Устройства памяти эвм

Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлен на рисунке:

Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.

Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.

Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.

Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.

К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш-память. В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.

Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:

1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) - несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2 дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья “Винчестер” - отсюда пошло такое название этих накопителей.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная ёмкость 5,25 дюймовой дискеты - 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты - 1,44Мбайт. В настоящее время 5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются.

3. Оптические диски (СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory) - компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD-ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее популярными съемными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре их ёмкость достигает 700 Мб. В настоящее время все более популярным становится формат компакт-дисков DVD-ROM, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объемом 4,3 Гб. Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно.

Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4 - 5Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.

2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.

Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.

Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти. Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации - одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты - восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:

1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;

2) записать информацию в байт с определенным адресом.

Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.

По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.

Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.

Фа́йловая систе́ма (англ. file system) — регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла, максимальный возможный размер файла, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Классификация файловых систем

По предназначению файловые системы можно классифицировать на следующие категории:

Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates - в BSD системах. Reiser4 не применяет журналирование, все операции в ней атомарны.

Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.

Для оптических носителей — CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.

Виртуальные файловые системы: AEFS и др.

Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.

Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.

1_16

База данных (БД) — совокупность данных, организованных по опре­деленным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хра­нения и манипулирования данными, которые относятся к определенной предметной области.

Под данными понимается информация, представленная в виде, при­годном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека.

Под предметной областью понимается однородная часть реального мира, которая представляет интерес для конкретного исследования.

Пользователей баз данных можно разделить на три категории: ко­нечные пользователи (те, кто вводят, извлекают и используют данные), программисты и системные аналитики (те, кто пишут прикладные про­граммы обработки данных, определяют логическую структуру БД) и адми­нистраторы.

Администратор базы данных — это лицо, отвечающее за выработку требований к базе данных во время ее проектирования, реализацию БД в процессе создания, эффективное использование и сопровождение БД в про­цессе эксплуатации. Администратор взаимодействует с конечными пользо­вателями и программистами в процессе проектирования БД, контролирует ее работоспособность, отвечает за реорганизацию и своевременное обновление информации, удаление устаревших данных и за восстановление разрушен­ных данных, за обеспечение безопасности и целостности данных.

Под безопасностью данных понимают защиту данных от случайного или преднамеренного несанкционированного доступа к ним лиц, не имею­щих на это права.

Под целостностью понимается возможность восстановления данных в случае возникновения сбоев в работе. Если БД содержит данные, используе­мые многими пользователями, то очень важно, чтобы данные и связи между ними не разрушались.

Программисты и системные аналитики, создавая БД, стремятся упорядочить информацию по различным признакам (реквизитам, атрибутам), для того чтобы можно было извлекать из БД информацию с произвольным сочетанием признаков.

В современной технологии использования баз данных предполагается, что создание базы данных, ее поддержка и обеспечение доступа пользовате­лей к ней осуществляется с помощью специального программного обеспече­ния — систем управления базами данных.

Системы управления базами данных (СУБД) — пакет программ, обеспечивающих создание БД и организацию данных. СУБД позволяют вво­дить, отбирать и редактировать данные. СУБД предоставляют средства для извлечения данных по определенному критерию (требованию, правилу). СУБД дают возможность конечным пользователям осуществлять непосредственное управление данными, а программистам и системным аналитикам быстро раз­рабатывать более совершенные программные средства их обработки.

Рассмотрим существующие классификации баз данных.

По технологии обработки данных БД подразделяются на централизо­ванные и распределенные.

Централизованная БД хранится в памяти одной ЭВМ.

Распределенная БД состоит из нескольких частей (возможно, пересе­кающихся или даже дублирующих друг друга), хранящихся на различных ЭВМ вычислительной сети.

По способу установления связей между данными различают реляци­онные, иерархические и сетевые БД.

Реляционная БД является простейшей и наиболее привычной формой представления данных в виде таблицы. В теории множеств таблице соответ­ствует термин отношение (relation), который и дал название этой БД. Для нее имеется развитый математический аппарат — реляционное исчисление и реляционная алгебра, где определены такие математические операции, как объединение, вычитание, пересечение, соединение и др.

Существенный вклад в разработку БД этого типа сделал американский ученый Е. Кодд (Е. Codd).

Достоинством реляционной БД является сравнительная простота ин­струментальных средств ее поддержки, недостатком — жесткость структуры данных (невозможность, например, задания строк таблицы произвольной длины) и зависимость скорости ее работы от размера базы данных. Для мно­гих операций, определенных в такой БД, может оказаться необходимым про­смотр всей БД.

