6.2 Память компьютера

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.

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

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

6.3 Внутренняя память

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, 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 память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает (энергозависимая память). Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Самой быстродействующей памятью персонального компьютера является оперативная память. В современных компьютерах она составляет оперативную  (ОЗУ или RAM), а также сверхоперативную (кэш) память. Ее быстродействие обусловлено отсутствием медленных механических элементов в ее устройстве, как это имеет место в памяти на магнитных дисках и лентах, компакт-дисках.

Минимальный объём ОП определяется требованиями операционной системы и для современных компьютеров составляет 128 Мбайт. Тогда как ранее объём памяти составлял 1 Мбайт, 4 Мбайта, 8 Мбайт, 16 Мбайт, 32 Мбайта и более. Сегодня типичным считается размер памяти в 256 (512) Мбайт.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Ячейки данного вида памяти строятся на микроскопических конденсаторах, которые из-за утечек постепенно разряжаются. Чтобы сохранить значение данных, необходима периодическая (десятки раз в секунду) подзарядка конденсаторов специальными устройствами. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Регенерация, т.е. периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является атрибутом динамической оперативной памяти.

Современные микросхемы имеют ёмкость 1-16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее распространены модули типа SIMM (Single In-Line Memory Module — модуль памяти с однорядным расположением микросхем). На них обычно располагаются 30 или 72 контакта, при этом каждый контакт имеет выход на обе стороны платы памяти.

В модуле SIMM элементы памяти собраны на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая — 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем — девять, три или одну, и разное число контактов — 30 или 72.

В настоящее время они практически не применяются, были вытеснены в дальнейшем модулями DIMM. Они, как правило, имеют 168, 184, 200 или 240 независимых контактных площадок, которые расположены по обе стороны платы памяти.

Важная характеристика модулей памяти — время доступа к данным, которое обычно составляет 60 – 80 наносекунд (для SIMM модулей и старых моделей DIMM).

. Компьютерная оперативная память является динамической (отсюда - DRAM или Dynamic RAM) - для хранения данных в такой памяти требуется постоянная подача электрического тока, при отсутствии которого ячейки опустошаются.. Ячейки памяти в микросхемах представляют собой конденсаторы, которые заряжаются в случае необходимости записи логической единицы, и разряжаются при записи нуля. Опустошение памяти в случае отсутствия электроэнергии осуществляется именно за счет утечки токов из конденсаторов.

Развитие DRAM

В последние несколько лет основное сражение за увеличение производительности компьютеров велось в области разработки и производства новых микросхем для скоростной памяти. Причем если до этого все совершенствование оперативной памяти сводилось к увеличению ее объема, то сейчас во главу угла ставится ускорение процесса чтения/записи запоминающих ячеек и передачи данных по системной шине. Таким образом, разработчики наконец-то вынужденно пришли к выводу, что наращивать частоту ядра процессора без ускорения процесса работы с оперативной памятью бессмысленно, т. к. процессор, обработав полученную перед этим порцию данных, надолго, останавливается, ожидая окончания очередного цикла чтения/записи. Совершенствование микросхем памяти, естественно, влечет за собой изменение конструкции чипсета системной платы и правил работы системной шины. В итоге перед пользователями теперь встает не только проблема выбора нового процессора и системной платы, но и подбора оптимального варианта системы "процессор-плата-память". Ведь сегодня предлагаются три типа модулей (DDR, DDR2, DDR3) для работы с современными процессорами, причем выбор между модулями DDR2 и DDR3 не так очевиден. Кроме того, для управления определенным типом памяти необходимо, чтобы чипсет системной платы или блок управления памятью процессора умел работать с ней. До появления процессоров Pentium III у пользователей особого выбора модулей памяти не было, а основная проблема на практике заключалась в том, как различить модули SIMM (Single In-line Memory Module) с микросхемами EDO (Extended Data Output) и FPM (Fast Page Mode). Новые поколения процессоров стимулировали разработку более скоростной памяти SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) с тактовой частотой 66 МГц, а модули памяти с такими микросхемами получили название DIMM (Dual In-line Memory Module). В настоящее время практически завершился процесс отказа от использования модулей памяти DDR в пользу DDR2, а также начат переход на следующее поколение модулей памяти DDR3. Для процессоров Intel этот переход на DDR2 и 3 практически состоялся, а для процессоров AMD начался после выхода сокетов АМ2 и 3. Относительно памяти DDR3 следует отметить, что серийный выпуск модулей начат лишь в 2007 г., поэтому эта память до сих пор дорога, да и, в большинстве случаев, еще просто не нужна, т. к. большинству систем вполне хватает и памяти DDR2. Вообще, это еще вопрос, насколько необходима новейшая память, поскольку в реальной жизни и для большинства приложений результаты практической работы не совпадают с излишне оптимистическими замерами в различных тестах. Кроме перечисленных типов памяти существуют и другие типы памяти и модулей, которые используются в специализированных устройствах, например, в качестве видеопамяти. Следует отметить, что постоянно приходят сообщения о разработке микросхем памяти на новых принципах, 'поэтому, возможно, уже через год-два микросхемы DDR SDRAM будут считаться морально устаревшими.

64-разрядные модули памяти DIMM (Dual In-line Memory Module) появились в 1997 г. У этого поколения модулей памяти насчитывается 168 контактов, расположенных с двух сторон текстолитовой платы (по 84 контакта с каждой стороны).

Кэш-память

Кэш или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Основное назначение кэш памяти – служить местом временного хранения обрабатываемых в текущий момент времени кодов программ и данных. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Кэш – память располагается как бы «между» процессором и ОП.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах и размещается на материнской плате и имеет объем один и более Мбайт).

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8–16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

Постоянная память ROM

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

В ПЗУ хранятся:

программа управления работой процессора, программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной памяти — модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

• загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны — важный модуль любой операционной системы (Software).

Энергонезависимая память CMOS ( полупостоянная память)

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. В ней постоянно хранится и обновляется информация о текущей дате и времени. Чтобы при отключении питания компьютера содержимое CMOS-памяти не стиралось, и часы продолжали отсчитывать время, микросхема CMOS-памяти питается от специальной маленькой батарейки или аккумулятора, которые находятся на системной плате.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.