Память оперативная
Содержание
Память — это одно из основных устройств ЭВМ, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу информации, необходимой для решения задачи на ЭВМ. В памяти хранятся не только данные решаемых задач, но и программы их обработки.
Память бывает внешняя и внутренняя. Термин этот имеет историческое происхождение: та память, которая в старых ЭВМ находилась внутри центрального процессорного шкафа, получила вполне естественное название внутренней, а память, сконструированная в виде отдельных устройств, стала называться внешней. По мере развития технологий производства размеры всех электронных устройств уменьшились настолько, что большинство из них удалось разместить внутри единого корпуса (системного блока), тем не менее указанные названия памяти сохранились до наших дней. При этом стало отчетливо видно, что две эти составляющие памяти на самом деле должны выделяться не столько по конструктивной “близости” к процессору, сколько по особенностям функционирования: критерием является механизм обмена данными с тем или иным запоминающим устройством. Таким образом, очень важный вывод состоит в том, что доступ процессора к информации во внутренней и внешней памяти реализуется принципиально по-разному.
В выпускаемых сейчас компьютерах внутренняя память — это электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или модулях ее расширения, а внешняя — память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации (магнитная, оптическая и магнитооптическая, а также флэш-память). Устройства внешней памяти часто монтируются внутри системного блока, например, жесткий диск или накопитель на оптических дисках.
В данной статье рассматривается только внутренняя память, для знакомства с внешней обратитесь к статье “Память внешняя” Главным компонентом внутренней памяти является ОЗУ, но попутно будут рассмотрены и некоторые другие виды внутренней памяти.
Основная часть внутренней памяти представляет собой запоминающее устройство, в котором информацию можно без каких-либо ограничений считывать и записывать. Такой вид памяти принято называть оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; соответствующий английский термин, который часто встречается в технической литературе, — RAM, т.е. Random Access Memory — память с произвольным доступом). В ОЗУ хранятся оперативные данные и программы (быть может, фрагменты программ) их обработки.
Технологическая основа ОЗУ может быть различной. Первые ЭВМ имели память на ртутных линиях задержки или электронно-лучевых трубках, затем использовались запоминающие элементы на магнитных сердечниках. В настоящее время память изготовляется на полупроводниковой основе, т.е. производится теми же методами, что и микропроцессоры.
Современное ОЗУ обладает следующими характерными особенностями. Во-первых, возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти (сравните с магнитной лентой, где информация может считываться только последовательно). Во-вторых, высокая скорость работы ОЗУ, приближающаяся к быстродействию микропроцессора. И, наконец, необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы.
Другим важным видом внутренней памяти компьютера является также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; английское название — ROM, т.е. Read Only Memory — память только для чтения). Его содержимое можно только читать: исполняемая программа пользователя не может изменить записанную там информацию, поэтому она всегда неизменна и постоянно доступна компьютеру.
Техника формирования содержимого ПЗУ еще более разнообразна, чем ОЗУ. Самые последние разработки позволяют производить обновление информации чисто электрическим путем, причем даже не вынимая микросхему из платы (в момент выполнения процедуры перепрограммирования компьютер в традиционном понимании неработоспособен!), ПЗУ такого рода реализуется на базе флэш-памяти (flash memory).
ПЗУ играет в современных компьютерах очень важную роль. Прежде всего каждый компьютер содержит ПЗУ с программой начальной загрузки (см. “Загрузка ПО”). В этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому ее часто называют BIOS — Basic Input/Output System (данные программы можно сравнить с врожденными безусловными рефлексами у живого существа; роль приобретенных рефлексов играют загруженные в компьютер программы).
Будучи разновидностью внутренней памяти, ПЗУ адресуется теми же способами, что и ОЗУ, — оба запоминающих устройства имеют общее адресное пространство. Запись и чтение информации в обоих случаях основываются на принципе адресации, входящем в перечень базовых принципов устройства компьютера (см. “Базовые принципы устройства”).
Еще одна разновидность памяти, получившая в последнее время повсеместное распространение, — так называемая кэш-память. Кэш является вспомогательным видом памяти, и объяснение его сущности носит технический характер. Кэш “невидим” для пользователя, а данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программного обеспечения.
