память

Флэш-память относится к электронному энергонезависимому типу памяти. Принцип работы флэш-памяти аналогичен принципу работы модулей оперативной памяти компьютера.

Главное отличие состоит в том, что она энергонезависима, то есть хранит данные до тех пор, пока вы их сами не удалите. При работе с флэш-памятью используются такие же операции, что и с другими носителями: запись, чтение, стирание (удаление).

Флэш-память имеет ограниченный срок службы, который зависит от объема перезаписываемой информации и от частоты ее обновления.

Сравнительные характеристики

Современные компьютеры, как правило, имеют внешнюю память в составе: винчестер, дисковод для 3,5-дюймовых дискет, CD-ROM, флэш-память. Следует помнить, что магнитные диски и ленты чувствительны к воздействию магнитных полей. В частности, размещение поблизости с ними сильного магнита может разрушить информацию, хранимую на перечисленных носителях. Поэтому, используя магнитные носители, необходимо обеспечить их удаленность от источников магнитных полей.

В таблице 18.1 приведено сравнение объемов памяти наиболее распространенных современных устройств памяти и носителей информации, рассмотренных ранее.

Таблица 18.1. Сравнительная характеристика устройств памяти
персонального компьютера, август 2006

Контрольные вопросы и задания

1. Емкость гибкого диска размером 3,5 дюйма равна 1,44 Мбайт. Лазерный диск может содержать 650 Мбайт информации. Определите, сколько дискет потребуется, чтобы разместить информацию с одного лазерного диска.

2. Диаметр гибких дисков задается в дюймах. Вычислите размеры гибких дисков в сантиметрах (1 дюйм = 2,54 см).

3. Установлено, что для записи одного символа необходим 1 байт памяти. В тетради в клеточку, состоящей из 18 листов, мы пишем по одному символу в каждой клетке. Сколько тетрадей можно записать на один гибкий диск с объем памяти 1,44 Мбайт?

4. Определите объем памяти, необходимой для хранения 2 млн символов. Сколько дисков объемом 1,44 Мбайт понадобится для записи этой информации?

5. Ваш жесткий диск имеет объем 2,1 Гбайт. Устройство распознавания речи воспринимает информацию с максимальной скоростью 200 букв в минуту. Сколько времени надо говорить, чтобы заполнить 90 % объема памяти жесткого диска?

6. Каково назначение устройств хранения информации в компьютере?

7. Какие виды памяти вы знаете и в чем их основное различие?

8. Для чего при работе на персональном компьютере используется внешняя память?

9. В чем суть считывания и записи информации в память?

10. Какие вы знаете характеристики, общие для всех видов памяти?

11. Чем характеризуется внутренняя память компьютера?

12. В чем особенности постоянной памяти?

13. В чем особенности оперативной памяти?

14. В чем особенности кэш-памяти?

15. Укажите отличительные особенности внутренней и внешней памяти компьютера.

16. Какие специфические характеристики внешней памяти вы знаете? 

17. Перечислите известные вам носители информации с древних времен и до наших дней. Расположите их в хронологическом порядке.

18. Дайте краткую характеристику наиболее распространенным накопителям данных, которые используются в компьютере.

19. В чем отличие прямого и последовательного доступа к информации на носителях?

20. Укажите общие свойства и отличительные особенности гибких и жестких дисков.

21. Что такое CD, CD-ROM, CD-R?

22. Когда целесообразно использовать стример?

23. Заполните таблицу 18.1 данными для конкретной модели компьютера.

Компьютерная память (устройство хранения , запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

• последовательный доступ (магнитные ленты)
• произвольный доступ (оперативная память)
• прямой доступ (жесткие магнитные диски);
• ассоциативный;

по типу электропитания:

• энергонезависимая (оперативная и кэш-память)
• статическая (SRAM — Static Random Access Memory)
• динамическая (DRAM — Dynamic Random Access Memory)
• энергонезависимая (жесткие диски, компакт-диски, флэш-память)

по назначению:

• буферная;
• временная;
• кэш-память;
• корректирующая;
• управляющая;
• коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

• акустическая;
• голографическая;
• емкостная;
• криогенная;
• лазерная;
• магнитная;
• магнитооптическая;
• молекулярная;
• полупроводниковая;
• ферритовая;
• фазоинверсная;
• электростатическая.

Оперативная память компьютера

Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.

Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.

При производстве модулей памяти, как правило, одна фирма выпускает микросхемы (чипы), а другая делает сами модули (монтаж и пайка). Производителей чипов в мире насчитывается не более 10. Крупные производители чипов: Samsung, Mиcron, LG, Hynиx, Toshиba, Nec, Texas Instruments проводят тщательное тестирование готовой продукции, но полный цикл тестирования проходят далеко не все чипы. Исходя из этого, продукцию этих компаний можно условно разделить на три категории: класса А, В и С.

Первая — готовы микросхемы, прошедшие полный цикл тестирования (т.н. чипы класса A, примерно 10% от всей продукции) — считаются чипами высшего качества и самые надежные. Они также и самые дорогие, поскольку обеспечивают надежную работу в любых условиях. Эта категория чипов используется известными производителями модулей памяти.

Вторая (чипы класса B) — модули памяти с небольшими дефектами, на этапе тестирования которых были обнаружены ошибки. Эти чипы в большом количестве поставляются производителям дешевых модулей памяти, попадая затем на свободный рынок. Вполне может случиться, что модули, изготовленные на основе микросхем класса B, будут быстро и надежно работать, однако в системах, где нужна, прежде всего, надежность, подобные модули не применяются.

Третья (чипы класса C), которые вообще не тестировались производителем на скорость и надежность. Понятно, что на рынке такая продукция имеет наименьшую стоимость, поскольку вся ответственность за тестирование ложится на производителей модулей. Именно такие микросхемы используют производители дешевой памяти класса noname, а стабильность работы этих изделий вызывает большие сомнения. Надежность готового модуля памяти определяется совокупностью многих факторов. В частности, это количество слоев печатной платы (PCB), качество электронных компонентов, грамотное разведение цепей, а также технология производственного процесса. Мелкие производители модулей для снижения цены готовых изделий экономят на мелких компонентах, зачастую просто не впаянных на модуль.

Основная память на ПК организована в цепи типа SIMM или DIMM. Существуют различные виды таких схем, которые отличаются скоростью доступа к данным в памяти.

На персональном компьютере имеется кэш память на двух уровнях: первый уровень быстрее и меньше по размеру и расположен внутри процессора, а второй — на материнской плате.

Память для хранения информации: жесткий диск, твердотельные накопители

Жесткий диск (накопитель на жестких магнитных дисках (HDD), «винчестер») — устройство для хранения информации, в котором используется принцип магнитной записи. Внутри этого носителя запись данных осуществляется на жесткие пластины, изготовленные из легкого металлического сплава или стекла и покрытые слоем специального магнитного материала (чаще всего — двуокисью хрома). В зависимости от конструкции, в устройстве могут использоваться одна или несколько таких пластин, которые быстро вращаются на одной оси.

Устройство жесткого диска: 1 — постоянный магнит; 2 — соленоидный привод головок; 3 — головка чтения / записи информации; 4 — шпиндель двигателя, вращающего дисковые пластины; 5 — корпус, обеспечивающий герметизацию; 6 — пакет магнитных дисковых пластин 7 — кабель подключения головок к управляющей плате

За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающие головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько микрометров). Это гарантирует надежность записи / считывания данных. При остановке пластин, головки перемещаются за пределы их поверхности, поэтому механический контакт между головками и пластинами практически исключен. Такая конструкция обеспечивает долговечность запоминающих устройств этого типа.

