Тема 7. Збереження даних Лекція 12 Апаратний рівень

Пам’ять комп’ютера за характером доступу до неї та обсягами інформації, що зберігається в ній, поділяють на оперативну і довгострокову. До оперативної пам’яті центральний процесор комп’ютера звертається в будь-який момент роботи системи; зчитування і запис інформації в оперативній пам’яті відбуваються швидко. У довгострокову пам’ять комп’ютер записує великі обсяги інформації і звертається до неї епізодично.

Різниця між оперативною і довгостроковою пам’яттю полягає у часі доступу до пам’яті, тому часто замість цих назв використовують їхню фізичну реалізацію – напівпровідникову і магнітну пам’ять.

Комп’ютер оперує двома символами: 1 і 0. Стани 1 і 0 фізично реалізуються в електричному реле, що має два стійких стани. На зміну реле прийшли у свій час електронна лампа, а потім транзистор. Пристрій пам’яті на лампах або транзисторах реалізується за допомогою "тригера", що має два стійких стани, отже, здатного запам’ятовувати значення 0 і 1. Для реалізації цієї операції використовують різні фізичні принципи. Тригер – "електронне реле", що, як і електричне реле, може знаходитися в одному з двох можливих станів, що виражаються різною напругою в обраній точці схеми. Певна напруга приймається умовно за 0, інша – за 1. Тригер як завгодно довго зберігає один із двох стійких станів і стрибкоподібно переключається з одного стану в інший під дією зовнішнього сигналу.

Один тригер здатний запам’ятовувати один біт інформації. Послідовно з’єднавши кілька тригерів, можна одержати пристрій для збереження великих двійкових чисел, причому кожен попередній тригер буде джерелом сигналу для наступного. Сукупність тригерів, що розрахована на збереження двійкового числа визначеної довжини, називають регістром. Однак такий пристрій пам’яті працює тільки при наявності електроживлення.

Якщо доступ до комірок пам’яті (тригерів) організований так, що запис і зчитування двійкової інформації здійснюється одночасно до всіх комірок, то пристрій пам’яті називають пам’яттю з довільним доступом. Якщо ж регістр виконаний так, що інформація в ньому передається послідовно від попередньої комірки до наступної, то він називається регістром зсуву або пристроєм з послідовною пам’яттю.

Оперативна пам’ять комп’ютера може складатися з великої кількості тригерних елементів будь-якої природи. В процесі становлення і розвитку комп’ютерів розроблені і технічно реалізовані принципово різні пристрої оперативної пам’яті. Вони реалізуються на найпростіших напівпровідникових структурах, на основі криогенних елементів, електронно-променевих трубок, циліндричних магнітних доменів, голографії, за допомогою складних молекулярних і біологічних систем.

Пам’ять на феритових стрижнях. Ферит – напівпровідниковий магнітний матеріал, що виготовляється з порошкоподібних окислів. Ферит має сильно виражені магнітні властивості з майже прямокутною петлею гистерезиса (залежність магнітної індукції від напруги магнітного поля).

Магнітний стрижень із прямокутною петлею гистерезиса є елементом для запам’ятовування інформації у двійковому коді. Можна вважати, що намагнічений стан стрижня відповідає 1, а розмагнічений – 0. Перехід з одного стану й інший відбувається під впливом струму в котушці. Аналогічні властивості має кільце з феритового матеріалу. Для керування магнітним станом на кільці повинні бути відповідні обмотки запису і зчитування. Зчитування інформації базується на згаданому вище ефекті: якщо стрижень під дією імпульсу залишився в попередньому стані, то в ньому була записана 1, якщо під дією імпульсу протилежної полярності стрижень перейшов у інший стан, то у ньому був записаний 0.

З великої кількості феритових кілець утворюється матриця пам’яті, у якій кожен елемент знаходиться в стані 0 або 1, і тим самим запам’ятовується стільки біт, скільки в матриці кілець. Матриця утворюється сіткою з горизонтальних і вертикальних дротиків (шин), на перетині яких містяться феритові кільця. За допомогою шин відбувається керування магнітним станом кожного кільця.

