9

Реферат

на тему:

“Пам'ять комп'ютера”

План:

1. Поняття пам`яті (принципи побудови мікросхем пам`яті, кеш пам`ять, логічна організація пам`яті, додаткова пам`ять)

2. Оперативна пам'ять комп'ютера

1. Поняття пам`яті (принципи побудови мікросхем пам`яті, кеш пам`ять, логічна організація пам`яті, додаткова пам`ять)

Всім комп'ютерам потрібна пам'ять декількох виглядів. Пам'ять вимагається на кожному кроці виконання програм. Пам'ять потрібна як для вхідних даних так і для зберігання результатів. Вона необхідна для взаємодії з периферією комп`ютера і навіть для підтримання образу, видимого на екрані. Вся пам'ять комп'ютера ділиться на внутрішню і зовнішню.

В комп'ютерних системах робота з пам'яттю ґрунтується на дуже простих концепціях. В принципі, всі, що вимагається від комп'ютерної пам'яті, це зберігати один байт інформації так, щоб потім він міг бути витягнутий звідти. В нинішній час широке розповсюдження отримали прилади динамічної пам'яті що базуються на можливості зберігати електричний заряд. Ці прилади називаються конденсаторами. З першого погляду конденсатор не задовольняє основній вимозі приладів пам'яті. Він не здатний зберігати заряд протягом тривалого проміжку часу, але він дозволяє робити це протягом кількох мілісекунд, що цілком достатньо, щоб використати це в електроніці. За цей час спеціальні ланцюги комп'ютера забезпечують підзарядку конденсатора, тобто поновлення інформації. Через безперервну природу цього процесу така пам'ять називається динамічною. В сучасних персональних комп'ютерах динамічна пам'ять реалізується на базі спеціальних ланцюгів провідників, що замінили звичайні конденсатори. Велика кількість таких ланцюгів об'єднуються в корпусі одного динамічного чіпа. Однак подібно пам'яті на конденсаторах, вона повинна постійно поновлюватись.

В той час, як динамічна пам'ять, отримавши заряд електрики утримує його, так звана статична пам'ять дозволяє потоку электронів циркулювати по ланцюгу. Напруга, що прикладається може змінити напрямок руху електронів. Причому існує тільки два напрямки руху потоків, що дозволяє використати дані ланцюга в якості елементів пам'яті. Статична пам'ять працює подібно до вимикача, що перемикає напрямок электронного потоку.

Окрім оперативної пам'яті існує ще і постійна пам'ять (ПЗУ). Її головна відмінність від ОЗУ - неможливість в процесі роботи змінити стан осередків ПЗУ. В свою чергу і ця пам'ять ділиться на постійну і репрограмовану. Принципи її функціонування зрозумілі з назви.

Еволюція мікросхем ОЗУ впритул зв'язана з еволюцією персональних комп'ютерів. Для успіху настольних комп'ютерів вимагалися мініатюрні чіпи ОЗУ. По мірі збільшення ємності пам'яті ціна зростала, але потім постійно зменшувалася по мірі відпрацювання технології і зростання об`ємів виробництва. Перші PC реалізувались на стандартних RAM чіпах по 16 Кбайт. Кожному біту відповідав свій власний адрес.

Десь біля року після появи XT з'явилося ОЗУ З більшими можливостями і більш ефективне з точки зору його ціни. Хоча нові мікросхеми могли вміщувати по 64 Кбайт, вони були дешевшими ніж 4 по 16 Кбайт. Системна плата PC була створена з урахуванням використання нових мікросхем пам'яті. Через декілька років 64 Кбайтні чіпи настільки широко розповсюдилися, що стали дешевшими за 16 Кбайтні.

До 1984 року був зроблений ще один крок по збільшенню об`єму пам'яті в одному корпусі. З'явилися 256 Кбайтні мікросхеми. RAM чіпи цього номіналу були встановлені на перших AT. А сьогодні мікросхеми в 1, 4, 8, 16, 32 Мбайт стали звичайним явищем.