Основные характеристики жестких дисков:

Емкость — показатель, определяющий количество данных, которые в нем можно хранить. Сегодня существуют жесткие диски емкостью более 4000 ГБ. Нужно учитывать, что при маркировке емкости запоминающих устройств, производители используют величины, кратные не 1024 (как обычно принято), а 1000 есть винчестер, емкость которого согласно маркировки равна 500 ГБ, на самом деле сможет хранить не более 465 ГБ информации.

Интерфейс — совокупность линий связи, которыми запоминающее устройство подключается к материнской плате компьютера. Каждый тип интерфейса имеет свои особенности и скорость передачи данных. Наиболее распространенным на данный момент является интерфейс SATA. Более старый PATA также встречается, но редко.

Параметры жестких дисков

Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются устройства 2,5 или 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.

Время произвольного доступа — это средний промежуток времени, за который устройство осуществляет позиционирования головки на нужный участок магнитной пластины. Этот параметр в современных устройств варьирует в пределах 2,5 — 16 мс (чем меньше, тем лучше).

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов магнитных пластин жесткого диска за 1 минуту. От этого показателя напрямую зависит производительность устройства (чем выше, тем лучше), а также его энергопотребление, степень вибрации и шума (чем меньше, тем лучше). Здесь важен баланс: для стационарных компьютеров лучше выбрать более быстрый носитель, для портативного — более экономичный и тихий. Скорость вращения шпинделя современных жестких дисков может варьировать от 4200 до 15000 оборотов в минуту.

Объем буфера специальной внутренней быстрой памяти диска, предназначенная для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при считывании и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.

В последнее время начался выпуск жестких дисков со встроенной флэш-памятью в качестве кэша, что значительно улучшает скоростные показатели дисков.

Фирмы производители: IBM , Hitachi , Seagate , Samsung , Western Digital .

Для увеличения общего объема информации, записывается на магнитный носитель, был разработан новый тип записи — перпендикулярен — когда магнитные моменты ориентируются перпендикулярно подложке, за счет чего их плотность увеличивается, вместо продольного.

Запись магнитной информации продольного (а) и перпендикулярного (б) типа

Накопители SSD

Твердотельный накопитель (SSD — Solid State Drive) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей на основе микросхем памяти разработанных на базе полупроводниковой технологии.

Существует всего 2 типа SSD накопителей: SSD диски на основе флэш-памяти (самые популярные и распространенные), и SSD на основе оперативной памяти.

Основополагающим принципом организации работы флеш-памяти является хранение ею 1 бита данных в массиве транзисторов с плавающим затвором (элементарными ячейками), путем изменения и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволила ему получить всеобщее признание, как носителя информации, стала способность удерживать электрический разряд на плавающем затворе до 120 месяцев. Сам плавающий затвор изготовлен из поликристаллического кремния и со всех сторон окружен слоем диэлектрика, что исключает возможность контакта его с элементами транзистора. Располагается он между диэлектрической подкладкой и управляющим затвором. Управляющий электрод полевого транзистора и называется затвором.

Запись и стирание информации происходит за счет изменения приложенного заряда между затвором и истоком большим потенциалом, пока напряженность электрического поля в диэлектрике между каналом транзистора и изолированной областью не станет достаточной для возникновения туннельного эффекта. Таким образом электроны переходят через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечивая его зарядом, а, значит, и наполнение элементарной ячейки битом информации. Также, для усиления эффекта туннелирования электронов при записи, применяется слабое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Для удаления информации управляющий затвор обеспечивается отрицательным напряжением высокой мощности с тем, чтобы позволить электронам переходить с плавающего затвора на исток. Подобная организация элементарных ячеек, объединенных в страницы, блоки и массивы и составляет твердотельный накопитель.

Преимущества SSD накопителей:

• отсутствие механических составляющих;
• скорость считывания и записи намного выше скорости работы жестких дисков с интерфейсом (SATA2 — 3 ГБ/с, SATA3 — 6 ГБ/с) и ограничивается лишь возможностями применяемых контроллеров;
• низкое потребление энергии;
• низкий уровень шума (из-за отсутствия подвижных частей);
• высокая устойчивость к механическим воздействиям (падение, удары)
• стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малые габариты и вес;
• широкий потенциал для улучшения характеристик и технологий производства.

Недостатки SSD накопителей:

• ограничения на количество циклов перезаписи: (MLC, Multi-Level Cell, многоуровневые ячейки памяти) флэш-памяти — около 10 000 раз, более дорогие типы памяти (SLC, Single-Level Cell, одноуровневые ячейки памяти) — около 100 000 раз;
• высокая цена SSD накопителя. Стоимость SSD дисков прямо пропорциональна их объему, тогда как стоимость жестких дисков зависит от количества пластин и менее зависит от объема накопителя.

RAID массивы

RAID массив (Redundant Array of Inexpensive / Independent Disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — это матрица недорогих независимых устройств (жестких дисков с интерфейсом АТА или SATA) с избыточностью информации, на которую возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности обработки данных, управляется контроллером и связана скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое.

Организация RAID — массивов. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени безотказности (надежности) и быстродействия.

RAID имеет две цели:

1. увеличение надежности хранения информации;
2. увеличение скорости записи / считывания.

Наиболее популярными видами RAID является RAID 0, 1 и 0 + 1.

Отказоустойчивость массива достигается за счет избыточности информации, хранящейся на жестких дисках, то есть часть емкости дискового пространства (памяти) отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, или распределяться между всеми дисками массива. Способов формирования избыточной информации достаточно много. Самый простой из них — полное дублирование (или отражение) — имеет 100-процентную избыточность. Для снижения избыточности (увеличение объема полезного дискового пространства) используются различные математические методы типа вычисления четности или применения кодов с коррекцией ошибок.

RAID 0 — представляет собой дисковый массив с 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски без защиты от отказов. В этом случае данные разбиваются на блоки (stripe), параллельно записываются на разные диски (например, при использовании двух винчестеров одновременно), совместно участвуют в каждой операции ввода / вывода информации.

Преимущества такого подхода — обеспечение высокой производительности для приложений, требующих большого объема ввода / вывода данных, простота реализации и низкая стоимость единицы объема. Основной недостаток — выход из строя одного любого диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID 1 — это массив дисков с 100-процентной избыточностью, обладает очень высоким уровнем надежности хранения данных за счет их дублирования («отражение»). «Отражение» (Mirror) — традиционный способ повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одна и та же информация. В случае отказа одного из дисков остается дубликат, который продолжает работать в прежнем режиме.

Схема записи информации в массиве RAID 1 (отражение)

Преимущества — простота реализации и восстановления массива данных, а также достаточно высокое быстродействие для приложений с большой интенсивностью запросов. Недостатки — невысокая скорость передачи данных при двойной стоимости единицы объема, поскольку имеет место 100% -ная избыточность.

RAID 2 — массив с использованием помехоустойчивого кода Хемминга.

RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском четности.

RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора рассчитывается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков — циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчивый к потере не более чем одного диска.

Схема массива RAID 5

RAID 6. Все различия сводятся к тому, что используются две схемы четности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи чрезвычайно низкой.

RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов.

RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5.

RAID 60 — RAID 0, построенный из RAID 6.

Комбинированные массивы. При большем количестве дисков вместо RAID 1 можно использовать массивы RAID 0 + 1, RAID 1 + 0 или RAID 10, это комбинации RAID 0 и RAID 1, которые позволяют достичь лучших показателей быстродействия и надежности системы. Первая цифра означает уровень составляющих массивов, а вторая цифра — какую организацию имеет верхний уровень, объединяющий (массивы).

Комбинация RAID 0 + 1, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объема дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.

