Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Системная память: ОЗУ, ПЗУ, кэш. Внешняя память: винчестер, стример, накопители на гибких магнитных дисках, накопители на компакт-дисках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

«Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Системная память: ОЗУ, ПЗУ, кэш. Внешняя память: винчестер, стример, накопители на гибких магнитных дисках, накопители на компакт-дисках»

Классификация и принцип работы запоминающих устройств. Основные характеристики запоминающих устройств

С древнейших времен человечество не только добывало знания, но и пыталось не потерять их, то есть обеспечить эффективное хранение накапливаемой информации. С момента зарождения письменности было перепробовано множество носителей информации от камня до воска, от тесьмы и до шкур животных. Изобретение в средние века дешевого и долговечного носителя информации (бумага) и, что очень важно, дешевого и эффективного способа записи на носитель (книгопечатание) вызвало настоящий информационный бум. Но что хорошо для человека - не подходит компьютеру. И с изобретением первой ЭВМ человеку пришлось искать новые, совершенно отличные от традиционных способы хранения информации. В этом цикле статей я попытаюсь сделать обзор различных методов и технологий хранения информации, применявшихся с момента появления первых компьютеров и до нашего времени. Что такое память Систему называют запоминающим устройством (ЗУ), если она обладает способностью воспринимать и сохранять информацию, а затем при определенных условиях частично или полностью адекватно воспроизводить ее, обеспечивая достаточно длинный временной интервал между моментами прихода и использования информации. Простейшая модель, обладающая свойством памяти, состоит из запоминающих элементов (ячеек памяти), связанных с каналом ввода/вывода информации. Поскольку в вычислительной технике информация представлена в двоичном коде, то запоминающее устройство должно содержать набор элементов, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях. Каждый такой элемент называется ячейкой памяти и имеет собственный уникальный адрес.

Основные характеристики ЗУ Важнейшими характеристиками ЗУ являются информационная емкость и быстродействие.

Информационная емкость ЗУ определяется количеством единиц информации, которое может храниться в нем. Как правило, информационной емкостью называется только полезный объем хранимой информации, в нее не включается размер памяти, занятый служебной информацией, например резервные области, синхродорожки, инженерные цилиндры и пр. Минимальной единицей информации является бит или же кратные ей единицы: килобит (1 кб=1024 бита), мегабит (1Мб=1024кб), гигабит (1Гб=1024Мб). Но чаще пользуются единицей байт (1Байт=8бит), или же кратными ей единицами: килобайт (1 кБ=1024 Байта), мегабайт(1МБ=1024КБ), гигабайт (1ГБ=1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты. В сокращенных наименованиях единиц, дабы не спутать, например килобайты и килобиты, мы будем использовать следующее соглашение: если подразумевается бит, то используются строчные буквы (б, кб, Мб, Гб), соответственно байты будем обозначать прописными - Б, кБ, МБ, ГБ.

Быстродействие ЗУ характеризуется его временными характеристиками, к которым относятся: Время обращения (время цикла) характеризуем максимальную частоту обращения к данному ЗУ при считывании или записи информации. Время считывания (выборки) информации - интервал времени обращения к ЗУ от подачи сигнала считывания и до получения выходного сигнала.

Время записи информации - интервал времени от момента подачи сигнала обращения к ЗУ до момента готовности ЗУ к приему следующей порции информации. Важными характеристиками ЗУ являются также надежность, масса устройства, габариты, потребляемая мощность и стоимость.

Классификация ЗУ Запоминающие устройства можно классифицировать всевозможными способами, например по назначению, адресации, характеру хранения информации, физическим принципам работы, технологии изготовления и т.д. По назначению ЗУ разделяют на кратковременные и долговременные. ЗУ предназначенные для кратковременного хранения информации называются оперативным запоминающим устройством (ОЗУ или RAM). Как уже ясно из названия, они применяются для хранения часто меняющейся информации. При отключении питания информация, хранящаяся в таком ЗУ, теряется. Долговременные, или, как их еще называют, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM), предназначены для длительного хранения информации. Информация, записанная в таком ЗУ при отключении питания, сохраняется достаточно длительное время и может быть по мере надобности использована. ПЗУ делятся на собственно ПЗУ и ППЗУ. В ПЗУ информация может быть записана один раз, а ППЗУ допускают многократную запись/стирание информации. Интересна возможность использования ППЗУ в качестве ОЗУ.