PC мав досить просту архітектуру пам'яті, принаймі, якщо на неї дивитися з висоти останніх досягнень комп'ютерної індустрії. Пам'ять PC була представлена одним блоком, в якому кожний байт був доступний по вказівнику його адреси. Мікросхеми пам'яті були розбиті на 9 банків, що використовували в ранніх PC 16 кбайтні, а після цього і 64 кбайтні мікросхеми. Вісім мікросхем виділяли по одному біту для організації кожного байта пам'яті, дев'ята мікросхема використовувалася в якості контрольного біту парності.

Коли мікропроцессор 80286 стали використати в AT і їхніх аналогах, виникла проблема з організацією архітектури пам'яті. Звичайні мікросхеми пам'яті не могли працювати в такому швидкому темпі, в якому працював мікропроцессор. Тому довелося використати статус очікування. В тому випадку, коли процесор вимагав інформацію з пам'яті, йому доводилось зависати на один - два такти, що давало можливість пам'яті обробити запит.

Звичайно програма використовує пам'ять обмеженої області. Зберігаючи потрібну інформацію в кэш пам'яті, робота з якої дозволяє процесору обходитися без всяких циклів очікування. Не всяка кэш пам'ять рівнозначна. Велике значення має той факт, як багато інформації може містити кэш пам'ять. Чим більша кэш пам'ять, тим більше інформації може бути в ній розміщено, а отже, тим більше імовірність, що потрібний байт буде міститися в цій швидкій пам'яті. Очевидно, що найкращий варіант це коли об`єм кэш пам'яті відповідає об`му всієї оперативної пам'яті. В цьому випадку вся інша пам'ять стає непотрібною. Вкрай протилежна ситуація, коли є 1 байт кэш пам'яті, теж не має практичного змісту, бо імовірність того, що потрібна інформація виявиться в цьому байті, прямує до нуля. Практично, діапазон кэш пам'яті, що використається, коливається в межах 16 - 64 Кб.

Ще один різновид архітектури оперативної пам'яті комп'ютера це її розбивка на окремі секції і робота з цими секціями, як з малою кэш пам'яттю. Більша швидкість доступу до обмежених областей пам'яті є особливістю деяких специфічних мікросхем, що дозволяють деякому обсягу пам'яті, бути використаному без циклу очікування. Цей підхід вимагає спеціальних RAM мікросхем, що ділять свої адреси по сторінках. Ця технологія отримала назву режиму посторінкового доступу. Ці спеціальні мікросхеми забезпечують дуже швидкий доступ в одному з двох напрямків. Якщо вимагається читання або запис інформації, що зберігається на певній сторінці пам'яті, і попередня команда по роботі з пам'яттю використала інформацію з даної сторінки, циклу очікування не вимагається. Однак при переході з однієї сторінки на іншу цикли очікування неминучі.

Наступна цікава технологія, названа interleavеd memory, дуже схожа на ОЗУ посторінкового режиму. Вона суттєво підвищує швидкість звернення до пам'яті, і не має обмежень по сторінковій розбивці. При використанні цієї технології вся оперативна пам'ять розбивається на два або більше число банків. Послідовність бітів зберігається в різних банках, тому мікропроцесор звертається то до одного то до іншого банку при читанні цієї послідовності. Під час звернення до одного банку, інший реалізує цикл поновлення, і тому процесору не потрібно чекати. І тільки, якщо мікропроцесору потрібно читати несуміжні біти, статус очікування неминучий, але імовірність його появи зменшується.

Найбільш типова реалізація цієї технології представляется розбивкою оперативної пам'яті на два банки. Як наслідок, імовірність виникнення очікування 50%. Чотирьохбанкова організація зменшує цю імовірність до 25%. Оскільки дана технологія не вимагає застосування спеціальних мікросхем пам'яті, вона є найбільш зручною для підвищення швидкості системи. Крім того, вона може суміщатися з ОЗУ сторінкового режиму, що ще оперативність.