Схематическое изображение массива RAID 0 + 1 (а) и RAID1 + 0 (б)

RAID 0 + 1 имеет высокую скорость работы и повышенную надежность, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и является недорогим решением.

RAID 1 + 0 (RAID10). Этот уровень не требует каких-либо математических вычислений контрольных сумм на любой стадии его построения или работы. По этой причине не обладает существенная деградация производительности, оказывается в RAID 5 при отказе одного из дисков. В RAID10 можно объединить только четное количество дисков N = 2 ∙ M (минимум — 4, максимум — 16). Массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным при отказе до 5 жестких дисков.

Выводы

Компьютерная память — это сложная система аппаратного обеспечения, которая в зависимости от своих функций позволяет получать, хранить, манипулировать и выводить данные. Объем оперативной памяти и ее частотность отвечает за производительность, быстродействие и количество запущенных программ, а соответственно и комфортную работу пользователя. В случае интегрированного графического адаптера часть оперативной памяти может выделяться для графических нужд. При включенном ПК оперативная память играет функцию временного хранения данных, используемых процессором, поскольку после отключения электропитания вся информация теряется. Производительность ПК зависит от слаженной работы между оперативной памятью материнской платой и процессором.

Для сохранения информации на длительный срок используются жесткие диски (внутренние, внешние) или относительно новый тип памяти — твердотельные накопители. У каждого типа носителей есть свои преимущества и недостатки: важным критерием остается стоимость, надежность хранения информации и объем.

Для обеспечения потребностей пользователя в скорости записи / считывания и сохранении информации используются RAID массивы — объединение нескольких жестких дисков, контролируется специальным RAID-контроллером. В зависимости от типа подключения на одни — будет записываться новая информация, а остальные будут их копиями (за счет чего создается избыточность).

У любого массива RAID, который остается работоспособным при сбое одного диска, существует такое понятие, как время восстановления (rebuild time) — это время, за которое контроллер должен организовать функционирование нового диска в массиве.

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Запоминающие устройства

Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям:

• o по типу запоминающих элементов
• o по функциональному назначению
• o по типу способу организации обращения
• o по характеру считывания
• o по способу хранения
• o по способу организации

По типу запоминающих элементов

• o Полупроводниковые
• o Магнитные
• o Конденсаторные
• o Оптоэлектронные
• o Голографические
• o Криогенные

По функциональному назначению

• o ОЗУ
• o БЗУ
• o СОЗУ
• o ВЗУ
• o ПЗУ
• o ППЗУ
• o РгПЗУ

По типу, способу организации обращения

• o С последовательным поиском
• o С прямым доступом
• o Адресные
• o Ассоциативные
• o Стековые
• o Магазинные

По характеру считывания

• o С разрушением информации
• o Без разрушения информации

По способу хранения

• o Статические
• o Динамические

По способу организации

• o Однокоординатные
• o Двухкоординатные
• o Трехкоординатные
• o Двух- трехкоординатные

Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт.

В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.

Компьютеры, использующие процессор l80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. В отличие от l80286 микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно просто, именно поэтому для них в составе MS-DOS имеется специальный драйвер - менеджер памяти ЕММ386.

Кстати, при наличии соответствующего драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать микропроцессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies). Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве расширенной памяти.

Компью?терная па?мять (устройство хранения информации, запоминающее устройство) -- часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

В персональных компьютерах «памятью» часто называют один из её видов -- динамическая память с произвольным доступом (DRAM), -- которая используется в качестве ОЗУ персонального компьютера.

Процесс доступа к памяти разбит на разделённые во времени процессы -- операцию записи (сленг. прошивка, в случае записи ПЗУ) и операцию чтения, во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства -- контроллера памяти.

Также различают операцию стирания памяти -- занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений, 00 16 или FF 16 .

Наиболее известные запоминающие устройства, используемые в персональных компьютерах: модули оперативной памяти (ОЗУ), жёсткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD- или DVD-диски, а также устройства флеш-памяти

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из функций компьютера, -- способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями, так называемой архитектуры фон Неймана, -- принципа, заложенного в основу большинства компьютеров общего назначения.

Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных. Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жёстко заданных выполняемых последовательностей. Любое перепрограммирование требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. д. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

Любая информация может быть измерена в битах и потому, независимо от того, на каких принципах физических принципах и в какой системе счисления функционирует цифровой компьютер (двоичной, троичной, десятичной и т. п.), числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

К настоящему времени создано множество устройств, предназначенных для хранения данных, основанных на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, у каждого имеются свои достоинства и свои недостатки, поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов -- битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова -- два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, Терабайт и Петабайт.

В составе компьютера имеется несколько уровней, разновидностей памяти. Важнейшими для работы компьютера видами памяти являются оперативная память (ОП) и внешняя память (ВП).

Оперативная память

Этот уровень памяти компьютера подобен кратковременной памяти человека. Когда человек сосредоточен на выполнении какого-либо дела - готовит пищу, совершает покупки, играет на музыкальном инструменте, управляет автомобилем, - он хорошо помнит («держит в голове») все детали, подробности текущей ситуации, а также план выполняемой работы. После перехода к другой деятельности все это забывается, но в памяти возникает другой план и другие подробности.

ВНИМАНИЕ

Оперативной памятью называется устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также данных, необходимых для их выполнения.

Из определения следует, что в оперативной памяти на стадии выполнения могут одновременно находиться несколько программ. Кроме того, в оперативной памяти могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные.

Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой собственный номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какой-либо другой код. Поэтому оперативную память называют еще прямоадресуемой памятью, памятью с прямым доступом, и обозначают RAM (Random Access Memory - память произвольного доступа). Для обозначения оперативной памяти используются еще и некоторые другие названия: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оперативная память (ООП), просто основная память.

Максимально возможный объем оперативной памяти, который иногда называют адресным пространством, и объем памяти, фактически присутствующий в составе вычислительной машины, являются важнейшими характеристиками компьютера в целом. Адресное пространство определяется принятым способом задания адреса байта. Адрес - это номер, то есть целое число. При этом за каждым байтом памяти должен быть закреплен отдельный номер. Поэтому максимально возможный номер определяет максимально возможный объем памяти, то есть адресное пространство в данной модели компьютера. Если для записи номера байта отводится два байта памяти, то объем оперативной памяти не может превышать 65 535 байта или 64 Кбайт. А если выделяется четыре байта, как это принято в современных компьютерах, то граница возможного объема оперативной памяти возрастает до 4 Гбайт. Стандартным для современных персональных компьютеров общего назначения (массовых ПК) считается объем оперативной памяти 32-64 Мбайт, а во многих случаях уже рекомендуется 128-256 Мбайт. По-видимому, в ближайшее время этот показатель достигнет уровня 1-2 Гбайт. Последние на сегодняшний день модели персональных компьютеров имеют теоретический предел оперативной памяти 64 Гбайт.

Отличительными особенностями оперативной памяти являются ее энергозависимость и относительно высокая стоимость. Энергозависимость означает, что при отключении электропитания вся информация, которая хранилась в оперативной памяти, безвозвратно теряется.

Кроме оперативной памяти в состав персонального компьютера входит родственная ей кэш-память, или просто кэш (cache - запас, тайный склад). Это сверхбыстрая память относительно небольшого объема - 128-512 Кбайт. Иногда ее называют сверхоперативной памятью. По структуре и принципу работы кэш ничем не отличается от оперативной памяти. Однако скорость передачи данных при обмене с кэшем значительно выше, чем при обмене с оперативной памятью, но и стоит она Дороже. Кэш используется как промежуточное звено между процессором и оперативной памятью, которое обеспечивает повышение скорости вычислений. Дело в том, что процессор работает с очень большой скоростью, которая намного превышает скорость работы оперативной памяти. Поэтому при совместной работе процессор будет простаивать, подстраиваясь под скорость оперативной памяти. Чтобы избежать этого эффекта, как раз и вводится промежуточный, скоростной уровень памяти - кэш, который обеспечивает сглаживание разницы скоростей. В современных машинах предусматривается несколько уровней кэш-памяти.