Для зниження габаритних розмірів пристрою пам’яті розміри феритових кілець зведені до мінімуму. Зовнішній діаметр складає 0,45 мм, внутрішній – 0,3 мм, час переключення дорівнює 30 нс.

Серійні запам’ятовуючі пристрої на феритах мають ємність до 20 Мбіт.

Пам’ять на циліндричних магнітних доменах. Основою цього типу пристроїв є наступний фізичний ефект: у деяких магнітних матеріалах при впливі зовнішнього магнітного поля можуть виникати окремі області, що відрізняються від іншого матеріалу напрямом намагніченості. Ці області одержали назва "доменів" (domain – керована область, район). Під дією слабкого зовнішнього магнітного поля домени можуть переміщатися в пластині феромагнітного матеріалу за заздалегідь заданих напрямах з високою швидкістю. Ця властивість переміщення доменів дозволяє створювати запам’ятовуючі пристрої. Для виготовлення доменів використовують плівку феритграната.

Доменні структури можуть бути смужковими, кільцевими, циліндричними. Пристрої на циліндричних магнітних доменах є новим етапом впровадження магнетизму в техніку запам’ятовуючих пристроїв.

Носіями інформації в такому пристрої є ізольовані намагнічені ділянки магнітних кристалів. Розмір домену складає від 0,01 до 0,1 мм, тому на одному квадратному сантиметрі матеріалу можна розмістити кілька мільйонів доменів.

Домени можна генерувати або знищувати, їх переміщення дозволяє реалізувати логічні операції, тому що наявність або відсутність домену у визначеній точці магнітного кристала можна вважати за 1 або 0.

Важливим є той факт, що при відключенні домени зберігаються.

Кристал з доменами є основою для виготовлення напівпровідникових модулів – чіпів (chip – тонкий шматочок дерева або каменю). Для утворення в чіпі циліндричних доменів, його поміщають у постійні й обертові магнітні поля, що утворюються постійним магнітом і електромагнітом.

Один чіп здатний запам’ятати до 150 біт інформації, а весь накопичувач – 10 Мбіт.

Зчитування інформації в чіпі на циліндричних магнітних доменах відбувається за допомогою магніторезистивних пермалоєвих датчиків або датчиків Холла.

Напівпровідникова пам’ять. Для запам’ятовування електричних сигналів використовують напівпровідникові структури, на основі яких створюються біполярні транзистори, моп-транзистори (метал-оксид напівпровідники), мноп-транзистори (метал-нітрид-оксид напівпровідники) і прилади із зарядовим зв’язком.

Блоки пам’яті на транзисторах організовані аналогічно блокам пам’яті на феритових стрижнях. Основним недоліком напівпровідникової пам’яті є значне споживання електроенергії і втрата інформації при відключенні електроживлення.

Біполярний транзистор являє має два p-n переходи. Під дією напруги база-колектор змінюється стан транзистора: він може бути відкритий або замкнений. Ці стани використовуються як 0 і 1.

Транзистор з металооксидною стружкою є різновидом польового транзистора. Назва цього транзистора походить від трьох складових: металевий затвор, шар ізолюючого окислу і напівпровідникова підкладка. У такого транзистора опір між двома його виводами керується потенціалом, що подається на третій вивід (затвор). Під дією керуючої напруги Моп-транзистор може знаходитися в закритому або відкритому станах.

На біполярних транзисторах, польових МОП- і Мноп-транзисторах, приладах із зарядовим зв’язком збирають інтегральні запам’ятовуючі пристрої.

Технологія виготовлення напівпровідникових структур дозволяє створювати на їх базі інтегральні запам’ятовуючі пристрої. Основу всіх напівпровідникових елементів складає кремнієва пластина, на якій збирається весь логічний блок пам’яті. Один запам’ятовуючий блок на МОП-структурі складає матрицю з 256 запам’ятовуючих елементів.

Пам’ять на електронно-променевих трубках (ЕПТ). Електронно-променева трубка без люмінофорного покриття може служити запам’ятовуючим пристроєм. Електронний промінь, впливаючи на скло колби, залишає на ньому електричний заряд, і цей заряд зберігається надовго, тому що стекло є ефективним діелектриком. Зчитування зарядів здійснюється також електронним променем. Про наявність заряду на мішені свідчить зміна струму променя.