Фундаментальні рішення були прийняті при розробці перших PC. Для того, щоб мікропроцесор 8088 міг користуватися пам`яттю, вона повинна бути адресована. І цей мікропроцесор повинен володіти можливістю адресуватися до 1М. Конструктори IBM вирішили виділити спеціальні області пам'яті для специфічної мети. Вони поділили всю пам'ять на розділи, і кожний розділ призначили для реалізації певних функцій. Результуюча діаграма була названа картою пам'яті. При розробці PC половина всієї пам'яті була зарезервована. Верхня половина адресного простору була виділена для кодів BIOS і для прямого процесорного доступу до пам'яті, що використовується відеосистемою. Перші декілька Кбайт були зарезервовані під інформацію про систему і розташування конкретних секцій кодів, що виконувались на час виникнення переривань програмного забезпечення. Ці осередки пам'яті називаються векторами преривання, а функція програмного коду - механізмом переривания. В кінці адресного простору розташовувався буфер номіналом 16 байт. Тут зберігаються 16 останніх символів введених з клавіатури. Цей буфер потрібний для зберігання набраного тексту під час, коли процесор зайнятий іншою задачею. Після того, як він звільниться, текст буде оброблений. Крім того, різноманітні системні прапорці, що вказують на внутрішній стан системи, також зберігаються в нижньому розділі пам'яті.

В ті дні, коли більшість комп'ютерів мали 60 Кб пам`яті, 512 Кб здавалися царською щедрістю. Тому 128 Кб були віддані під юрисдикцію програмного забезпечення, інші 384 Кб від початку адресного простору, призначались для використання програмами BIOS і відео пам'яттю. Ці рішення виділяли 640 Кб для DOS. Це був максимум, адресованого простору, яким міг оперувати 8088 при виконанні програм. З часом ці 640 Кб були названі базовой пам'яттю, тому що це є основним стандартом, на якому повинні базуватися всі IBM сумісні системи.

Пам'ять, що виходить за межі 1 Мб адресованого простору 8088, що може стати доступною в захищеному режимі Intel 80286 і 80386, звичайно називається додатковою, хоча IBM інколи називає цю пам'ять розширеною (expanded). Але більшість авторів використає термін (extеnded). Аж до 15 Мб додаткової пам'яті може бути встановлено в комп'ютери на 80286 мікропроцесорі, і до 4 Гб - з 80386. Найбільш істотною відмінністю базової і додаткової пам'яті є те, що програми, працюючі в реальному режимі, не можуть виконуватися в додатковій пам`яті. А оскільки DOS написаний для реального режиму, йому доводиться обходитися тільки базовою пам'яттю.

Але сказати, що додаткова пам'ять зайва в реальному режимі не можна. Програми не знають, як звертатися до додаткових осередків пам'яті. Але додаткова пам'ять може бути використана для зберігання інформації. А отже, просто потрібно розробити програмне забезпечення, щоб використати можливості додаткової пам'яті. І такі DOS програми існують. Прекрасний приклад цьому імітатор логічного диску VDISK, що підтримується DOS, починаючи з версії 3.0. Хоча програмні коди VDISK виконуються в звичайній пам'яті DOS в реальному режимі, додаткова пам'ять може використовуватися для зберігання даних. Оскільки Windows функціонує в захищеному режимі, їй доступні всі ресурси додаткової пам'яті. Однак варто нагадати, що, коли Windows використовує підпрограми DOS, їй потрібно обходитись обмеженням пам'яті реального режиму в 640 Кб.