Следует упомянуть и еще один вид памяти компьютера - постоянную память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), или ROM (Read Only Memory - память только для чтения). Эта память отличается от оперативной тем, что запись информации в ПЗУ осуществляется только один раз на заводе-изготовителе. И в дальнейшем из этой памяти возможно только чтение. Кроме того, при отключении электропитания данные, записанные в ПЗУ, сохраняются. Постоянная память используется для хранения наиболее важных и часто используемых служебных программ, которые осуществляют проверку работы отдельных устройств компьютера (тестирование), а также выполняют постоянно используемые операции по обмену данными между клавиатурой, монитором и памятью компьютера. Этот комплекс программ образует базовую систему ввода/вывода или, сокращенно, BIOS (Base Input Output System - базовая ввода/вывода система).

В современных компьютерах оперативная память, а также кэш и ПЗУ реализованы на интегральных, больших или сверхбольших интегральных схемах, которые отличаются от больших схем еще большей плотностью монтажа и, соответственно, заменяют сотни тысяч и миллионы транзисторных элементов.

Конструктивно оперативная память выполняется в виде так называемых модулей памяти - плат, на которых размещаются микросхемы. Плата представляет собой выполненную из специального материала обычно прямоугольную пластинку стандартных размеров, на которой размещаются разъемы для крепления микросхем, а также выполняются монтаж электрических схем питания микросхем и их подсоединение к остальным компонентам компьютера. Существуют модули двух конструкций: SIMM (Single In Line Memory Modules - однорядные модули памяти) и DIMM (Dual In Line Memory Modules - двухрядные модули памяти). В соответствии с названием в модулях SIMM микросхемы размещены в один ряд, а в модулях DIMM - в два ряда. Фактический объем оперативной памяти набирается из нескольких модулей того или иного типа. К сожалению, одновременное использование разнотипных модулей памяти в современных компьютерах не предусмотрено. Поэтому при наращивании, расширении оперативной памяти за счет установки дополнительных модулей приходится учитывать тип уже установленных.

Внешняя память

Этот уровень памяти компьютера похож на вспомогательные средства, используемые человеком для долговременного хранения важных сведений, - записные книжки, всевозможные справочники, фотографии, звукозаписи, кинопленки, видеозаписи и т. д. Эти носители информации естественно трактовать как внешние по отношению к «внутренней» памяти, «находящейся» в голове человека.

ВНИМАНИЕ

Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для долговременного хранения больших массивов информации - программ и данных.

Внешнюю память компьютера, которую иногда называют ВЗУ - внешними запоминающими устройствами, можно представлять себе как значительный по объему информационный склад, где программы и данные могут храниться годами до тех пор, пока они не потребуются. Вообще говоря, название «внешняя память» по отношению к устройствам этой группы в персональных компьютерах не совсем точно отражает ситуацию, так как эти устройства фактически находятся внутри корпуса персонального компьютера. Но поскольку данная терминология сложилась исторически, и кроме того, в вычислительных машинах других классов такого рода устройства фактически находятся вне центральных корпусов, оборот «внешняя память» применяется и для соответствующих устройств персональных машин.

Подчеркнем, что программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться, а данные не могут быть каким-либо образом обработаны. В этом и состоит самое главное функциональное отличие внешней памяти от оперативной. Во внешней памяти программы и данные хранятся в «нерабочем состоянии», в оперативной - программы и данные хранятся во время выполнения (и только во время выполнения) программ. Для того чтобы выполнить какую бы то ни было программу, ее сначала нужно «взять со склада» - найти на внешнем устройстве и перенести в оперативную память, где она и сможет выполняться. Аналогичным образом, чтобы обработать данные, физически находящиеся во внешней памяти, их нужно сначала перенести в оперативную память.

ВНИМАНИЕ

Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой программы, а инициирование (начало) ее выполнения называют запуском или передачей управления этой программе.

Важнейшей особенностью внешней памяти является ее энергонезависимость . Это означает, что информация хранится в ней независимо от того, включено или выключено электропитание компьютера. Кроме того, внешняя память имеет гораздо меньшую стоимость и значительно большие объемы по сравнению с оперативной. Скорость передачи данных при обмене с внешними запоминающими устройствами значительно меньше, чем у оперативной памяти, но стоимость оперативной памяти значительно выше, чем стоимость внешней.

В настоящее время в качестве внешней памяти в основном используются гибкие магнитные, жесткие магнитные, оптические и магнитооптические диски. Можно упомянуть также и магнитные ленты, хотя их использование стремительно устаревает.

Гибкий магнитный диск (ГМД), накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), флоппи-диск (floppy disk - свободно висящий диск) или просто дискета представляют собой гибкую лавсановую пластинку диаметром 3,5 дюйма, что примерно равно девяти сантиметрам (точнее, 89 мм, 1 дюйм равен 2,54 см). Обычно такие дискеты называют трехдюймовыми . Пластинка покрыта с одной или двух сторон специальным веществом, хорошо сохраняющим состояние намагниченности (примерно таким же, какое нанесено на ленты бытовых магнитофонов). Стороны дискеты, на которые нанесено магнитное покрытие, называются рабочими поверхностями. У дискеты могут быть одна или две рабочие поверхности. Каждая рабочая поверхность имеет свой собственный номер.

Рис. 4.2. Внешний вид трехдюймовой дискеты

Для предохранения магнитного покрытия рабочих поверхностей дискеты от случайного разрушения пластина упаковывается в жесткий пластиковый защитный чехол, который практически полностью закрывает рабочие поверхности (рис. 4.2). В чехле имеется несколько прорезей. Центральная (круглая) прорезь находится на тыльной стороне защитного чехла. Она служит для захвата дискеты специальным механизмом, который осуществляет ее вращение. Эта прорезь закрыта металлической накладкой с двумя прямоугольными отверстиями под устройства захвата дискеты. Еще одна прямоугольная щель в верхней части чехла служит для доступа головок чтения/записи информации к рабочим поверхностям диска. Эта щель в нерабочем состоянии закрыта подвижной металлической шторкой. В верхней части дискеты обычно находится маркировка типа дискеты HD (High Density - высокая плотность), а в нижней размещается прямоугольная наклейка, на которой можно записать (лучше карандашом), что именно, какие программы или данные находятся на дискете.

У нижнего торца защитного чехла дискеты имеется переключатель защиты от записи. В нижнем положении переключателя (как на рис. 4.2) включается защита дискеты от записи. Это означает, что запись новой информации на дискету невозможна. Кроме того, невозможно уничтожить (стереть) уже имеющуюся на дискете информацию. В верхнем положении переключателя защита от записи выключена, могут производиться как запись, так и стирание информации. Чтение информации с дискеты не зависит от положения переключателя, от того, включена защита от записи или нет. Защита от записи обычно включается для того, чтобы предотвратить случайное уничтожение хранящейся на дискете важной информации, а также для защиты от компьютерных вирусов (см. раздел «Борьба с вирусами» главы 10).

Для работы с дискетами в компьютере предусмотрены устройства, которые называются дисководами гибких магнитных дисков или FDD (floppy disk drive - привод * флоппи-дисков). На передней панели дисковода имеется щель, в которую вставляется дискета, при этом шторка отодвигается и открывает доступ головкам чтения/ записи к рабочим поверхностям дискеты. Головки чтения/записи могут перемещаться вдоль радиуса диска от его внешней границы к центру и назад (рис. 4.3). Сама пластинка вращается со скоростью порядка 300 оборотов в минуту. Таким образом, и чтение, и запись информации можно произвести в любом месте рабочих поверхностей дискеты.

