2.5 Память компьютера

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) — памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — защелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache — запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

Рис. 2.11. Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу)

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

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

- Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Рис. 2.12. Интегральные схемы BIOS и CMOS

Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 02 или 12. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами - словами и двойными словами. В зависимости от класса компьютера слово  - это два или четыре байта памяти.

Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

Структура основной памяти (за исключением кэш-памяти)  для компьютеров класса IBC PC с указанием начальных адресов отдельных областей представлена в таблице 2.2:

Таблица 2.2

непосредственно адресуемая память операционной системы MS DOS						расширенная память ХМА
стандартная память СМА (640К)		верхняя память UMA (384К)
область служебных программ и данных операционной системы - CMOS (64K)	область программ и данных пользователя - RAM (576К)		область видеопамяти и служебных программ (256К)	область программы начальной загрузки операционной системы MS DOS и других программ - BIOS (128K)			высокая память - HMA (64K)	остальная память
0                     64К                 640К                896К             1024К       1088        МАХ

В силу особенностей операционной системы (ОС) MS DOS непосредственно адресуются только первые 1024К памяти, доступ к остальным адресам осуществляется средствами специальных программ, которые называются драйверами. Их подключение выполняется в файле конфигурации config.sys в предложении device.

При обращении к элементам памяти ОС использует не абсолютный адрес, например, 2245653, а сегментированный.

В простейшем случае для образования сегментированного адреса все адресное пространство делится на блоки – сегменты – размером 16Б, которые нумеруются четырехзначными шестнадцатеричными числами от 000016 до FFFF16. Тогда внутри сегмента каждый байт как элемент памяти характеризуется смещением – отстоянием в байтах от начала сегмента. В результате каждый абсолютный адрес представляется парой сегмент:смещение. На рисунке2.12 представлена схема формирования сегментированных адресов:

Рис. 2.12. Схема формирования сегментированных адресов

Зададимся абсолютным адресом, равным 40Б, и представим его в сегментированном виде: 0002:0008. Здесь 0002 – номер сегмента, 0008 – смещение в сегменте.

Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стриммеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски.

Рассмотрим организацию внешней памяти на примере магнитных дисков.

Физическая и логическая структура магнитных дисков.

Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации – дисководов. Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких дисков) или алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке 2.13:

Рис. 2.13 Схема дисковода

Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Так же как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1. дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

2. секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

3. стороны диска. Нумеруются, начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер у «лицевой» стороны дискеты;

4. цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

5. кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируется маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1. таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

2. главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3. загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;

4. таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;

5. корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

- имя файла или подкаталога;

- тип файла,

- атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу,  архивность;

- время создания;

- дата создания;

- номер начального кластера файла или подкаталога;

- размер файла.

Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога и в поле размеров выставлен ноль.

6. область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root. Следует иметь в виду, что при размещении файлов на диске операционная система выбирает для этого первые попавшие свободные кластеры. Поэтому в результате файл физически "разорван" на множество "кусков", что увеличивает время его сборки впоследствии. Такое явление называется фрагментацией файла. Для устранения фрагментации выполняют дефрагментацию файла, когда он по возможности "собирается" в единое целое, что позволяет оптимизировать работу с внешней памятью.

Взаимосвязь областей Root, FAT, FA при поиске файла или каталога по его имени, указанному, например, в команде MS DOS, показана ниже.

Пусть файл с именем ABC.TXT расположен в области FA в тех кластерах, которые выделены серым цветом (их номера показаны ниже):

10	11	12	13	14	15	16	17

Остальные кластеры свободны. Тогда в FAT в записях с номерами 10 – 17 появятся  данные, показанные в таблице:

№ записей FAT	Содержимое записи FAT
10	12
11
12	15
13
14
15	17
16
17	EOF

Каждая запись FAT, как видно из таблицы, соответствует одному кластеру и либо содержит номер следующей записи в FAT, соответствующей кластеру  с продолжением файла, либо пуста (для незанятых кластеров).  Строго говоря, для свободных или «плохих» кластеров записи в FAT заполняются специальными соответствующими кодами.

В области Root имеется запись с описанием файла ABC.TXT следующей структуры:

Имя файла	Тип файла	...	№ первого кластера	...
ABC	TXT		10

Тогда при упоминании имени файла в команде операционная система выполняет следующие действия:

- обращается в область Root, адрес которой фиксирован и известен, и находит там нужную запись (напомним, что операционные системы требуют уникальности имен файлов и подкаталогов, содержащихся в одной директории). Выбирает из этой записи номер первого кластера;

- обращается к FAT, адрес которой фиксирован и известен, и по номеру первого кластера находит соответствующую запись FAT;

- в найденной записи FAT выбирает содержимое записи – это номер следующей записи FAT с описанием продолжения (или окончания) файла;

- если очередная запись FAT содержит EOF, “сборка” файла закончена; иначе повторяется предыдущий шаг.

Оптический компакт-диск {Compact Disk {CD)), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600—700 Мбайт. К достоинствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевизну в массовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

Запись на компакт-диск при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин.

При воспроизведении лазерный диод небольшой мощности освещает диск со стороны, противоположной нанесенному слою алюминия, который является отражателем светового луча лазера, а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину, равную четверти длины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отраженный свет лазера, получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадки записываются на диск по спирали. Запись начинается от центра диска и занимает приблизительно 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска, ее общая длина составляет 5600 М. На всем протяжении спирали скорость записи остается постоянной, поэтому специальное устройство при воспроизведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скорости вращения диска. Так, на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная скорость остается постоянной, равной 1,2 М/С.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи — CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи — цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МРЗ-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash- memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напряжения, на пересечении проводников, возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подается напряжение, а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через ферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направлением магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40 х 16x7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает до 64 Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.