До последнего времени тому было два серьезных препятствия: низкая скорость записи информации в ППЗУ (на порядки меньшая, чем в ОЗУ) и высокая стоимость устройств ППЗУ. С развитием технологий себестоимость устройств ППЗУ постоянно снижается, а скорость работы возрастает. Возможно, скоро мы увидим компьютеры, работающие на со всех других принципах; по крайней мере информация о новых видах памяти, призванных заменить собой все существующие, время от времени появляется. - Прим. автора Чаще всего ПЗУ и ППЗУ используются для хранения внешних данных - отсюда еще их одно собирательное название - ВЗУ (внешние запоминающие устройства) По методу адресации запоминающие устройства делятся в основном на устройства с последовательной и произвольной выборкой (доступом). Последовательная и произвольная адресация - далеко не единственно возможные методы доступа к информации.

Например, можно упомянуть так называемые ЗУ с ассоциативной выборкой, но они достаточно экзотичны, поэтому мы на них останавливаться не будем. В ЗУ с последовательным доступом для нахождения ячейки памяти с записанной информацией необходимо последовательно просмотреть все ячейки от начала массива памяти и до нужного нам адреса. Время доступа к произвольной ячейке памяти, таким образом, напрямую зависит от адреса ячейки.

Можно было бы предположить, что в ЗУ с произвольным доступом время обращения одинаково для всех ячеек, но это верно далеко не всегда. Если для ОЗУ время обращения к любой ячейке памяти практически одинаково, то в случае жесткого диска (HDD) время доступа к какому-либо сектору складывается из времени подвода считывающей головки к нужной дорожке (seek time), ожидания подхода нужного сектора и времени на саму операцию чтения или записи.

Кроме того, все ЗУ можно также разделить на ЗУ, где носитель информации объединен с устройством чтения/записи (например, жесткие диски) и на ЗУ со съемными носителями. Примером последних являются флоппи-диски. И, наконец, ЗУ делятся на физические, магнитные, оптические, полупроводниковые устройства. Опять-таки, это не полный перечень типов памяти, но устройства, использующие другие принципы хранения информации, пока еще (или уже) не получили «прописки» в массовой компьютерной технике.

В этой части статьи объектами нашего пристального внимания станут ископаемые образчики запоминающих устройств - ЗУ с последовательным доступом. Большая часть из них уже повымерла, но отдельные экземпляры… простите, технологии дожили до наших дней и не просто дожили, а еще и бурно эволюционируют. Живыми займемся во второй части статьи, а сейчас прогуляемся по эдакому компьютерному паноптикуму, куда несомненно попали почившие древние образцы ЗУ с последовательным доступом. Основными представителями древних устройств последовательного доступа являются накопители на перфокартах, на перфолентах, и магнитных картах (НМК). Эти типы устройств появились на заре компьютерного века и повсеместно использовались в ЭВМ того времени. До тех пор, пока не были разработаны дешевые и эффективные ЗУ с произвольным доступом, устройства последовательного доступа использовались для ввода и обработки оперативной информации.

Накопители на перфокартах и перфолентах. Первым носителем информации в электронно-вычислительных машинах стала все та же старая добрая бумага. Для ввода данных в память первых ЭВМ использовались перфоленты и перфокарты, применявшиеся в разнообразных программируемых устройствах с начала XIX-века (например, в ткацких станках - прим. авт.) Перфоленты представляли собой длинные бумажные ленты, а перфокарты - кусочки картона определенного размера. И на те и на другие информация наносилась путем пробивания в определенном порядке отверстий и считывания информации механическим или оптическим методом. Все ЭВМ, начиная с самых первых (ABC, Z-серия Цузе, Марк I, ЭНИАК) и до сравнительно недавнего времени (у меня лично дома хранятся перфокарты датированные 1982-м годом) использовали этот принцип ввода/вывода/хранения информации. На перфокарте стандартно помещалось 80 символов. Скорость считывания с перфокарты зависела от конкретной реализации устройства считывания и колебалась в пределах от 20-50 перфокарт/мин в первых ЭВМ и до 2000 в более новых машинах, таких как ЭВМ ЕС-серии (конец 70-х годов). Такое быстродействие достигалось использованием нескольких ридеров (устройств чтения) перфокарт параллельно. Запись информации («пробивка дырок») производилась со скоростью 10-250 перфокарт в минуту. Для складирования перфокарт требовались огромные хранилища. Для сравнения: стопка перфокарт размером с обычный жесткий диск форм-фактора 3.5” содержала бы всего около 8КБ информации. А если бы нам потребовалось сохранить 80ГБ информации (обычная на сегодняшний день емкость жесткого диска), то перфокарты заняли бы объем около 5000м3, что соответствует помещению размером 30м x 60м и высотой 3 метра. И это еще без учета неплотного прилегания карт друг к другу! Что и говорить, видео с такого носителя не посмотришь. И стопка карт получится высотой в 2 километра, и подавать их в устройство чтения умаешься (смайл). Что до перфоленты, то информационная емкость зависела от длины рулона и составляла обычно 10-100КБ. Скорость считывания составляла до 1500 строк в секунду, скорость записи до 200. И перфоленты и перфокарты относятся к ЗУ последовательного доступа со сменным носителем физического типа. Стоит отметить, что использование подобных ЗУ требовало обязательного участия оператора, информация записывалась один раз, а надежность носителя оставляла желать много лучшего.

