2. Організація пам'яті комп'ютера

2.1. Загальні зведення, визначення і класифікація

Пам'яттю ЕОМ називається сукупність пристроїв, що служать для запам'ятовування, збереження і видачі інформації. Окремі пристрої, що входять у цю сукупність, називають запам'ятовуючими чи пристроями пам'ятями того чи іншого типу.

Обоє ці терміна в даний час стали майже синонімами. Однак термін "запам'ятовуюче пристрій" (ЗУ) звичайно вживають, коли мова йде про принцип побудови деякого пристрою пам'яті (наприклад, напівпровідникові ЗУ, ЗУ на магнітних дисках і т.д.), а термін "пам'ять" – коли хочуть підкреслити виконувану пристроєм пам'яті логічну чи функцію місце розташування в складі устаткування ЕОМ (наприклад, оперативна пам'ять, зовнішня пам'ять і т.д.).

Продуктивність і обчислювальні можливості ЕОМ у значній мірі визначаються складом і характеристиками її ЗУ. У складі ЕОМ використовується одночасно кілька типів ЗУ (кілька типів пам'ятей), що відрізняються принципом дії, характеристиками і призначенням.

Основними операціями в пам'яті в загальному випадку є занесення інформації в пам'ять – запис і вибірка інформації з пам'яті – зчитування. Обидві ці операції називаються звертанням до пам'яті, чи, докладніше, звертанням при зчитуванні і звертанням при записі.

При звертанні до пам'яті виробляється чи зчитування запис деякої одиниці даних – різної для пристроїв різного типу. Такою одиницею може бути, наприклад, байт, машинне чи слово блок даних.

Найважливішими характеристиками окремих пристроїв пам'яті (запам'ятовуючих пристроїв) є ємність пам'яті і швидкодія.

Ємність пам'яті визначається максимальною кількістю даних, що можуть у ній зберігатися. Ємність виміряється в двоичных одиницях (бітах), машинних словах, але здебільшого в байтах (1 байт=8 біт), при цьому часто ємність пам'яті виражають через число ДО= 1024: Кбит (кілобит), Кслов (кіло-слів) чи Кбайт (кілобайт), при цьому 1024 Кбайт позначають як 1 Мбайт (мегабайт).

Швидкодія пам'яті визначається тривалістю операції звертання, тобто часом, затрачуваним на пошук потрібної одиниці інформації в пам'яті і на її зчитування (час звертання при зчитуванні), чи часом на пошук місця в пам'яті, що призначається для збереження даної одиниці інформації, і на її запис у пам'ять (час звертання при записі).

У деяких пристроях пам'яті зчитування інформації супроводжується її руйнуванням (стиранням). У такому випадку цикл звертання повинний містити операцію відновлення (регенерації) ліченої інформації на колишнім місці в пам'яті.

У залежності від реалізованих у пам'яті операцій звертання розрізняють:

а) пам'ять з довільним звертанням (можливі зчитування і запис даних у пам'ять) – RAM; б) пам'ять тільки для зчитування інформації ("постійна" чи "однобічна") – ROM.

Запис інформації в постійну пам'ять виробляється в процесі її чи виготовлення настроювання.

По способі організації доступу розрізняють пристрою пам'яті:

• з безпосереднім (довільним) доступом;

• із прямим (циклічним) доступом;

• з послідовним доступом.

У пам'яті з безпосереднім (довільним) доступом час доступу, а тому і цикл звертання не залежать від місця розташування ділянки пам'яті, з якого виробляється чи зчитування в який записується інформація. У більшості випадків безпосередній доступ реалізується за допомогою електронних (напівпровідникових) ЗУ. Число розрядів, що зчитуються чи записуваних у пам'яті з безпосереднім доступом паралельно в часі за одну операцію звертання, називається шириною вибірки.

У двох інших типах пам'яті використовуються більш повільні електромеханічні процеси. У пристроях пам'яті з прямим доступом, до яких відносяться дискові пристрої, завдяки безупинному обертанню носія інформації можливість звертання до деякої ділянки носія для чи зчитування запису циклічно повторюється.

У пам'яті з послідовним доступом виробляється послідовний перегляд ділянок носія інформації, поки потрібна ділянка носія не займе деяке вихідне положення. Характерним прикладом є ЗУ на магнітних стрічках. Час доступу може в несприятливих випадках розташування інформації досягати декількох хвилин.

Запам'ятовуючі пристрої розрізняються також по виконуваним в ЕОМ функціям, що залежать зокрема , від місця розташування ЗУ в структурі ЕОМ.

Пам'ять ЕОМ організується у виді ієрархічної структури запам'ятовуючих пристроїв, що володіють різними швидкодією і ємністю. У загальному випадку ЕОМ містить сверхоперативную пам'ять (СОП) чи місцеву пам'ять, оперативну чи основну пам'ять (ОП), пам'ять із прямим доступом на магнітних дисках, пам'ять з послідовним доступом на магнітних стрічках. Порядок перерахування пристроїв відповідає убуванню їхньої швидкодії і зростанню ємності. Ієрархічна структура пам'яті дозволяє економічно ефективно сполучити збереження великих обсягів інформації зі швидким доступом до інформації в процесі обробки.

Оперативною чи основною пам'яттю (ОП) називають пристрій, що служить для збереження інформації (даних програм, проміжних і кінцевих результатів обробки), безпосередньо використовуваної в процесі виконання операцій в арифметическо-логическом пристрої і пристрої керування процесора.

У процесі обробки інформації здійснюється тісна взаємодія процесора й ОП. З ОП у процесор надходять команди програми й операнды, над якими виробляються передбачені командою операції, а з процесора в ОП направляються для збереження проміжні і кінцеві результати обробки.

Характеристики ОП безпосередньо впливають на основні показники ЕОМ і в першу чергу на швидкість її роботи.

У ряді випадків швидкодія ОП виявляється недостатнім, і до складу машини приходиться включати швидкодіючу СОП (буферну чи кеш-пам'ять на кілька чи сотень тисяч машинних слів). Такі СОП виконуються на швидкодіючих інтегральних мікросхемах. Швидкодія СОП повинна відповідати швидкості роботи арифметическо-логических і керуючих пристроїв процесора. Сверхоперативная (буферна) пам'ять використовується для проміжного збереження зчитува процесором з ОП ділянок програми і груп даних, як робочі осередки програми, індексних регістрів, для збереження службової інформації, використовуваної при керуванні обчислювальним процесом. Вона виконує роль ланки, що погодить, між швидкодіючими логічними пристроями процесора і більш повільної ОП.

Оперативна пам'ять разом із СОП і деякими іншими спеціалізованими пам'ятями процесора утворять внутрішню пам'ять ЕОМ. Електромеханічні (оптичні) ЗУ утворять зовнішню пам'ять і називаються зовнішніми запам'ятовуючими пристроями.