Мішень трубки на Моп-структурі зберігає інформацію у виді потенційного рельєфу, що формується в шарі окислу пластини. При записі в точці контакту променя з мішенню накопичується заряд, що відповідає 1, відсутність заряду – 0. При площі мішені 1 квадратний сантиметр ЕПТ має ємність 4,2 Мбіт.

Пам’ять на магнітній стрічці. Запис інформації на магнітну стрічку базується на принципі збереження феромагнітними матеріалами залишкового намагнічування, що відповідає напруженості магнітного поля при записі. Магнітна стрічка являє собою носій інформації у вигляді гнучкої пластмасової стрічки, що покрита тонким (0,01-10 мкм) магнітним шаром. Стрічка рухається з рівномірною швидкістю повз магнітну голівку, і її поверхня намагнічується в залежності від миттєвого значення напруженості магнітного поля, що створюється голівкою відповідно до сигналу, що надходить на неї.

При пропущенні магнітної стрічки повз відтворюючу голівку в її обмотці індукується електрорушійна сила, що відповідає ступені намагніченості магнітного шару стрічки. Такий принцип запису і відтворення використовується для магнітних барабанів і дисків.

Сучасні запам’ятовуючі пристрої великої ємності на магнітній стрічці порівняно дешеві і компактні, здатні зберігати інформацію протягом тривалого часу. Вони дозволяють робити багаторазове зчитування і запис.

Цифрова інформація може записуватися на магнітну стрічку на декількох рівнобіжних доріжках, при цьому кожна доріжка має свою голівку запису-відтворення або одна голівка переміщається на потрібну доріжку.

У запам’ятовуючих пристроях на магнітній стрічці блоки інформації поміщають (записують) з інтервалами, достатніми для зупинки стрічкопротягувального механізму. Кожен інформаційний блок має свою адресу у вигляді кодового слова. Вибірка зі стрічки великого блоку інформації здійснюється шляхом порівняння адреси блоку, що зберігається в регістрі запам’ятовуючого пристрою комп’ютера, зі зчитуваними зі стрічки поточними номерами (адресами) блоків.

Основним недоліком пам’яті на магнітній стрічці є значний час вибірки інформації. Така пам’ять здатна зберігати великий обсяг інформації – 40 Гбайт при компактних розмірах.

Пам’ять на магнітних барабанах і дисках. Основним елементом пам’яті на магнітному барабані є сам барабан, покритий магнітним матеріалом. У поверхні барабана встановлюється ряд голівок для безконтактного запису і зчитування. Наприклад, барабан може мати 278 доріжок, що обслуговуються 24 голівками. Обертання барабана відбувається з частотою близько 20 тис. оборотів за хвилину, а швидкість вибірки інформації може складати кілька десятків мск.

Пристрій пам’яті на магнітному барабані є винятково точним у механічному відношенні приладом. Для підвищення його надійності голівки герметизують, створюючи автоматичну систему голівок, що плавають, коли між поверхнею барабана і голівкою зберігається постійний зазор приблизно 5 мкм.

Пам’ять на магнітних дисках з’явилася на початку 60-х років після освоєння виробництва магнітних голівок, що плавають, на повітряній подушці. Збільшення поверхні, що використовується для запису інформації на магнітних дисках у порівнянні з магнітними барабанами, дозволило при тій же щільності запису розробити пристрої, що перевищують ємність пристроїв на магнітних барабанах у багато разів.

Незалежно від розмірів диска накопичувач складається з трьох фізичних вузлів: касети з диском, приводу диска та електронної частини.

Жорсткі диски виготовляються з алюмінію або латуні, вони можуть як стаціонарно встановлюватися, так і змінними; інформація записується на магнітний шар по концентричних доріжках; стандартні діаметри 88,9; 133,35 мм, товщина приблизно 2 мм; обидві поверхні є робочими. Диск встановлюється на вал, що обертається електромотором. Зазор між поверхнею диска і магнітною голівкою складає 2,5-5,0 мкм і повинний зберігатися постійним у процесі роботи. З цією метою роблять ретельну обробку поверхні диска і використовують спеціальні голівки аеростатичного типу, що плавають над диском. Голівки для запису і зчитування переміщаються в зазорі між дисками за допомогою супорта, що керується сервоприводом за допомогою спеціальних команд.