*Привод - механизм, приводящий в движение какое-либо устройство.

Рис. 4.3. Дорожки и сектора на рабочих поверхностях дискеты

Для ориентации дискеты предусмотрен косой срез одного из углов верхнего торца защитного чехла. Кроме того, на лицевой поверхности чехла, на стороне, противоположной срезу, имеется стрелка, направленная к верхнему торцу (см. рис. 4.2). Таким образом, можно определить ориентацию дискеты перед ее помещением в дисковод. Дискета должна располагаться верхним торцом к щели дисковода, при этом срез чехла должен быть справа. Если дискета ориентирована правильно, то на лицевой поверхности слева около верхнего торца видна стрелка, направленная к дисководу. Для того чтобы вставить дискету в дисковод, надо аккуратно продвинуть ее в щель дисковода до упора (защелкивания). Чтобы ее вынуть, следует нажать кнопку, расположенную ниже щели дисковода.

СОВЕТ

Если при продвижении дискеты внутрь дисковода ощущается сопротивление, то ни в коем случае нельзя применять силу. Это означает, что дискета вставляется неправильно. Необходимо вынуть ее и проверить правильность ориентации.

При работе с дискетами важно соблюдать ряд правил обращения с ними. Эти правила несложны, а их соблюдение гарантирует сохранность информации. Вот эти правила:

§ дискеты нельзя сгибать;

§ защитный чехол дискеты нельзя вскрывать;

§ дискеты следует беречь от попадания влаги;

§ дискеты нельзя нагревать;

§ дискеты нужно оберегать от воздействия электромагнитных полей;

§ нельзя касаться рабочих поверхностей дискеты;

§ вставлять дискету в прорезь дисковода нужно аккуратно, без перекосов и нажима;

§ дискеты лучше всего хранить в фирменных конвертах, коробках или специальных контейнерах.

Обсудим немного более подробно хранение информации на дисках. На рабочие поверхности дискет наносятся концентрические дорожки (см. рис. 4.3). Количество дорожек на рабочей поверхности дискеты зависит от разных факторов: от диаметра, материала, из которого изготовлен магнитный слой, и т. д. Все дорожки каждой из поверхностей пронумерованы, нумерация дорожек, как и нумерация рабочих поверхностей, начинается с нуля. Каждая дорожка дискеты состоит из некоторого количества участков - секторов . В стандартном случае сектор имеет объем 512 байтов. Таким образом, общий объем дискеты можно найти, умножив 512 байтов на количество рабочих поверхностей, затем на количество дорожек на рабочей поверхности и на количество секторов на дорожке. Фактически в настоящее время используются только два стандарта. Стандарт, в котором предусмотрено использование 2 рабочих поверхностей на пластине, на каждой поверхности выделяется 80 дорожек, и на каждой дорожке размещается 18 секторов. Объем дискеты в этом случае равен 512 байтов х 2 х 80 х 18, что составляет 1 474 560 байтов или 1 440 Кбайт или 1,4 Мбайт. Во втором стандарте на одной дорожке размещается 36 секторов, и следовательно, объем дискеты возрастает в 2 раза до 2,8 Мбайт. На практике не совсем точно указывают, что объем трехдюймовой дискеты равен 1,44 Мбайт (или, соответственно 2,88 Мбайт).

Сектор на диске в процессе чтения/записи информации играет примерно такую же роль, как и байт в оперативной памяти. Чтение и запись информации на диски осуществляются не отдельными байтами, как в оперативной памяти, а сразу целым сектором.

Сектора дорожки также нумеруются, но их нумерация начинается с единицы. Таким образом, чтобы однозначно указать какой-либо сектор на диске, нужно указать три числа: номер рабочей поверхности, номер дорожки на ней и номер сектора на дорожке. Этот набор из трех номеров называется физическим адресом сектора . Первый сектор, расположенный на нулевой дорожке нулевой поверхности любого диска, принято называть начальным, стартовым или boot-сектором (boot - ботинок). Он играет особую роль в работе персональных ЭВМ. В частности, он содержит исчерпывающую характеристику самого диска: количество рабочих поверхностей на диске, количество дорожек на одной поверхности и количество секторов на одной дорожке.

Завод-изготовитель иногда поставляет в продажу дискеты без секторов и дорожек. Поэтому записать что-либо на такую дискету невозможно, и перед использованием ее необходимо подготовить к работе. Подготовка дискеты к работе выполняется специальными программами и называется форматированием, инициализацией или разметкой . Если дискета продается уже готовой к работе, размеченной, то на упаковке дискеты и на ее защитном чехле стоит маркировка «DOS FORMATTED ».

Дискеты являются сменными носителями информации. Это значит, что за счет смены дискет в дисководах на такие носители можно записать неограниченно много информации, хотя объем каждой отдельно взятой дискеты относительно мал. С помощью дискет удобно переносить относительно небольшие порции информации с одного компьютера на другой. Таким образом, дискеты можно представлять себе как своеобразный «портфель», в котором переносят самые разные документы, фотографии, чертежи, звука- и видеозаписи.

В последнее время в состав ПЭВМ обычно включаются устройства для работы с оптическими (лазерными) дисками , CD (Compact Disk компакт-диски) или CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - память только для чтения на компакт-дисках), которые имеют диаметр 5,25 дюйма (133 мм). Оптические диски, как и гибкие, относятся к сменным носителям информации. Информация записывается на диск в цифровой форме в виде углублений и пиков, расположенных внутри концентрических дорожек. Этот рельеф наносится на диск при его изготовлении механическим путем. Отсюда следует основной недостаток компакт-дисков - невозможность записывать на них новую информацию. Можно только считывать то, что записано на диски на заводе-изготовителе. Считывание информации происходит с помощью лазерного луча, который с огромной скоростью пробегает вдоль дорожек единственной рабочей поверхности диска. Собственно по способу считывания информации диски и называются оптическими или лазерными. К несомненным достоинствам CD можно отнести: довольно низкую стоимость самих дисков, относительно большую емкость - порядка 600-800 Мбайт, а также их надежность и долговечность, которые значительно превосходят соответствующие характеристики гибких дисков. Дисковод для оптических дисков называют лазерным проигрывателем или так же, как и используемый диск, - CD-ROM. При включении в состав персонального компьютера CD-ROM приобретает права одного из сменных дисковых устройств.

Существенный недостаток CD-ROM - невозможность выполнения записи при их использовании - был устранен в дисках WORM (Write Once/Read Many -однократная запись, множественное считывание), которые имеют и более распространенное название CD-R (Compact Disk Recordable - записываемый компакт-диск). На диски этого типа можно записать информацию, как и на обычную гибкую дискету - прямо на компьютере, но только один раз. Чтение может производиться произвольное количество раз. Диски CD-R относят к магнитооптическим устройствам, так как запись информации осуществляется магнитным способом, а считывание - оптическим. Для использования этой технологии требуются специальные диски и дисководы, которые стоят дороже обычных CD-ROM. Однако возможность даже однократной записи на компакт-диск объемом 600-800 Мбайт представляет собой замечательную возможность создания высоконадежных и компактных архивов большой емкости, которые значительно превосходят по удобству использования архивы на магнитных лентах и, тем более, на гибких дисках.

Относительно недавно появились дисководы, позволяющие выполнять многократную перезапись на компакт-диски. Для этого требуются диски нового типа CD-RW (Compact Disk ReWriteable - перезаписываемые компакт-диски), которые также относятся к магнитооптическим устройствам. По своим размерам, объему и внешнему виду диски CD-RW ничем не отличаются от дисков CD-R и CD-ROM. Надежность этой технологии, а также стоимость дисковода и дисков пока еще оставляют желать лучшего. По-видимому, эти недостатки в ближайшее время будут устранены, и CD-RW постепенно вытеснят другие типы внешних запоминающих устройств аналогичной емкости.

