[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

__________________________________________________________________________________

4.2.3. Память

Что-то с памятью моей стало… Все, что было не со мной, помню.

Я от памяти такой горблюсь…

Р. Рождественский

Память — функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. В ЭВМ запоминание информации происходит в ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), ВЗУ (внешние запоминающие устройства), кэшпамяти (недоступный для программистов и пользователей буфер), CMOSпамяти (здесь хранятся системные данные) и РОН — внутренних регистрах процессора (используются при вычислениях). ОЗУ, ПЗУ, РОН, кэш-память, CMOS-память относятся к электронной памяти, а ВЗУ — в основном, к электромеханической памяти. Внешняя Flash-память является электронной, выполненной на полупроводниковой подложке.

Заметим, что сокращение CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor — комплементарные пары металл-оксид-полупроводник, отечественная аббревиатура — КМОП) указывает на технологию изготовления данной памяти, а не на ее функциональное назначение. Точнее, ее можно было бы назвать памятью системных установок (конфигурации).

Существует еще одно понятие — видеопамять — электронная память, размещенная на видеокарте (графическом адаптере). Она используется, как правило, в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

ОЗУ и ПЗУ совместно образуют так называемую основную память

(ОП).

Объем и быстродействие памяти во многом определяют производительность всего компьютера.

4.2.4. Оперативная память

ОЗУ — это наибольшая часть основной памяти. ОЗУ предназначено для хранения переменной (текущей, быстро изменяющейся) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений. Это означает, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ команду или данные и после обработки поместить полученный результат (режим записи) в ОЗУ. Размещение новых данных возможно на тех же местах (в тех же ячейках памяти), где ранее находились исходные данные. Понятно, что прежние данные будут стерты. ОЗУ позволяет кратковременно (до выключения питания) хранить записанную информацию. Данные, адреса

__________________________________________________________________________________

у одноразрядной микросхемы памяти имеется 10 адресных входов, то информационная емкость составит N = 210 = 1024 бита = 1 Кбит.

Некоторые микросхемы памяти имеют многоразрядную структуру, которая называется словарной. У таких микросхем памяти имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (или считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом. Один адрес позволяет считать (или записать) информацию сразу из нескольких ЭП. Группа элементов памяти, из которых одновременно считывается (или записывается) информация, называется ячейкой памяти. Таким образом, ячейка памяти — это несколько ЭП, имеющих общий адрес.

На английском языке оперативная память называется Random Access Memory (RAM) — память с произвольным доступом. Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого (в любой) ЭП. Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой, прежде чем считать нужную информацию, нужно «вытолкнуть» ранее записанные операнды.

Используется два основных типа оперативной памяти: статическая

(SRAM — Static RAM) и динамическая (DRAM — Dynamic RAM).

Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла (cycle time). Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем меньше эти величины, тем выше быстродействие памяти.

Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).

Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4—6 транзисторов. После записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).

Конструктивно микросхема памяти выполняется в виде прямоугольной матрицы, причем ЭП располагаются на пересечении строк и столбцов. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который разбивается на две части. Одна часть адреса используется для выбора строк матрицы накопителя, а вторая — для выбора столбцов.

На рисунке приведена структурная схема микросхемы памяти К561РУ2, у которой 8 адресных входов: a7a6, …, a0. Это позволяет размес-

__________________________________________________________________________________

так называемые паразитные цепи утечки приходится периодически подзаряжать конденсаторы. Этот процесс называется регенерацией заряда.

Регенерация (восстановление) заряда должна происходить достаточно часто. Подтверждением этого являются следующие рассуждения. Так как необходимо получить высокую удельную плотность хранения информации, емкость конденсатора не может быть большой (практически величина емкости запоминающих конденсаторов составляет порядка 0,1 пФ). Постоянная времени разряда определяется как произведение емкости конденсатора на сопротивление закрытого транзистора. Это произведение составляет величину порядка

= RC = 1010 0,1 10-12 = 10-3 c.