Середня ємність доріжки досить велика (приблизно 40 Кбайт), тому кожна доріжка розбивається на сектори для більш швидкого пошуку. При апаратному поділі диска на сектори на внутрішньому колі є 32 отвори, що відзначають початки секторів.

Обсяг дисків може досягати сотень Гбіт, а час доступу до інформаційного блоку від 1 до 10 мс.

Основна перевага дискової пам’яті – порівняно швидкий пошук потрібного інформаційного блоку і можливість зміни дисків, що дозволяє зчитувати з дисків дані, які записані на іншому комп’ютері.

Сьогодні широко використовуються жорсткі диски компаній IBM, Seagate, Quantum. Особливість жорстких дисків – герметизація носія, що дозволяє зменшити зазори між голівками і диском, істотно збільшити щільність запису. Герметизація підвищує також надійність пристрою.

У 1970 р. фірмою ІВМ був розроблений гнучкий лавсановий диск із магнітним покриттям, поміщений у пластмасовий корпус. Ці малогабаритні диски виявилися досить зручними для використання у якості зовнішньої пам’яті для персональних комп’ютерів.

Пам’ять на оптичних дисках. Гармонійне випромінювання, яким є випромінювання лазера в оптичному діапазоні хвиль, має нерозбіжний пучок з дуже малим перетином і досить великою потужністю. Це випромінювання використовується для запису і зчитуванні інформації. В основі запису інформації за допомогою лазера є ідея модуляції дискретними значеннями 0 і 1 лазерного випромінювання, що під впливом променя на метал залишає на поверхні диска мітки. Поверхня диска покривається тонким шаром телуру. Промінь записуючого лазера при модуляції "одиницею" пропалює в плівці телуру мікроскопічний отвір. Промінь лазера, що зчитує, відбивається від поверхні диска, крім місць, випалених записуючим променем, і попадає у фотодетектор. Такий метод дозволяє записувати інформацію тільки один раз.

Запис інформації відбувається по концентричних доріжках. Для зручності пошуку потрібного інформаційного блоку диск розбивається на сектори, кожному сектору привласнюється адреса.

Швидкість запису визначається потужністю променя записуючого лазера, швидкістю обертання диска і швидкістю переміщення лазерного променя. Це пояснюється тим, що чим потужніший промінь лазера, тим менша експозиція для випалювання отвору. Більш короткий час експозиції дозволяє збільшити швидкість запису, а отже, і швидкість зчитування. Швидкість запису сучасних пишучих CD-ROM складає близько 600 Кбайт/c.

За даними розробників диск, покритий плівкою телуру, може зберігати записану інформацію протягом 10 років. Оптичний диск має велику щільність запису. Якщо елемент запису на магнітному диску має розмір близько 2 мкм, то розмір оптичного елемента запису, що визначений розмірами дифракції променя складає 0,4 мкм. У результаті на оптичний диск можна записати до 6 Гбіт інформації.

Найбільш поширеними є оптичні диски стандартного діаметра 5,25 дюйма (133,35 мм). Сучасна техніка запису дозволяє зафіксувати на диску такого діаметра 420 тис. сторінок.

Збереження інформації на мікрофільмі. Основою мікрофільмування є принцип фотографії. Тривалий час для мікрофільмування використовувалася 35 або 16-мм рулонна фотоплівка. На відміну від звичайного мікрофільмування мікрофішування використовує запис фотографічним способом інформації на плоску фотографічну плівку стандартного розміру А6 105х148 мм. Зображення звичайної сторінки тексту А4 (296х210 мм) зменшується за допомогою оптики в 24 рази і фіксується на мікрофіші у вигляді невеликої комірки.

