3.4 Устройства памяти

Память МС или запоминающие устройства (ЗУ) — это совокупность технических средств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифровых кодов.

Память предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации — кодов команд, данных и адресов. Информация в памяти хранится в двоичных кодах. Элементарная ячейка памяти – бит – может принимать значение «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в пространстве системы. Стандартным размером ячейки памяти обычно является байт.

Основными характеристиками систем памяти являются:

- емкость — максимально возможное количество байтов хранимой информации.

Так как эта емкость может быть очень велика, то обычно используют более крупные единицы, образованные присоединением приставок К (кило), М (мега) или Г (гига). При этом надо учитывать, что в двоичной системе приставки К, М и Г соответственно равны 2¹⁰ =1024, 2²⁰ = 1 048 676 и 2³⁰ = 1 073 741 824;

- быстродействие — характеризуется временем цикла обращения к памяти;

- способность сохранения информации при отключении питания (энергонезависимость).

Обычно для памяти характерно правило — устройства, обладающие большим объемом памяти, обладают меньшим быстродействием и наоборот. Внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченным объемом памяти и наименьшим быстродействием.

Классификация запоминающих устройств:

1) Память делят на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память — электронная (полупроводниковая) — стационарная (не носимая); внешняя память — память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями: магнитная (дисковая), полупроводниковая (флэш-память), оптическая.

2) По функциональному назначению различают сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), оперативные ЗУ (ОЗУ), постоянные ЗУ (ПЗУ), стековые ЗУ.

- СОЗУ (КЭШ – память) — встроено в микропроцессор или находится в непосредственной близости возле него и предназначено для хранения команд, операндов и результатов промежуточных вычислений. Обладает наибольшим быстродействием и самой малой емкостью.

- ОЗУ (оперативная память) предназначено для хранения оперативной (переменной) информации, требующейся в процессе обработки. ОЗУ не сохраняет информацию при отключении питания.

- ПЗУ — энергонезависимый тип памяти. Обладает невысоким быстродействием и неограниченной емкостью.

- Стековые ЗУ — способ организации памяти для временного хранения данных, работающей по принципу «первый вошел - последний вышел». Стек организуется в обычной памяти данных. Для этого применяется регистр - указатель стека (SP), в котором записан адрес, называемый вершина стека. При записи в стек нового слова содержимое указателя слова увеличивается на 1, при считывании уменьшается на 1. Преимущество такого построения в том, что процессор должен «помнить» только один адрес – записанный в вершине стека.

Адресация ячеек памяти

Для обращения к ячейкам памяти, каждая из них имеет адрес. Количество адресов определяет адресуемое пространство процессора — объем памяти, к которому может обратиться процессор (осуществить операции записи и считывания).

Представим пространство памяти в виде двухмерного массива (рисунок 3.4). Для адресации ячейки указывается номер строки и номер столбца, например, 0110. Активируется строка 01 и столбец 10, что делает ячейку, затемненную на рисунке 3.4, доступную для чтения или записи.

Адрес передаётся по шине адреса. От количества разрядов шины адреса зависит то, какое количество ячеек памяти может адресовать процессор. При шестнадцатиразрядной шине данных процессор может обратиться к 2¹⁶ (65536) ячейкам памяти, т.е. объем адресуемого пространства процессора составляет 64 кбайта.

Рисунок 3.4 — Пример адресации ячейки памяти

Flash-память является основным видом памяти, т.к. сочетает в себе достоинства полупроводниковой памяти и энергонезависимость. Флэш-памятью оснащают носимые устройства: мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и фотоаппараты, карманные компьютеры и т. п. Начато её использование для изготовления полупроводниковых винчестеров.

Хранение данных на магнитных дисках

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основан на способах хранения информации с использованием свойств магнитных материалов. Магнитные запоминающие устройства состоят из устройства чтения/записи информации и магнитного носителя, на который осуществляется запись и с которого считывается информация. Кроме того, присутствует контроллер управления.

Принцип работы заключается в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывании информации, закодированной как области переменной намагниченности.

Магнитные диски бывают двух типов — гибкие (Floppy Disk) и жёсткие (Hard Disk).

Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают на дорожки, а дорожки, в свою очередь, разбивают на секторы. Разбие­ние диска на дорожки и секторы называется форматированием диска. Самая первая дорожка магнитного диска (нулевая) считается служебной - там хранится служебная информация. Например, на этой дорожке хранится так называемая таблица размещения файлов (FAT-таблица). В этой таблице компьютер запоминает адреса записанных файлов.

Магнитные диски постепенно вытесняются полупроводниковой памятью, т.к. имеют относительно большие габариты и ненадежные механические системы.

Оптические диски

CD (компакт-диск) и DVD (Digital Versatile Disc) изготавливаются из полимеров и покрыты металлической пленкой, обычно сплавом на основе алюминия. Информацию хранит металлическая пленка, которую дополнительно покрывают слоем прозрачного полимера, который защищает данные от механического повреждения. Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Устройства, осуществляющие запись и считывание на лазерные диски называют DVD-привод.