Таким образом, постоянная времени разряда составляет одну миллисекунду и, значит, регенерация заряда должна происходить примерно тысяча раз в секунду.

Необходимость частой подзарядки запоминающих конденсаторов в матрице накопителя приводит к снижению быстродействия динамической памяти. Однако, благодаря малым размерам конденсатора и малому числу дополнительных элементов, удельная плотность хранения информации динамической памяти всё же выше, чем у статической памяти.

Емкость микросхем динамической памяти составляет десятки Мбит на один корпус. Возможность размещения на одном кристалле большого числа ЭП вызывает другую конструкторскую проблему: необходимо использовать большое число адресных входов. Для снижения остроты этой проблемы используют мультиплексирование.

Мультиплексирование — это технический прием временного уплотнения информации, благодаря которому удается по одним и тем же электрическим цепям передать разную информацию для различных приемников (потребителей) информации. Так, конструкторы вдвое уменьшают число адресных входов у микросхем памяти. Адрес делят на две равные части и вводят его в микросхему поочередно: сначала младшую часть, а затем старшую часть адреса. При этом первая часть осуществляет выбор нужной строки в матрице накопителя, а вторая часть активизирует соответствующий столбец.

Для того чтобы микросхема памяти «знала», какая часть адреса вводится в данный момент времени, ввод каждой группы адреса сопровождается соответствующим управляющим сигналом.

Так, синхронно с вводом младшей части адреса на микросхему подается сигнал RAS (Row Address Strobe) — сигнал стробирования (сопровождения) адреса строки. Практически одновременно с вводом старшей части адреса на микросхему памяти подается сигнал CAS (Column Address Strobe) — стробирование адреса столбца.

106 Внешние запоминающие устройства

__________________________________________________________________________________

4.2.5. Внешние запоминающие устройства

ВЗУ — это, в основном, электромеханические запоминающие устройства, которые характеризуются большим объемом хранимой информации (сотни гигабайт) и низким (по сравнению с электронной памятью) быстродействием. К ВЗУ относятся: накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД). К ВЗУ можно отнести полностью электронную Flash-память.

Накопители на оптических дисках часто называют английским терми-

ном CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory). В переводе эта английская аббревиатура означает: компактный диск для чтения. Произносится сокращение так: сиди-ром. Однако этим же термином обозначают и сами оптические диски, поэтому здесь возможны смысловые ошибки. Поэтому разумнее устройства называть накопителями на оптических дисках (НОД), проигрывателями или приводами.

В зависимости от типа носителя ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте, дисковые магнитные накопители, дисковые оптические накопители и электронную память.

Носитель — это материальный объект, способный хранить информацию. Например, в первых ЭВМ носителями информации являлись бумажные ленты и карты, на которых были пробиты (перфорированы) отверстия. Наличие или отсутствие отверстия соответствовали логической единице и логическому нулю.

При магнитной записи информации с помощью записывающей головки происходит изменение намагниченности носителя. Носитель изготавливают из ферромагнитного материала с прямоугольной петлёй гистерезиса. Располагается носитель на подложке, в качестве которой может выступать пластмассовая пленка, металлические или стеклянные диски.

На рисунке показан график изменения индукции носителя B при изменении напряженности внешнего магнитного поля H. Этот график называется петлей гистерезиса. Особенностью ферромагнетиков является то, что при увеличении и уменьшении напряженности внешнего магнитного поля Н индукция В принимает разные значения. Следует обратить внимание на следующий момент: если напряженность внешнего магнитного поля равна нулю, то индукция носителя в зависимости от предыстории может принять одно из двух значений Br или –Br.

Эти значения называются остаточной индукцией. Одно из них ставят в соответствии логической единице, а второе значение остаточной индукции ставят в соответствие логическому нулю.

__________________________________________________________________________________

Реализация записи логических единиц и логических нулей осуществляется следующим образом.

