4. Оперативное запоминающее устройство

6.1. Основные понятия

Память – это часть компьютера, предназначенная для запоминания и выдачи информации. Ее функции: 1. Хранение информации; 2. Прием информации – запись; 3. Выдача информации – чтение (считывание). Операции чтения и записи называются обращением к памяти.

Запоминающий элемент (ЗЭ)– место хранения одного бита информации. Типичный пример ЗЭ – триггер или конденсатор. На основе ЗЭ организуется хранение более крупных единиц информации – байтов, слов (в слове 4 байта).

Ячейка памяти – фиксированная совокупность ЗЭ, обращение к которым производится одновременно как к единому целому. Ячейка памяти – место хранения слова.

Следует отметить, что в памяти третьего уровня (ВЗУ) адресуются более крупные единицы информации – блоки, состоящие из фиксированного количества слов. Блоки так же как и ячейки нумеруются 0,1,2…Е-1 и рассматриваются как адреса блоков.

Доступ к ячейкам памяти с заданным адресом обеспечивается схемой выборки, которая выбирает одну из ячеек для записи или чтения слова. В простейших случаях эта схема выполняется на основе дешифратора.

6.2. Запоминающие элементы ОЗУ

Запоминающие элементы ОЗУ (т.е. элементарные ячейки, в которых хранится один бит информации), как уже упоминалось, могут быть реализованы на триггерах и конденсаторах. Первые называются статическими (SRAM – Static Random Access Memory), а вторые – динамическими (DRAM – Dynamic Random Access Memory). Память типа SRAM выполняется на биполярных или МОП-транзисторах. Число состояний триггера равно двум, что позволяет использовать его для хранения двоичной информации. Записанная в триггере двоичная информация может храниться сколь угодно долго при наличии питания. Использование триггеров не требует регенерации записанной в них информации, что приводит к ускорению работы с такими микросхемами. Однако на практике стоимость схем SRAM значительно выше стоимости схем DRAM, что ограничивает область применения первых (например, кэш-памятью)

В настоящее время наибольшее применение в ОЗУ нашли устройства динамической памяти, основанные на способности конденсатора хранить некоторое время электрический заряд. Микросхемы динамических ОЗУ отличаются большей информационной емкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном ЗЭ и, следовательно, более плотным их размещением на полупроводниковом кристалле. Как известно, конденсаторы могут самопроизвольно разряжаться, что приводит к потере информации. Чтобы этого не происходило информацию нужно постоянно обновлять. Именно поэтому такая память называется динамической. В настоящее время наиболее распространенным и наиболее дешевым типом памяти является SDRAM (Synchronous Direct Random Access Memory ).

3. Организация и основные характеристики ОЗУ

Оперативное запоминающее устройство (главная память, основная память) является той структурной частью компьютера, которая, наряду с центральным процессором, определяет вычислительную мощность данного компьютера. Исторически на первых компьютерах оперативная память выполнялась вначале на электронных лампах (запоминающий элемент – триггер), затем на ультразвуковых линиях задержки, ферритовых сердечниках, интегральных схемах. В настоящее время ОЗУ реализуется на больших интегральных схемах (БИС), запоминающим элементов в которых может быть как триггер, так и конденсатор. Напряжение (заряд) последнего управляется транзистором. Количество транзисторов на одном чипе в настоящее время может достигать нескольких сотен миллионов. Ожидается, что в ближайшее время будет преодолена планка в миллиард транзисторов.

Всякое ЗУ, а в том числе и оперативная память, состоит из двух частей: блока управления (БУ) и блока запоминания (БЗ) .

Основные характеристики ЗУ : емкость, быстродействие, надежность, стоимость.

Емкость определяется количеством ячеек, т.е. максимальным количеством информации, которая может храниться в ЗУ (на практике она измеряется в байтах).

Быстродействие определяется количеством операций обращения в единицу времени и зависит от продолжительности одной операции обращения

Надежность - время наработки на отказ.

Стоимость – интегральная характеристика – зависит от емкости и надежности. Используется понятие удельной стоимости хранения единицы информации – байта, МБ, ГБ, ТБ [ 6 ].