Правила обращения с дисководами CD-ROM, CD-R и CD-RW и оптическими дисками достаточно просты и естественны: не следует допускать падений, ударов, толчков и вибрации дисководов, особенно во время записи на диск. Не допускается попадание воды или других жидкостей внутрь дисковода. Запрещается ставить какие-либо предметы на выдвинутый лоток дисковода. Не рекомендуется прикасаться к рабочей поверхности диска пальцами, держать диск следует за края. Не допускается нанесение каких-либо надписей карандашом или авторучкой на обеих поверхностях диска. Даже царапина на стороне этикетки (нерабочей поверхности диска) может привести к потере данных. Не допускается использование наклеек на нерабочей стороне, они нарушают центровку диска, что приводит к сильной вибрации при его вращении в дисководе и сбоям при чтении и тем более записи на компакт-диск. Категорически запрещается гнуть диски. Хранить компакт-диски рекомендуется только в специальных футлярах, это защитит их рабочую поверхность от пыли, грязи, царапин и других повреждений. Не допускается воздействие на компакт-диск прямых солнечных лучей, рекомендуется избегать хранения диска в теплой и влажной среде.

СОВЕТ

Рекомендуется регулярно чистить компакт-диски с помощью мягкой тряпочки, смоченной в воде или специальной жидкости для чистки компакт-дисков. Протирать диск следует по прямой линии от середины к краю. Дугообразные движения при этом не рекомендуются, так как дугообразные царапины приведут к потере данных. Компакт-диск перед установкой в дисковод необходимо полностью высушить.

Рассмотренные выше оптические и магнитооптические диски имеют объем 600-800 Мбайт, что, в принципе, не очень много, если иметь в виду уровень современных требований к внешним запоминающим устройствам. Поэтому были разработаны способы записи информации, которые позволяют при том же самом диаметре диска 5,25 дюйма разместить на нем гораздо больше данных и программ. Такие диски называются DVD (Digital Versatile Disk - цифровой универсальный диск). Запись информации на диски DVD производится на нескольких слоях, которые размещаются на одной и той же рабочей поверхности. Кроме того, для записи используется упоминавшийся выше мультимедийный формат MPEG-2, поэтому объем дисков достигает 17 Гбайт. В настоящее время используются в основном DVD-ROM, хотя уже появились однократно записываемые DVD-R.

По-видимому, можно предположить, что в недалеком будущем в качестве сменных носителей информации будут использоваться все три группы дисков - гибкие трехдюймовые дискеты, а также многократно записываемые пятидюймовые CD-RW и DVD-RW, которые должны удовлетворять различным уровням требований к объему дисков: несколько мегабайт, сотни мегабайт и десятки гигабайт.

По сравнению с магнитными, оптическими и магнитооптическими дисками, магнитные ленты, которые также относятся к группе сменных носителей, являются очень дешевым средством хранения информации. Принцип записи информации на магнитную ленту в компьютерах ничем не отличается от используемого в бытовых кассетных магнитофонах. Существенным недостатком использования магнитных лент для хранения информации является большое время обмена с лентой, которое обусловлено в основном необходимостью перемотки ленты для достижения участка, содержащего нужные данные или программы. Поэтому чаше всего запись на магнитную ленту используется с целью архивного дублирования важной информации с жесткого диска на случай его неожиданной поломки. Аналогичное дублирование на гибкие диски обходится значительно дороже. С появлением CD-R, а тем более CD-RW и DVD необходимость в использовании магнитных лент как архивных носителей исчезает. Устройство для записи информации на магнитную ленту в персональных компьютерах называется стриммер . Это устройство обычно не входит в стандартный комплект персональных компьютеров.

Кроме сменных дисковых устройств в состав персональных компьютеров, как правило, включается постоянный, несъемный диск. Обычно его называют жестким магнитным диском - ЖМД , HDD (Hard Disk Drive - привод жесткого диска), или винчестерским (от Winchester - разновидность винтовки, двустволка) диском. Доступ к жесткому диску без разбора корпуса компьютера обычно невозможен. В связи с тем, что жесткий диск является несменным, в отличие от переносного «портфеля» - гибкого диска, его можно представлять себе как стационарный шкаф для хранения документации.

Винчестерский диск на самом деле является пакетом дисков, который состоит из нескольких (2-10) жестких металлических пластин - дисков, закрепленных на общей оси и жестко соединенных с механизмом вращения дисковода. Вся группа дисков размещена в герметичном корпусе, из которого откачивается воздух. Такая конструкция позволяет значительно увеличить плотность записи информации и, следовательно, увеличить объем диска. Современные винчестерские диски имеют объем от сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт. По-видимому, в ближайшее время это показатель возрастет до сотен гигабайт. Заметим, что отмеченная выше аналогия: дискета - «портфель», а жесткий диск - «шкаф» - совершенно правильно передает соотношение объемов у этих устройств. Объем стационарного «шкафа» - жесткого несъемного диска - во много раз больше объема переносного «портфеля» - гибкой съемной дискеты.

Все диски пакета вращаются одновременно. Причем особенности конструкции винчестерских дисков позволяют существенно увеличить не только объем, но и скорость вращения всего пакета дисков (в настоящее время - 5400-7200 оборотов в минуту), а следовательно, и скорость передачи информации.

Обмен данными для жестких дисков организуется так же, как и для гибких дискет, с помощью одной головки чтения/записи на одну рабочую поверхность. Рабочие поверхности винчестерского диска, как и рабочие поверхности у гибкого диска, состоят из дорожек и секторов. Для повышения скорости выполнения операций чтения и записи на жестких дисках несколько подряд расположенных секторов одной и той же дорожки объединяют в группы, которые называют кластерами (cluster - группа). Обмен информацией, то есть либо чтение, либо запись, для любого диска всегда осуществляется отдельными кластерами, а не отдельными секторами. Кластер всегда состоит из целого числа секторов - одного, двух, четырех, восьми и т. д. Конкретное количество секторов, входящих в кластер, зависит от используемых аппаратуры и программ. В частности, кластер на гибких дисках объемом 1,44 Мбайт состоит из одного сектора, а на дисках объемом 2,88 Мбайт - из двух секторов. Кластеры на современных жестких дисках состоят из 32,64 и более секторов.

Каждое из дисковых устройств, включенных в комплект персонального компьютера, имеет свое собственное обозначение, которое состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия. Обычно в состав компьютера включают один дисковод для гибких дисков, которые всегда обозначаются как А:. Жесткий диск, независимо от наличия или отсутствия дисковода для гибких дисков, всегда принято называть С:.

В принципе в состав компьютера можно включить несколько жестких дисков. Но на практике персональный компьютер чаще всего оснащен только одним винчестерским диском. Для удобства организации работы с данными предусмотрена возможность имитировать наличие в составе компьютера нескольких жестких дисков, разделив реально включенный в состав компьютера диск на рядучастков, каждый из которых ведет себя как самостоятельный диск. Такие участки реального диска принято называть «логическими дисками ». Суммарный объем логических дисков равен объему реального исходного диска. Выбор конкретных объемов логических дисков достаточно произволен. Если, скажем, в компьютере имеется жесткий диск объемом 520 Мбайт, то возможны следующие варианты: один диск на 520 Мбайт, два диска, один, скажем, на 50, а второй на 470 Мбайт, или два диска по 260 Мбайт каждый, или любые другие варианты, дающие в сумме 520. Можно организовать три, четыре и т. д. логических диска. Если в составе компьютера имеются дополнительные реальные или логические жесткие диски, дисководы для CD-ROM, CDrR, CD-RW или DVD, то для их обозначения используются следующие по алфавиту буквы английского алфавита - D:, Е:, F: и т. д.