С течением времени увеличивались требования к быстродействию, емкости и удобству работы с ЗУ. Перфокарты и перфоленты даже с учетом постоянного совершенствования устройств чтения/записи уже не могли удовлетворить растущие запросы пользователей ЭВМ. Главным препятствием становилась изначально присущая им одноразовость носителя информации. Появление новых, более эффективных принципов хранения информации стало началом конца эры физических носителей, к которым в компьютерной терминологии относятся перфокарты и перфоленты. Действительно, одна пробитая неправильно дырка - и перфоноситель можно было смело отправлять в утиль, хотя я слышал страшные истории от программистов со стажем, как они вручную пробивали и заклеивали отверстия на перфокартах, исправляя мелкие ошибки в программах - Прим. автора.

Накопители, использующие принципы магнитной записи. В середине XX века был предложен новый метод хранения информации в ЭВМ, основанный на магнитной записи. Суть его вкратце состоит в том, что рабочая поверхность носителя изготавливается из специального материала - ферромагнетика. Если воздействовать на него внешним магнитным полем, то после прекращения воздействия проявляется остаточная намагниченность вещества. Ее-то и регистрируют затем считывающие устройства. Чтение/запись информации производятся специальной магнитной головкой, перемещающейся относительно магнитного носителя. Устройства, реализующие этот принцип, начали появляться с 1951 года. Некоторые из них дожили и до нашего времени - стримеры, жесткие диски, флоппи-драйвы, ZIP-драйвы. В этой же части обзора мы рассмотрим только ставшие историей накопители на магнитных картах.

Накопители на магнитных картах (НМК). Накопители на магнитных картах (НМК) по конструкции весьма напоминают накопители на перфокартах. Сама же магнитная карта представляет собой прямоугольный отрезок носителя с магнитным покрытием. Карты помещаются в специальное хранилище - магазин. При обращении к ЗУ специальное устройство осуществляет выбор или подачу из магазина заданной карты. Информация на магнитную карту может быть записана неоднократно, то есть НМК относится к ППЗУ.

Стандартная информационная емкость магнитной карты - 1КБ. Считывание/стирание/запись информации производится с помощью магнитных головок и существенно выше, чем при работе с перфокартами (см. табл. 1). В отличие от перфокарт и перфолент, магнитные карты хоть уже и не применяются в современных компьютерах, но используются в других областях, например в качестве кредитных или идентификационных карточек. Носителем информации в них является магнитная полоса. Правда сейчас они активно вытесняются смарт-картами и RFID-картами и в ближайшее время тоже канут в прошлое. Накопители на магнитной карте не были мейнстримом, они использовались в ограниченном числе моделей машин, гораздо большее распространение получили их «родственники» - накопители на магнитной ленте или стримеры, но о них в следующей части.

компьютерный винчестер память перфокарта

Таблица 1. Сравнение параметров устаревших видов ЗУ с последовательным доступом

Системная память: ОЗУ, ПЗУ, кеш. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory -- память с произвольным доступом) -- это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой -- это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем ОЗУ обычно составляет от 32 Мбайт и более, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 64 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM -- динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле. Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Важная характеристика модулей памяти -- время доступа к данным, которое обычно составляет 60 - 80 наносекунд.

Кэш-память. Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память -- очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство -- контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером от 128 Кбайт, а кэш второго уровня от 512 Кбайт и выше.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory -- память только для чтения) -- энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) -- энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти -- модуль BIOS.

Размещено на Allbest.ru