Независимо от типа запоминающего элемента ОЗУ строятся матричного типа. Элементы памяти в них образуют матричную двумерную (трехмерную) структуру, располагаясь по колонкам и строкам. По способу записи и считывания различают три типа ОЗУ:

• трехмерные ОЗУ, в которых как запись так и считывание осуществляется совпадением токов по вертикальным и горизонтальным шинам. Такие ОЗУ получили название типа 3D;

• двумерные ОЗУ или типа 2D (они также называются типа Z или с линейной выборкой), в которых запись производится методом совпадения токов как и в ОЗУ типа 3D, а считывание полным током ;

• ОЗУ типа 2,5D, занимающие по своим свойствам и организации выборки промежуточное положение между двумерными и трехмерными ЗУ.

В настоящее время в ОЗУ используется в основном организация типа 2,5D. Организация 2D используется в кэш-памяти. ОЗУ типа 3D применялись в первых компьютерах 50-ых гг ХХ столетия.

7. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

1. Основные понятия и определения

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) получили свое название от первых вычислительных машин, в которых накопители на магнитных лентах и жестких дисках располагались отдельными стойками от процессора и оперативной памяти. Они служат для накопления и хранения больших объемов информации, используемой в процессе работы компьютера. В современных персональных компьютерах эти устройства входят чаще всего как составная часть в системный блок. Информационная емкость и время доступа к информации ВЗУ в значительной мере определяют потребительские свойства компьютера, возможности его использования при решении различных задач. Обязательным требованием к ВЗУ является энергонезависимость – сохранение информации при отключении источника питания. По принципу действия и параметрам ВЗУ можно классифицировать следующим образом:

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

• накопители на магнитных лентах;

• накопители на оптических дисках;

• накопители на магнитооптических дисках;

• доменные запоминающие устройства (ЦМД-устройства);

• флэш-память.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Эти накопители (винчестеры) в современных компьютерах играют наиважнейшую роль и их параметры в значительной мере определяют возможности вычислительной машины. В них хранится основной программный продукт компьютера – операционная система – и прикладные программы, с которыми чаще всего имеет дело пользователь (например, программы Microsoft Office - Word , Excel).

Конструктивно накопитель выполняется в виде одного или пакета дисков, непрерывно вращающихся на общей оси. По обе стороны каждого диска наносится слой магнитного носителя, на котором размещаются концентрические дорожки для записи информации. Между дисками располагаются магнитные головки для записи и считывания. Емкость накопителя в настоящее время может достигать сотен ГБ.

Основные параметры НЖМД :

• емкость, т.е. количество информации, помещаемой на диске (сотни ГБ и каждый год она, приблизительно, удваивается);

• время доступа, скорость записи и считывания;

• интерфейс, т.е. тип контроллера, к которому должен подсоединяться жесткий диск (IDE/EIDE и варианты SCSI).

В настоящее время более всего распространены интерфейсы (контроллеры) EIDE. Этот контроллер обеспечивает подключение до четырех внешних устройств (НЖМД, CD, стримеров и т.п.). На серверах локальных сетей и других высокопроизводительных компьютерах применяются НЖМД с интерфейсом SCSI или его разновидностями. Контроллер SCSI стоит в несколько раз дороже EIDE, но обеспечивает более высокое быстродействие и позволяет подключать до 31 устройства [ 7 ].

3. Накопители на гибких магнитных дисках

Эти внешние запоминающие устройства позволяют переносить программы и документы с одного компьютера на другой, а также хранить информацию как резервную. Однако надежность этих устройств по сравнению с НМЖД небольшая. В настоящее время более всего распространены дискеты 3,5” (89 мм) – разработка фирмы Sony (1980 г.). Стандартная емкость такой дискеты составляет 1,44 МБ. На дискете имеется специальная защелка. Запись на дискету разрешена, если отверстие закрыто. Перед первым использованием дискет их необходимо специальным образом инициализировать (форматировать). Эта процедура выполняется с помощью специальной программы. При этом осуществляется проверка поверхности дискеты. Участки, имеющие дефекты, помечаются и в дальнейшем не участвуют в процедурах запись-считывание. В настоящее время дискеты в основном поступают от производителя уже отформатированными. Но в процессе эксплуатации иногда возникает необходимость заново форматировать дискеты, например, при появлении на магнитной поверхности дефектов.