2. Оперативна пам'ять комп'ютера

Оперативна пам'ять є одним з найважливіших елементів комп'ютера. Саме з її процесор бере програми і вихідні дані для обробки, у неї він записує отримані результати. Назва “оперативна” ця пам'ять одержала тому, що вона працює дуже швидко, так що процесору практично не приходиться чекати при читанні даних з чи пам'яті запису в пам'ять. Однак дані, що містяться в ній, зберігаються тільки поки комп'ютер включений. При вимиканні комп'ютера вміст оперативної пам'яті стирається. Часто для оперативної пам'яті використовують позначення RAM (Random Access Memory, тобто пам'ять з довільним доступом) .

Важко недооцінити все значення і усю важливість цих невеликих по своїх розмірах плат. Сьогоднішні програми стають усе вимогливіше не тільки до кількості, але і до швидкодії ОЗУ. Однак донедавна ця область комп'ютерної індустрії практично не розвивалася (у порівнянні з іншими напрямками). Узяти хоча б відео, аудіопідсистеми, продуктивність процесорів і. т.д. Удосконалення були, але вони не відповідали темпам розвитку інших компонентів і стосувалися лише таких параметрів, як час вибірки, був доданий кеш безпосередньо на модуль пам'яті, конвеєрне виконання запиту, змінений керуючий сигнал висновку даних, але технологія виробництва залишалася колишньої, що вичерпала свій ресурс. Пам'ять ставала вузьким місцем комп'ютера, а, як відомо, швидкодія всієї системи визначається швидкодією самого повільного її елемента. І от кілька років назад хвиля технологічного бума докотилася і до оперативної пам'яті. Стали з'являтися нові типи RAM мікросхем і модулів. Зустрічаються такі поняття, як FPM RAM, EDO RAM, DRAM, VRAM, WRAM, SGRAM, MDRAM, SDRAM, SDRAM II (DDR SDRAM) , ESDRAM, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM, Direct Rambus. Більшість з цих технологій використовуються лише на графічних платах, і у виробництві системної пам'яті комп'ютера використовуються лише деякі з них.

У пам'яті комп'ютера зберігаються програми й оброблювана інформація.

Основними характеристиками різних типів і пристроїв пам'яті є їхні обсяг і швидкодія.

Внутрішня пам'ять -- це електронні схеми. Внутрішня пам'ять дискретна -- це означає, що вона складається з певних «часток» -- комірок. Комірка пам'яті називається біт. Один біт -- це двійковий розряд пам'яті. Він зберігає двійковий код (0 або 1). Слово «біт» -- скорочення від англійського binary digit -- двійкова цифра. Отже, пам'ять комп'ютера -- це впорядкована послідовність двійкових розрядів (біт). Ця послідовність поділяється на групи по 8 розрядів; кожна така група утворює байт пам'яті.

Отже, слова «біт» і «байт» позначають назви основних одиниць виміру ємності запам'ятовувальних пристроїв. Також використовуються похідні одиниці: кілобайт (1 Кбайт (Кб) = 210 байта = 1024 байта), мегабайт:

(1 Мбайт (Мб) - 1024 Кбайт). гігабайт: (1 Гбайт (Гб) - 1024 Мбайт).

Внутрішня пам'ять складається з оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП), або оперативної пам'яті (ОП), і постійного запам'ятовуючого пристрою (ПЗП).

ОЗП -- швидка напівпровідникова енергозалежна пам'ять. В ОЗП зберігаються програма, що виконується в даний момент, і дані, з якими вона безпосередньо працює. ОЗП -- це пам'ять, яку використовують як для читання, так і для запису інформації. У разі відключення електроживлення інформація в ОЗП зникає (енергозалежність). Англійська назва ОЗП -- Random Access Memory (RAM), що перекладається як «пам'ять із довільним доступом». Цією назвою підкреслюється той факт, що процесор може звертатися до комірок пам'яті в довільному порядку, при цьому час читання/запису інформації для всіх комірок є однаковим (він вимірюється мікросекундами).

ПЗП -- швидка, енергонезалежна пам'ять. ПЗП -- це пам'ять, призначена тільки для читання. Інформація заноситься в неї один раз (зазвичай у заводських умовах) і зберігається постійно (за ввімкненого й вимкненого комп'ютера). У ПЗП зберігається інформація, наявність якої постійно необхідна в комп'ютері.