Ток, протекающий по обмотке записывающей головки, создает в сердечнике (магнитопроводе) магнитный поток. Через узкий зазор в сердечнике магнитный поток намагничивает носитель в одном из двух направлений, что зависит от направления протекающего по обмотке тока. Разные направления намагниченности носителя соответствуют логическому нулю и логической единице.

Таким образом, записывающая головка — это маленький электромагнит, который своим электромагнитным полем изменяет ориентацию магнитных доменов в носителе, в зависимости от полярности протекающего по обмотке тока.

При считывании информации с ленты или диска движущийся намагниченный носитель индуцирует в считывающей головке электродвижущую силу. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя.

108 Внешние запоминающие устройства

__________________________________________________________________________________

Винчестер (жёсткий диск) содержит набор пластин, представляющих собой чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома и т. п.) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).

Жесткие диски изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла (толщина примерно 2 мм). Для записи данных используются обе поверхности дисков. Вращение дисков и радиальное перемещение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей.

Данные записываются или считываются с помощью головок записи и считывания, по одной на каждую поверхность диска. На следующем рисунке упрощенно показаны головки, расположенные только с одной стороны диска (фактически их в 2 раза больше).

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам), причем дорожки делятся на секторы. В одном секторе может размещаться 128, 256, 512 или 1024 байт информации. Число секторов на внешних дорожках больше, чем число секторов на внутренних дорожках. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов.

__________________________________________________________________________________

Головки

Диски

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении). При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разных дисков. Дорожки винчестера с одинаковыми порядковыми номерами, расположенные на разных дисках, называются цилиндром.

Вся конструкция винчестера заключается в герметичный корпус. Внутренняя полость винчестера заполняется очищенным от пыли воздухом, а внутри корпуса поддерживается атмосферное давление. При вращении дисков они создают сильный поток воздуха, который постоянно очищается фильтром. Система очистки воздуха позволяет удалить частицы пыли, диаметр которых более 0,3 мкм.

При включении питания и достижении некоторой критической скорости вращения шпинделя аэродинамическая подъемная сила воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности дисков. В результате головки поднимаются («всплывают») над поверхностями дисков на высоту в несколько нанометров. С этого момента времени и до снижения скорости ниже критической головки «висят» на воздушной подушке и не касаются поверхностей дисков.

Во время работы винчестера постоянно работает система слежения за радиальным положением головок над дисками. Из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается на схему обратной связи. Если головки отклоняются от середины дорожки, то мгновенно возникает управляющий сигнал, стремящийся с помощью специальных устройств вернуть их на место.

110 Внешние запоминающие устройства

__________________________________________________________________________________

Производительность диска зависит от следующих величин: времени доступа и скорости передачи данных.

Время доступа — это время, необходимое для позиционирования (перемещения) головок на соответствующую дорожку и ожидания нужного сектора. Характерное среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками лежит в диапазоне 8 — 20 мс. Время перехода головок на соседнюю дорожку (можно сказать, на соседний цилиндр) значительно меньше и обычно составляет 2 мс. Чтобы нужный сектор повернулся до совмещения с головкой, требуется некоторое время. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время их полного оборота лежит в пределах 8—16 мс, а среднее время ожидания сектора составляет 4—8 мс.

По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса: только для чтения (Read Only), с однократной записью и многократным считыванием (Write Once Read Many) и с многократной перезаписью информации (Erasable).

В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 0 и 1. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла — теллура.

При записи логической единицы луч мощного лазера прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Если единицы следуют одна за другой, то за счет вращения диска во время записи отверстие оказывается вытянутым вдоль дорожки. Начинается запись с внутренних дорожек. Запись ведется с большой плотностью —

расстояние между соседними дорожками 1,6 мк. Длина всей спиральной дорожки более 5 км.

Таким способом изготавливается первичный «мастер-диск», с которого затем производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. Полученные копии «мастер-диска» называют порой лазерными дисками, хотя более точное название — оптические диски.