Процессор

Следующая после хранения информации основная функция компьютера - обработка данных, осуществляемая по заранее заданной человеком программе. Эта функция выполняется устройством, которое называется процессором (process - обрабатывать), центральным процессором, а в персональных компьютерах еще и микропроцессором.

ВНИМАНИЕ

Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

Основная функция процессора складывается из двух компонентов - собственно действия по обработке данных и управление последовательностью выполнения таких действий. Процессор вычислительной машины «умеет» выполнять определенный набор простейших, элементарных действий по обработке информации. Например, он может выполнить сложение, вычитание, умножение, деление двух чисел, закрепить за какой-нибудь рассматриваемой величиной ее новое текущее значение, увеличить текущее значение величины на единицу, сравнить одно число с другим числом, один символ текста с другим символом и выяснить, совпадают они или нет и т. д. Весь набор действий, которые могут быть выполнены процессором, называется системой команд данного процессора. Процессоры разных машин обладают различными системами команд. Система команд процессора фактически определяет модель компьютера.

Например, возможности входящего в состав обычного микрокалькулятора «процессора» очень ограничены. Его система команд состоит из небольшого количества команд. Так, у самого простого арифметического калькулятора система команд состоит из четырех-пяти команд: вычисление суммы, разности, произведения и частного от деления двух чисел. А в так называемых инженерных микрокалькуляторах система команд шире, с их помощью можно выполнять достаточно сложные инженерные расчеты - вычислять логарифмы, синусы, запоминать одно или несколько чисел, участвующих в вычислениях, и т. д. Процессоры современных персональных компьютеров обладают системой команд, содержащей свыше 1000 различных команд.

Указание процессору на выполнение одного из элементарных действий называется машинной командой . Конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает необходимую обработку информации, образует программу, записанную на уровне машинного языка . Машинные команды, а следовательно, и любая их последовательность, образующая ту или иную программу, так же как и любая другая информация в ЭВМ, определенным образом кодируются последовательностями двоичных цифр. Например, действие закрепления единичного значения за какой-либо величиной (i:=l), которое встретилось в рассмотренном во второй главе алгоритме, может быть задано машинной командой с кодом 1011 0001 000 0001 2 (В101 16). А встретившееся там же действие увеличения текущего значения величины на единицу (i:=i+l) может быть записано в виде команды с машинным кодом 1111 1110 1100 0001 2 (FE С1 16). Конкретные последовательности таких кодов как раз и образуют программы в их «естественном» машинном виде. Это именно тот способ записи программ, который «понимается» процессором. Программы, представленные именно в таком виде, выполняются процессором компьютера. Все остальные способы записи программ являются промежуточными, или вспомогательными.

Оказывается, что решение любой сколь угодно сложной задачи по обработке данных (если она может быть решена в принципе) складывается из таких простейших действий, которые могут быть заданы машинными командами. Нужно только до мельчайших подробностей, до уровня машинных команд, разработать алгоритм решения задачи. Другими словами, нужно определить, в какой последовательности и над какими данными процессор должен выполнять команды. Именно в форме машинных команд вынуждены были писать свои программы программисты, работавшие с машинами первого поколения. Затем были разработаны специальные алгоритмические языки, такие как Фортран, Алгол-60, Паскаль, Си и целый ряд других. Алгоритмы решения задач по обработке данных на этих языках записываются в более привычном для человека виде, в терминах специально подобранных слов и обозначений, которые обеспечивают алгоритму все необходимые для него свойства (однозначность, конечность и т. д.). Алгоритм, записанный на одном из алгоритмических языков, также называется программой. Затем специальные программы - трансляторы (translate - переводить) - осуществляют автоматический перевод текста алгоритма на машинный язык, на уровень двоичных кодов. Полученная таким образом машинная программа может быть выполнена процессором. Как мы уже отмечали ранее, разработку алгоритмов решения задач и запись их на уровне алгоритмического языка осуществляют высококвалифицированные специалисты в области информатики, возможно, в тесном контакте со специалистами в той области, для которой разрабатывается программа.

Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти - регистровый. Регистр - это устройство для кратковременного хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устройство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машинной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего один-два десятка регистров.

Компьютерная память бывает двух видов: внутренняя и внешняя. Внутренняя память состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16-64 бит (2-8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1, 2 или 4 байт соответственно).

Существуют два основных класса внутренней памяти : оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10-20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. В оперативной памяти во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение - это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение - это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Центральный процессор компьютера связан с оперативной памятью. Основная оперативная память компонента полезна для хранения данных и программ, которые запускаются в центральном процессоре. В современных компьютерах оперативная память, как твердотельная память, присоединена к центральному процессору, и она использует шину памяти. Шину памяти также называют адресной шиной. В дополнение к оперативной памяти существует также кэш-память , которая содержит маленькие части памяти для их использования центральным процессором. Цель состоит в том, чтобы уменьшить время выборки, и, таким образом, ускорить работу центрального процессора. Кэш-память увеличивает производительность центрального процессора, воздействуя тем самым на работу компьютера. Вообще, оперативная память - это самая важная часть компьютерной памяти. Оперативная память сделана из интегрированных полупроводниковых микросхем.

Разумеется, чем большей оперативной памятью обладает персональный компьютер, тем больше его возможности для размещения и использования в своей работе программ и данных. Для увеличения объема оперативной памяти используются дополнительная память (Expanded Memory) на дополнительных платах, а также расширенная память (Extended Memory), которая обычно размещается прямо на материнской плате. При работе с дополнительной памятью процессор обращается к данным так, словно они расположены в обычной оперативной памяти объемом до 1 Мбайта, но при этом происходит переадресация в дополнительную память на дополнительной плате, которая может иметь емкость несколько мегабайт. Для работы с расширенной памятью процессор должен переходить из реального режима в защищенный (protected mode).

ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ обладают, так сказать, полупостоянной памятью, то есть они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее внутренней, она используется, главным образом, для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, «командный пункт» компьютера обычно передает нужное содержимое части внешней памяти во внутреннюю. Внутренняя память ограничена по объему, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации.

К внешней памяти относятся различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски. Внешняя память дешевле внутренней, но ее недостаток в том, что она работает медленнее устройств внутренней памяти.

Магнитные ленты в качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудио- и видеомагнитофонным кассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяются непрерывно. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель.

Гибкий магнитный диск - это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которого нанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт или оболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода. Подобно магнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных, поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено.

Жесткий диск подобен гибкому, но сделан из прочных и жестких материалов. Он может вращаться быстрее и вмещает больше информации. Типичный дисковод жесткого диска для персонального компьютера почти не отличается размерами от дисковода гибкого диска, но емкость современного жесткого диска достигает 25-50 Гб, то есть в тысячи раз больше, чем у гибкого. Кроме того, жесткие диски гораздо быстрее связываются со своим компьютером, чем дискеты. Поиск, который длится до нескольких секунд на дискете, занимает на жестком диске лишь сотые доли секунды. Жесткий диск в большинстве компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения.

Оптический диск имеет сходство как с магнитным диском, так и с граммофонной пластинкой. Существуют диски CD-ROM - диски с однократной записью, стереть или перезаписать их невозможно.

Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски - CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново.

Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD-ROM и DVD-RW - видеодиски. Объем информации, хранящейся на них, может достигать десятков гигабайтов. На видеодисках записываются полноформатные видеофильмы, которые можно просматривать с помощью компьютера, как по телевизору.