Зовнішня пам'ять комп'ютера призначена для довгострокового зберігання інформації в компактній формі. До пристроїв зовнішньої пам'яті належать гнучкі й жорсткі магнітні диски, оптичні, магнітооптичні диски тощо. Суттєве значення мають такі їхні показники, як інформаційна ємність, час доступу до інформації, надійність її зберігання, час безвідмовної роботи.

В основу запису, зберігання і зчитування інформації на пристроях зовнішньої пам'яті покладено два принципи -- магнітний і оптичний, які забезпечують зберігання інформації і після вимикання комп'ютера.

В основі магнітного запису лежить цифрова інформація (у вигляді нулів і одиниць), перетворена на змінний електричний струм, що супроводжується змінним магнітним полем. Намагнічена ділянка відповідає 1, а ненамагнічена -- 0.

Оперативний запам'ятовуючий пристрій є, мабуть, одним з найперших побудов обчислювальної машини. Оперативна пам'ять була присутня вже в першому поколінні ЕОМ по архітектурі, створених у сорокових -- на початку п'ятидесятих років двадцятого століття. За ці п'ятдесят років перемінилося не одне покоління елементної бази, на яких була побудована пам'ять.

ЕОМ першого покоління по елементній базі були вкрай ненадійними. Так, середнє брешемо роботи до відмовлення для ЕОМ “ENIAC” складала 30 хвилин. Швидкість рахунка при цьому була не порівнянна зі швидкістю рахунка сучасних комп'ютерів. Тому вимоги до збереження даних у пам'яті комп'ютера при відмовленні ЕОМ були суворіше, ніж вимоги до швидкодії оперативної пам'яті. Унаслідок цього в цих ЕОМ використовувалася енергонезалежна пам'ять.

Енергонезалежна пам'ять дозволяла зберігати введені в неї дані тривалий час (до одного місяця) при відключенні харчування. Найчастіше як енергонезалежну пам'ять використовувалися ферритові сердечники. Вони являють собою тор, виготовлених зі спеціальних матеріалів -- ферритів. Ферріти характеризуються тим, що петля гістерезиса залежності їхньої намагніченості від зовнішню магнітну підлогу носить практично прямокутний характер.

Унаслідок цього намагніченість цього сердечника міняється стрибками (положення двоїчного 0 чи 1).

Пам'ять на ферритових сердечниках працювала повільно і неефективно: адже на перемагнічування сердечника був потрібно час і затрачалося багато електричної енергії. Тому з поліпшенням надійності елементної бази ЕОМ енергонезалежна пам'ять стала витіснятися енергозалежною -- більш швидкою, ощадливої і дешевий. Проте, учені різних країн як і раніше ведуть роботи з пошуку швидкої енергозалежної пам'яті, що могла б працювати в ЕОМ для критично важливих додатків, насамперед військових.

На відміну від пам'яті на ферритових сердечниках напівпровідникова пам'ять енергозависимая. Це значить, що при вимиканні харчування її вміст губиться.

Перевагами ж напівпровідникової пам'яті перед її замінниками є:

- мала потужність, що розсіюється;

- висока швидкодія;

- компактність.

Ці переваги набагато перекривають недоліки напівпровідникової пам'яті, що роблять її незамінної в ОЗУ сучасних комп'ютерів.

Напівпровідникова оперативна пам'ять у даний час поділяється на статичне ОЗУ (SRAM) і динамічне ОЗУ (DRAM). Перш, ніж пояснювати різницю між ними, розглянемо еволюцію напівпровідникової пам'яті за останні сорок років.