Иерархическая и сетевая БД предполагают наличие связей между данными, имеющими какой-либо общий признак. В иерархической БД такие связи могут быть отражены в виде дерева-графа, где возможны только одно­сторонние связи от старших вершин к младшим. Это ускоряет доступ к не­обходимой информации, но только если все возможные запросы отражены в структуре дерева. Никакие иные запросы на извлечение информации не бу­дут удовлетворены.

Указанный недостаток снят в сетевой БД, в которой (по крайней мере, теоретически) возможны связи «всех со всеми». Поскольку на практике это осуществить невозможно, приходится прибегать к некоторым ограничениям. Использование иерархической и сетевой БД ускоряет доступ к информации в базе данных. Каждый элемент данных должен содержать ссылки на некото­рые другие элементы. По этой причине требуются значительные ресурсы как дисковой, так и оперативной памяти ЭВМ.

Сведения о некоторых СУБД приведены в таблице.

MS Access Clipper dBase FoxBase+ IMS/VS FoxPro Oracle Paradox

Рассмотрим основные понятия и компоненты реляционных БД (на­пример, MS Access), которые в настоящее время имеют наибольшее коммер­ческое использование.

Реляционная БД ориентирована на организацию данных в виде дву­мерных таблиц-отношений. Каждая таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

• каждый элемент таблицы — это один элемент данных;

• все столбцы в таблице однородные, т. е. все элементы в столбце имеют одинаковые длину и тип (числовой, символьный и т. д.);

• каждый столбец имеет уникальное имя;

• одинаковые строки в таблице отсутствуют;

• порядок следования строк и столбцов может быть произвольным

Таблица — это набор данных по конкретной теме (предметной облас­ти), например, сведения о студентах высшего учебного заведения. Данные в таблице располагаются в столбцах (полях) и строках (записях).

Поле — это элементарная единица логической организации данных, которая соответствует отдельной, неделимой единице информации — атри­буту. Каждому полю дается имя поля (идентификатор поля внутри записи), например «Фамилия».

Запись — это совокупность логически связанных полей. В реляционном подходе к построению баз данных используется тер­минология теории отношений. Столбец таблицы со значениями соответст­вующего атрибута называется доменом, а строка со значениями разных ат­рибутов — кортежем.

Итак, для реляционных БД существует несколько равноправных тер­минов: столбец может называться полем или доменом, а строка — записью или кортежем.

Каждая запись долж­на однозначно идентифици­роваться (определяться) уникальным ключом записи. В общем случае ключи записи бывают двух видов: первичный (уникальный) и вторичный.

Первичный ключ — это одно или несколько полей, однозначно идентифицирующих запись. Если первичный ключ состоит из одного поля, он называется простым, если из нескольких полей — составным ключом.

Вторичный ключ — это такое поле, значение которого может повто­ряться в нескольких записях, т. е. он не является уникальным. Если по значе­нию первичного ключа может быть найден один-единственный экземпляр записи, то по вторичному ключу — несколько записей.

Одной из основных характеристик БД является набор допустимых ти­пов данных, которые могут содержаться в полях записей. За каждым полем записи строго закреплен конкретный тип данных, определяющий ограни­ченный набор применимых к нему операций. К типам данных относятся: символьный (текстовый), числовой, булевский (логический), денежный, да­та, время, связанный по технологии OLE объект.

В реляционной БД содержится, как правило, несколько таблиц с раз­личными сведениями. Разработчик БД устанавливает связи между отдель­ными таблицами. При создании связей используют ключевые поля. После установления связей появляется возможность создания запросов, форм и от­четов, в которые помещаются данные из нескольких связанных между собой таблиц.

Для отбора данных из БД, удовлетворяющих определенным условиям, создается запрос. Запрос — это инструкция для отбора нужных сведений из данной БД в соответствии с определенными условиями, которые порой на­зывают критериями.

Большинство СУБД разрешают использовать запросы следующих ти­пов:

• запрос-выборка, предназначенный для отбора данных, хранящих­ся в таблицах, причем этот вид запроса не изменяет эти данные;

• запрос-изменение, предназначенный для перемещения данных или их модификации (добавление, удаление, обновление записей);

• перекрестный запрос, предназначенный для отображения результатов статистических расчетов (суммы, количества записей, среднего значения), которые группируются в виде таблицы по двум наборам данных, один из которых определяет заголовки столбцов, адругой заголовки строк;

• подчиненный запрос, включающий в себя инструкцию, находящуюся внутри другого запроса на выборку или изменение.