Современные полупроводниковые микросхемы ОЗУ бывают двух видов — статические и динамические. Оба вида запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость, сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ решается в пользу динамической памяти.
Мы видим, что существует некоторое противоречие между быстродействующей, но дорогой статической памятью и худшей по характеристикам, но более дешевой, динамической. Разумным компромиссом для построения экономичных и производительных систем является использование промежуточной кэш-памяти. Она представляет собой “быструю” статическую память небольшого объема, которая служит для ускорения доступа к полному объему “медленной” динамической памяти. Основная идея работы кэш-памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы копируются в кэш; одновременно в специальном каталоге адресов запоминается, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ — их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Контроллер обеспечивает и своевременную запись измененных данных из кэш обратно в основное ОЗУ.
В современных компьютерах кэш-память обычно реализуется по двухуровневой схеме. При этом первичный кэш встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный устанавливается на системной плате.
Говоря об устройстве ОЗУ, нельзя обойти вниманием его внутреннюю организацию. Наиболее просто была устроена память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, каждая из которых считывалась или записывалась как единое целое. Любая ячейка имела свой номер (адрес); очевидно, что адреса соседних ячеек были последовательными целыми числами. В первых ЭВМ использовались данные только одного типа — числа, причем их длина из соображений простоты, как правило, выбиралась равной длине машинной команды. Ячейка типичной ЭВМ того времени состояла из 30–40 двоичных разрядов.
В ЭВМ третьего и четвертого поколений идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичным разрядам, т.е. 1 байту. Введение байтовой структуры памяти сделало возможным обрабатывать несколько типов данных разной длины, например, символы текста — 1 байт, целые числа — 2 байта, вещественные числа обычной или двойной точности — 4 и 8 байт соответственно. Важно подчеркнуть, что минимальный объем адресуемой информации в ОЗУ составляет 1 байт. Зато для более крупных данных современный процессор способен извлечь из ОЗУ 4–8 байт одновременно.
Принцип адресации данных применительно к ОЗУ с байтовой организацией выглядит так: каждый байт имеет свой номер, а положение многобайтовой информации задается адресом первого байта и их количеством.
Максимальное количество единовременно адресуемых байт — адресное пространство — зависит от количества двоичных разрядов шины адреса (см. “Процессор”) и в настоящее время измеряется гигабайтами.
Порядок сохранения многобайтовых числовых или мультимедийных данных может быть разным. Распространенные у нас компьютеры с Intel-совместимыми процессорами сохраняют байты в память, начиная с младшего; аналогичный способ был принят также в машинах PDP-11 и VAX. Существовали и до сих пор существуют компьютеры с противоположным порядком хранения байт, например, IBM 370, Motorola 68000 (семейство компьютеров Apple), Sun Sparc и многие RISC-процессоры. А вот система PowerPC “понимает” сразу оба формата данных.
Методические рекомендации
Курс информатики основной школы
Одна из трудностей в преподавании темы “Память компьютера” заключается в том, что количество разновидностей памяти в компьютере весьма велико. По нашему мнению, важно начиная с базового курса четко разъяснять ученикам назначение и основные особенности каждого вида памяти, прежде всего способы доступа к данным. Авторы надеются, что материалы данной статьи помогут учителям в достижении этой методической цели.
Целесообразно также постоянно подчеркивать связь между изучаемыми видами памяти и фундаментальным принципом ее иерархии (см. “Базовые принципы устройства”). В частности, это обязательно надо делать при рассказе о кэш-памяти, а также описывая взаимодействие ОЗУ и внешней памяти.
Курс информатики в старших классах
В старших классах можно расширить знания учащихся по данной теме путем более детального изложения сведений о байтовой структуре памяти и размерности хранимых в ОЗУ данных. Это даст возможность лучше усвоить понятие типов данных, причем не только в разделе “Программирование”, но и при обсуждении принципов работы пользовательского ПО. В частности, об объеме данных важно говорить при планировании структур баз данных, при выборе количества цветов графических изображений и формата хранения текста.