4. Накопители на магнитных лентах

Данные накопители относятся к наименее дорогим и достаточно надежным ВЗУ (сохранность информации обеспечивается в течение более 30 лет) для организации архивов и резервного копирования данных. В них используется две базовые технологии: линейная запись (запись с неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчная запись. Суть первой состоит в том, что используется достаточно широкая лента с большим числом расположенных по всей длине ленты параллельных дорожек и многоканальная магнитная головка. Лента протягивается мимо головки. При этом считывается часть (группа) дорожек ( чем больше дорожек считывается одновременно, тем выше производительность устройства). По окончании ленты головка перепозиционируется на следующую группу дорожек, а лентопротяжный механизм реверсирует движение ленты. Этот процесс повторяется пока не будут считаны или записаны все дорожки. Такой метод записи-считывания называют серпантинным. Основные изготовители устройств с линейной записью Quantum Corp. и Tandberg Data ASA. Плотность расположения дорожек на ленте (количество на 1 дюйм ширины) может достигать 2806 в устройстве DDS-3 (фирма Sony), а линейная плотность 133. Емкость таких устройств на 1 картридж может превышать 100 ГБ.

В наклонно-строчной записи лента протягивается с небольшой скоростью (несколько см в секунду) мимо вращающейся с высокой скоростью цилиндра с размещенными в нем головками чтения/записи. За счет вращения блока головок получается относительная высокая скорость между лентой и головкой. Преимущества этого метода состоят в следующем. Поскольку абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и остановки занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту. Следовательно можно использовать более тонкие ленты. Кроме того при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек в несколько раз выше, чем при линейной записи. Поэтому сами устройства получаются более компактными, а картриджи меньшими по размерам.

5. Накопители на оптических дисках

К таковым накопителям относят CD- и DVD-устройства. Поверхность оптического CD-диска перемещается относительно лазерной головки с постоянной линейной скоростью. Луч лазера проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании на выступ он отражается на детектор. Если же луч попадает в ямку он рассеивается и малая его часть отражаясь доходит до детектора. Ямки воспринимаются как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы. Объем памяти на таком диске составляет 600-700 МБ. Существует несколько разновидностей этих дисков : CD-ROM, CD-R и CD-RW. Первые служат только для считывания информации, во вторых информация однократно записывается и многократно считывается, а третьи являются перезаписываемыми носителями. В настоящее время CD-устройства постепенно вытесняются DVD-устройствами. Диски DVD имеют те же размеры, что и CD-диски (5,25”). Для повышения их емкости по сравнению с CD-устройствами уменьшена ширина трека и размер хранящей ячейки. Кроме того , для записи информации могут использоваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в нескольких слоях. Таким образом один диск может иметь несколько рабочих плоскостей. В настоящее время существуют диски с емкостью 4,7 ГБ, 17 ГБ и 54 ГБ и тенденция к постоянному увеличению этого параметра.

6. Накопители на магнитооптических дисках

В устройствах с магнитооптическими дисками. МОД (MOD – Magneto-Optical Drives), в процессе записи и считывания магнитного носителя используется лазер. МОД сочетают практически неограниченное число перезаписей, свойственное магнитным носителям, с чрезвычайно надежным хранением записанной информации. Запись осуществляется термомагнитным способом: магнитное поле головки способно перемагнитить только микроскопическую зону носителя, разогреваемую лазерным лучом до температуры выше точки Кюри (порядка 200⁰ С). Зона, вышедшая из под луча сохраняет полученное состояние намагниченности. Считывание информации с магнитного слоя также выполняется с помощью лазера (при малой мощности излучения) и основано на эффекте Керра – изменении паляризации света под действием магнитного поля. Отраженный луч проходит через поляризационную оптику, в результате на фотоприемник приходит луч, интенсивность которого модулирована по амплитуде в соответствии с записью на магнитном слое. Емкость магнитооптических дисков достигает 4,6 ГБ (диаметр 5,25” при двусторонней записи). В настоящее время магнитооптические диски уступают свои позиции DVD-устройствам.