Усього на мікрофіші 105х148 мм розміщається 98 зменшених зображень звичайних сторінок тексту. Сучасні технології мікрофішування дозволяють розміщати на мікрофіші 208 або 270 зображень сторінок. Найбільш поширені кратності зменшення 21, 22 і 24.

Ідея мікрофільмів одержала широке поширення, тому що дозволяє здійснювати компактне безпаперове збереження будь-яких документів. Особливо широке мікрофільмування використовують патентні відомства, науково-технічні бібліотеки, урядові заклади і банки.

Мікросхеми оперативної пам’яті. Для оперативної пам’яті (RAM – Random Access Memory, пам’ять з довільним доступом) використовується два основних типи: статична (SRAM – Static RAM) і динамічна (DRAM – Dynamic RAM).

У статичній пам’яті елементи (комірки) побудовані на різних варіантах тригерів. Після запису біта в таку комірку вона може перебувати в цьому стані як завгодно довго (за наявності живлення). При зверненні до мікросхеми статичної пам’яті на неї подається повна адреса, що за допомогою внутрішнього дешифратора перетвориться в сигнали вибірки конкретних комірок. Комірки статичної пам’яті мають малий час спрацьовування (одиниці-десятки нс), однак мікросхеми на їхній основі мають низьку питому щільність даних (порядку одиниць Мбіт на корпус) і високе енергоспоживання. Тому статична пам’ять використовується в основному в якості буферної (кеш-пам’ять).

У динамічній пам’яті комірки побудовані на основі областей з нагромадженням зарядів, що займають набагато меншу площу, ніж тригери, і практично не споживаючі енергії при збереженні. При записі біта в таку комірку в ній формується електричний заряд, що зберігається протягом декількох млс; для постійного збереження заряду комірки необхідно регенерувати – перезаписувати вміст для відновлення зарядів. Комірки мікросхем динамічної пам’яті організовані у вигляді прямокутної (звичайно – квадратної) матриці. При зверненні до мікросхеми на її входи спочатку подається адреса рядка матриці з сигналом RAS (Row Address Strobe – строб адреси рядка), потім – адреса стовпця з сигналом CAS (Column Address Strobe – строб адреси стовпця). При кожному зверненні до комірки регенерують усі комірки обраного рядка, тому для повної регенерації матриці досить перебрати адреси рядків. Комірки динамічної пам’яті мають більший час спрацьовування (десятки-сотні нс), але велику питому щільність (порядку десятків Мбіт на корпус) і менше енергоспоживання. Динамічна пам’ять використовується в якості основної.

Звичайні види SRAM і DRAM називають також асинхронними: адресація, подача керуючих сигналів і читання/запис даних можуть виконуватися в довільні моменти часу (лише вимагається дотримання тимчасових співвідношень між цими сигналами). У ці тимчасові співвідношення для стабілізації сигналів включені так звані охоронні інтервали, що не дозволяють досягти теоретично можливої швидкодії пам’яті.

Існують синхронні види пам’яті, що одержують зовнішній синхросигнал, до імпульсів якого жорстко прив’язані моменти подачі адрес і обміну даними. Крім економії часу на охоронних інтервалах, вони дозволяють більш повно використовувати внутрішню конвеєризацію і блоковий доступ.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM – динамічна пам’ять зі швидким сторінковим доступом). Пам’ять зі сторінковим доступом відрізняється від звичайної динамічної пам’яті тим, що після вибору рядка матриці й супроводу RAS допускає багаторазову установку адреси стовпця, що визначається CAS, а також швидку регенерацію за схемою "CAS колись RAS". Перше дозволяє прискорити блокові передачі, коли весь блок даних або його частина знаходяться усередині одного рядка матриці, названого в цій системі сторінкою, а друге – знизити накладні витрати на регенерацію пам’яті.

EDO (Extended Data Out) – розширений час утримання даних на виході) фактично являють собою звичайні мікросхеми FPM, на виході яких установлені регістри – утримувачі даних. При сторінковому обміні такі мікросхеми працюють у режимі простого конвеєра: утримують на виходах даних вміст останньої обраної комірки, у той час як на їхні входи вже подається адреса наступної вибраної комірки. Це дозволяє приблизно на 15% у порівнянні з FPM прискорити процес зчитування послідовних масивів даних. При випадковій адресації така пам’ять нічим не відрізняється від звичайної.