Тригером називають елемент на транзисторах, що може знаходитися в одному з двох стійких станів (0 і 1), а по зовнішньому сигналі він здатний змінювати стан. Таким чином, тригер може служити коміркою пам'яті, що зберігає один біт інформації. Любою тригер можна створити з трьох основних логічних елементів: И, ЧИ, НЕ. Тому усе, що відноситься до елементної бази логіки, відноситься і до тригерів. Сама ж пам'ять, заснована на тригерах, називається статичної (SRAM).

РТЛ -- резистивно-транзисторна логіка. Історично є першої базою логіки, що працює на ЕОМ другого покоління. Володіє великою потужністю, що розсіює, (понад 100 мвт на логічний елемент). Не застосовувалася вже в ЕОМ третього покоління.

ТТЛ, чи Т2Л --транзисторно-транзисторна логіка. Реалізована на біполярних транзисторах. Використовувалася в інтегральних схемах малого і середнього ступеня інтеграції. Має час затримки сигналу в логічному елементі 10-- нс, а споживана потужність на елемент --10 мвт.

Ттл-шотки --це модифікація ТТЛ із використанням діода Щотки. Має менший час затримки (3 нс) і високою потужністю, що розсіюється, (20 мвт).

ІІЛ, чи І2Л --інтегральна інжекторна логіка. Це різновид ТТЛ, базовим елементом якої є не біполярні транзистори одного роду (pnp чи npn), а горизонтально розташованого p+n+p транзистора і вертикально розташованого npn транзистора. Це дозволяє створити високу щільність елементів на БІСА і СБИС. При цьому споживана потужність дорівнює 50 мквт на елемент і час затримки сигналу --10 нс.

ЕСЛ --логічні елементи з еміттерними зв'язками. Ця логіка також побудована на біполярних транзисторах. Час затримки в них --0,5 --2 нс, споживана потужність --25 --50 мвт.

Елементи на МДП (МОП) --транзисторах. Це схеми, у яких біполярні транзистори замінені на польові. Час затримки таких елементів складає від 1 до 10 нс, споживана потужність --від 0,1 до 1,0 мвт.

CMOS) КМОП --логіка (комплементарна логіка.) У цій логіці використовуються симетрично включені n-моп і p-моп транзистори. Споживано потужність у статичному режимі --50 мквт, затримка --10 --50 нс.

Як видно з цього огляду, логіка на біполярних транзисторах найшвидша, але одночасно найдорожча і має високу потужність розсіювання (і значить --краще “гріється”.) За інших рівних умов логіка на польових транзисторах більш повільна, але володіє меншим електроспоживанням і меншою вартістю.

Для того, щоб здешевити оперативну пам'ять, у 90-х роках XX століття замість дорогого статичного ОЗУ на тригерах стали використовувати динамічне ОЗУ (DRAM). Принцип пристрою DRAM наступний: система метал-діелектрик-напівпровідник здатні працювати як конденсатор. Як відомо, конденсатор здатний якийсь час “тримати” на собі електричний заряд. Позначивши “заряджене” стан як 1 і “незаряджене” як 0, ми одержимо комірку пам'яті ємністю 1 біт. Оскільки заряд на конденсаторі розсіюється через деякий проміжок часу (який залежить від якості матеріалу і технології його виготовлення), те його необхідно періодично “підзаряджати” (регенерувати), зчитуючи і знову записуючи в нього дані. Через цього і виникло поняття “динамічна” для цього виду пам'яті.

За 10 років, що пройшли з часу створення перших мікросхем DRAM, їхній розвиток йшло “семимильними" кроками в порівнянні з SRAM. Еволюція DRAM розглядається в наступному підрозділі.

Динамічне ОЗУ з часу своєї появи пройшло кілька стадій росту, і процес її удосконалювання не зупиняється. За свою десятилітню історію DRAM змінювала свій вид кілька разів. Спочатку мікросхеми динамічного ОЗУ вироблялися в DIP-корпусах. Потім їх перемінили модулі, що складаються з декількох мікросхем: SIPP, SIMM і, нарешті, DIMM і RIMM.