7. Доменные запоминающие устройства

Эти ЗУ (они еще называются ЗУ на цилиндрических магнитных доменах – ЦМД-устройства) отличаются от других магнитных запоминающих устройств отсутствием механических подвижных частей [ 3 ]. Основы их функционирования были разработаны в середине 60-ых гг. в Bell Labs (США). Потенциальные возможности доменных устройств кажутся заманчивыми до настоящего времени и исследованиями в этой области занимаются крупнейшие фирмы (например, IBM, Intel). Принцип действия их основан на том, что в кристалле магнитного вещества (феррит-гранат) при определенных внешних условиях могут возникать домены – области с одним направлением намагниченности, отличным от намагниченности основной массы магнитного материала. Диаметр доменов может быть меньше 1 мкм. Наличие домена в определенном месте или его отсутствие дают возможность фиксировать логические 0 или 1. Определенными схемными решениями можно зарождать домены, передвигать их по кристаллу, считывать и уничтожать (аннигилировать).

Основные составные части чипа типичного доменного ЗУ показаны на рис. 6.1 (поперечный разрез). Здесь 1 - постоянный магнит, создающий магнитное поле Нсм , перпендикулярное плоскости чипа; 2 – подложка из не-

4

3

2

1 Нсм

Рис. 6.1. Поперечный разрез чипа доменного ЗУ.

магнитного материала со структурой, например, граната; 3 – пленка магнитного, доменосодержащего материала; 4 - пермаллоевый слой, служащий для продвижения доменов.

Под воздействием поля смещения Нсм домены в слое 2 приобретают вид цилиндров, оси которых параллельны Нсм. Конструкция рис. 6.1 помещается в катушку Гельмгольца, которая создает вращающееся магнитное поле с осью, параллельной плоскости слоя 2. Это поле служит для перемещения доменов. За один оборот вектора этого поля домены перемещаются на один период пермаллоевых структур слоя 1. Тактовая частота поля вращения может быть больше 500 кГц. Другой метод перемещения доменов основан на том, что слой 4 содержит многочисленные отверстия, а через весь пермаллоевый слой пропускаются импульсы тока. В такт этих им пульсов происходит перемещение доменов от одного отверстия к другому. Здесь тактовая частота может достигать нескольких МГц.

В настоящее время достигнута информационная емкость одного чипа свыше 50 МБ, а всего устройства до 1ГБ. Следует также отметить высокую радиационную и вибрационную стойкость таких устройств, что делает их незаменимыми в ряде технических применений. Однако высокая стоимость ограничивает область их применения военным и специальным оборудованием. Исследования в данной области продолжаются еще и в связи с тем, что потенциальная удельная емкость при объемной записи может достигать 10¹⁴ Б/см³.

6.8. Флэш-память

Принцип действия этой памяти основан на использовании полевого транзистора с изолированным затвором. С помощью туннельного эффекта на затвор подается электрический заряд, который может находится на затворе практически неограниченное время. Наличие или отсутствие заряда на затворе определяет проводимость полевого транзистора и тем самым записанную в нем информацию. Флэш-память присутствует в двух модификациях. В виде карт памяти и USB-накопителей. Применение карт памяти в последнее время растет благодаря развитию цифрового фото, КПК и мобильных телефонов. Для переноса информации с одного компьютера на другой их применяют крайне редко из-за малого объема памяти и необходимости специального адаптера.. Как и в случае с DVD-устройствами существует несколько конкурирующих стандартов – Compact Flash, Secure Digital, Memory Stick. В КПК и мобильных телефонах используются карты памяти с объемом 64 и 128 Мб. Для цифровых фотоаппаратов такой объем уже недостаточен и для них разрабатываются карты памяти объемом до 1 Гб.

Для переноса информации с компьютера на компьютер используются USB-накопители. Для записи информации на эти накопители не требуется специальное программное обеспечение, а операционная система распознает их как съемный диск. Однако их применение требует установки драйверов для операционной системы Windows 98 и ниже. В настоящее время USB-накопители используются и в бытовых устройствах (МР3 –плеер, цифровой магнитофон. Ожидается , что в ближайшее время USB-накопители начнут вытеснять с рынка диски CD-RW.