BEDO (Burst EDO – EDO із блоковим доступом) – пам’ять на основі EDO, що працює не одиночними, а пакетними циклами читання/запису. Сучасні процесори, завдяки внутрішньому і зовнішньому кешуванню команд і даних, обмінюються з основною пам’яттю переважно блоками слів максимальної довжини. У випадку пам’яті BEDO відпадає необхідність постійної подачі послідовних адрес на входи мікросхем з дотриманням необхідних тимчасових затримок – достатньо стробувати перехід до чергового слова окремим сигналом.

SDRAM (Synchronous DRAM – синхронна динамічна пам’ять) – пам’ять із синхронним доступом, що працює швидше звичайної асинхронної (FPM/EDO/BEDO). Крім синхронного методу доступу, SDRAM використовує внутрішній поділ масиву пам’яті на два незалежних банки, що дозволяє сполучати вибірку з одного банку з установкою адреси в іншому банку. SDRAM також підтримує блоковий обмін.

PB SRAM (Pipelined Burst SRAM – статична пам’ять із блоковим конвеєрним доступом) – різновид синхронних SRAM із внутрішньою конвеєризацією, за рахунок якої приблизно вдвічі підвищується швидкість обміну блоками даних.

Мікросхеми пам’яті мають чотири основні характеристики – тип, обсяг, структуру і час доступу. Тип позначає статичну або динамічну пам’ять, обсяг показує загальну ємність мікросхеми, а структура – кількість комірок пам’яті і розрядність кожної комірки.

Мікросхеми пам’яті розрізняються корпусами і типами модулів.

DIP (Dual In line Package – корпус із двома рядами виводів) – класичні мікросхеми, що застосовувалися в блоках основної пам’яті XT і ранніх AT, а зараз – у блоках кеш-пам’яті.

SIP (Single In line Package – корпус з одним рядом виводів) – мікросхема з одним рядом виводів, встановлюється вертикально.

SIPP (Single In line Pinned Package – модуль з одним рядом дротових виводів) – модуль пам’яті, що вставляється в панель на зразок мікросхем DIP/SIP; застосовувався в ранніх AT.

SIMM (Single In line Memory Module – модуль пам’яті з одним рядом контактів) – модуль пам’яті, що встановлюється в роз’єми з замком; застосовується у всіх сучасних платах, а також у багатьох адаптерах, принтерах і інших пристроях. SIMM має контакти з двох сторін модуля, але усі вони з’єднані між собою.

DIMM (Dual In line Memory Module – модуль пам’яті з двома рядами контактів) – модуль пам’яті, схожий на SIMM, але з роздільними контактами (звичайно 2x84), за рахунок чого збільшується розрядність або число банків пам’яті в модулі. Застосовується в основному в комп’ютерах Apple і нових платах P5 і P6.

Hа SIMM у даний час установлюються переважно мікросхеми FPM/EDO/BEDO, а на DIMM – EDO/BEDO/SDRAM.

CELP (Card Egde Low Profile – карта з ножовим роз’ємом) – модуль зовнішньої кеш-пам’яті, зібраний на мікросхемах SRAM (асинхронний) або PB SRAM (синхронний). За зовнішнім виглядом схожий на 72-контактний SIMM, має обсяг 256 або 512 Кбайт. Інша назва – COAST (Cache On A STick – буквально "кеш на паличці").

Модулі динамічної пам’яті, крім пам’яті для даних, можуть мати додаткову пам’ять для збереження бітів парності (Parity) для байтів даних – такі SIMM іноді називають 9 і 36-pазpядними модулями (по одному біту парності на байт даних). Біти парності використовують для контролю правильності зчитування даних з модуля, дозволяючи знайти частину помилок (але не всі помилки). Модулі з парністю має сенс застосовувати лише там, де потрібна дуже висока надійність – для звичайних застосувань підходять і ретельно перевірені модулі без парності, за умови, що системна плата підтримує такі типи модулів.