Наиболее известной и удобной является флэш-память , которая не только полностью энергонезависима, но может вмещать в себя операционную систему и некоторые прикладные программы.

Компьютерная память классифицируется и по другим параметрам.

По доступным операциям с данными:

¦ Память только для чтения (ROM);

¦ Память для чтения/записи.

По энергозависимости :

¦ Энергонезависимая память;

¦ Энергозависимая память:

Статистическая память (энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения);

Динамическая память (энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается, и, кроме подачи электропитания необходимо производить ее периодическое восстановление).

По порядку выборки :

¦ с последовательным доступом (SAM) - когда ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очередности их расположения;

¦ с произвольным доступом (RAM) - когда вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

По назначению :

¦ Буферная память - память, предназначенная для временного хранения данных при обмене ими между различными устройствами или программами;

¦ Временная (промежуточная) память - память для хранения промежуточных результатов обработки;

¦ Кэш-память - часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранения часто используемых данных для предоставления их в более быстрый доступ, нежели кэшируемая память;

¦ Корректирующая память - часть памяти ЭВМ, предназначенная для хранения адресов неисправных ячеек основной памяти и др.

По организации программно доступного адресного пространства :

¦ Реальная или физическая память - память, способ адресации которой соответствует физическому расположению ее данных;

¦ Виртуальная память - память, способ адресации которой не отражает физического расположения ее данных;

¦ Оверлейная память - память, в которой присутствует несколько областей с одинаковыми адресами, из которых в каждый момент доступна только одна.

По удаленности и доступности для центрального процессора :

¦ Первичная память доступна центральному процессору без какого-либо обращения к внешним устройствам. Это регистры процессора (процессорная или регистровая память) и кэш процессора (если есть);

¦ Вторичная память доступна центральному процессору путем прямой адресацией через шину адреса (адресуемая память) или через другие выводы.

Таким образом доступна основная память (память, предназначенная для хранения текущих данных и выполняемых программ) и порты ввода-вывода (специальные адреса, через обращение к которым реализовано взаимодействие с прочей аппаратурой);

¦ Третичная память доступна только путем нетривиальных последовательностей действий. Сюда входят все виды внешней памяти, доступной через устройства ввода-вывода.

Компьютерная память является одним из наиболее главных вопросов устройства компьютера, так как она обеспечивает поддержку одной из наиважнейшей функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации.

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память.

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители).

Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внешняя память (различные накопители) предназначена для долговременного хранения информации. Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейших функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями.

Здесь будет рассказано и о том, как могут выглядеть программы настройки BIOS. Пока речь пойдет о "штатных" программах, которые встроены в саму BIOS. 1.1. Процесс загрузки компьютера Итак, попытаемся понять суть процессов, происходящих при запуске системы. Эти процессы в соответствии со всоими настройками инициирует программа BIOS. Определение устройств Сразу после включения или перезагузки компьютера происходит поиск видеоадаптера, установленного в системе. Это сделано по той простой причине, что без видеоадаптера компьютер вообще на сможет вывести на экран информацию, и дальнейшая его работа по предъявлению результатов самодиагностики будет Процесс загрузки компьютера 1_1_ лишена всякого смысла. Обычно в случае невозможности инициализации видеосистемы компьютер прекращает работу, выдавая звуковой сигнал об ошибке. Предположим, что видеоадаптер обнаружен. В этом случае происходит его инициализация, после чего на экране возникает изображение, которое может содержать сведения об установленном в системе видеоадаптере, объеме его памяти, а также некоторых других деталях (например, может отображаться логотип производителя видеоадаптера). Определение видеоадаптера происходит даже раньше, чем определение типа процессора и установленной оперативной памяти. Впрочем, если процессор вообще не установлен или не может быть использован, то система не сможет выдать на экран изображение или просигнализировать звуком. После инициализации видеоадаптера происходит определение типа процессора. На этом этапе также устанавливается в соответствии с настройками BIOS его тактовая частота. На экран при этом выводится информация о типе процессора, например, так: Pentium IV at 2600 MHz. Затем загрузочная программа определяет тип и объем установленной в системе оперативной памяти. После этого происходит тестирование памяти. Информация о результатах этих процессов также выводится на экран. Затем начинается инициализация и проверка устройств, подключенных к контроллерам IDE. Это могут быть жесткие диски, приводы компакт-дисков или DVD и другие накопители. Сведения об этих накопителях обычно берутся из значений параметров BIOS. Если же в настройках прописано автоопределение накопителей (значение Auto), система постарается определить их автоматически - правда, это потребует несколько большего времени. После описанных действий программа первоначальной загрузки компьютера производит проверку дисковода для гибких дисков, если он установлен. Для этого контроллер посылает дисководу несколько команд, и система ожидает его отклика. Затем начинается поиск и проверка подключенных к системе плат расширения, которые могут находиться как в разъемах PCI, так и в разъемах шин других типов - ISA, AMR, CNR и т. д. В качестве такой платы может выступать внутренний модем, звуковая карта, карта видеозахвата, карта TV-тюнера или FM-тюнера и пр. Некоторые из этих плат (например, SCSI-контроллер) могут иметь свою собственную BIOS. В таком случае управление на время может быть передано ей.

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема (контроллер или адаптер ), которая им управляет. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2) Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемой шиной. Шина – системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена.

Основные типы шин (расположены в порядке улучшения характеристик): ISA, EISA, VESA, PCI, AGP. Разъёмы-“слоты” стандарта PCI. Родился он около 10 лет назад и сегодня является основным стандартом слотов для подключения дополнительных устройств. Разъёмы PCI – обычно самые короткие, белого цвета, разделенные своеобразной “перемычкой” на две неравные части. Ранее в слот PCI устанавливалась и видео карта, теперь для этой цели служит разъем AGP (Advanced Graphic Port). Это специальный, более быстрый с точки зрения пропускной способности слот. Остальные слоты в новые компьютеры не устанавливаются.

Для упрощения подключения устройств электронные схемы состоят из нескольких модулей – электронных плат. На основной плате компьютера – системной (материнской) – располагаются процессор, сопроцессор, оперативная память и шина. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах вставляющихся в унифицированные разъёмы (слоты) на материнской плате. “Гнездо” для установки процессора: для каждого форм-фактора процессора существует свой тип материнской платы, как правило, несовместимый с другими процессорами. Так в гнездо для процессора PentiumIII нельзя установить процессор AMD K7. И наоборот.

Итак, сегодня на рынке существует три материнских платы, для установки трёх разных классов процессоров:

платы с разъёмом Slot 1 предназначены для процессоров фирмы Intel. Тип разъёма – слот (длинное щелевидное гнездо).

платы с разъёмом Socket-370 предназначены для установки новых процессоров Celeron фирмы Intel(частота от 400 МГц). Тип разъёма – квадратное гнездо.

платы с разъёмом Super Socket 7 (Socket A) предназначены для “альтернативных” процессоров фирм AMD,Cyrix, IBM и других. Тип разъёма – квадратное гнездо.

Одним из контроллеров, которые присутствуют во всех компьютерах, является контроллер портов ввода-вывода.

Типы портов:

параллельные (LPT1-LPT4), к ним обычно присоединяют принтеры и сканеры;

последовательные асинхронные порты (COM1-COM4), к ним подсоединяются мышь, модем и т. д.;

игровой порт – для подключения джойстика;

порт USB (USB 2) – недавняя разработка - порт с наивысшей скоростью ввода-вывода, к нему подключаются новые модели принтеров, сканеров, модемов, мониторов и т.д…

Порт устройства - микросхема или зарезервированная область адресов оперативной памяти:
- содержащие один или несколько регистров ввода-вывода; и
- позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам процессора.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-07-22