Технологии хранения информации

Запоминающие устройства, или память компьютера делятся на три группы:

• Оперативная память, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ - RAM);
• Постоянная память, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ - ROM);
• Внешняя память, внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) (винчестеры, дискеты, компакт-диски, накопители на магнитной ленте, магнитооптические диски и т.п.).

Данные и программы обычно хранятся на жестком диске. Программы, которые запускается на выполнение или документы, к которому обращается выполняемая программа, загружаются в оперативную память, поскольку время обращения процессора к оперативной памяти значительно меньше чем к внешнему запоминающему устройству.

В постоянном запоминающем устройстве хранятся служебные данные и программы, необходимые для запуска компьютера сразу же после включения питания.

Оперативная память

Оперативная память или RAM (Random Access Memory - память с произвольным доступом) предназначена для хранения информации, с которой работает процессор в данный момент времени.

ОЗУ представляет собой микросхемы, которые установлены на небольшой плате, которая вставляется в специальный разъём на материнской плате компьютера. Данные в ОЗУ сохраняются до тех пор, пока к компьютеру подключено питание, и уничтожаются сразу же после его отключения.

Конструкция ОЗУ

Внутреннюю конструкцию ОЗУ можно представить как прямоугольную матрицу ячеек, в каждой из которых может храниться 1 бит информации. Другими словами, в каждую ячейку можно записать 1 или 0. Обмен данными между процессором и ОЗУ осуществляется по специальной шине (информационной магистрали). Операцию такого обмена называют циклом шины.

Количество бит данных, которые передает или принимает процессор за один цикл шины, называют шириною шины. ОЗУ выпускают в виде плат расширения, или модулей, которые вставляются в предназначенные для них розъёмы на материнской плате.

Существуют модули конструкций

• SIMM (Single in-Line Memory Modules - платы с однорядным расположением микросхем памяти - устаревшие, почти не используется),
• DIMM (Dual In-Line Memory Modules - первоначально платы с расположением микросхем в один и два ряда),
• RIMM - (Rambus In-line Memory Module).

Типы микросхем ОЗУ

Оперативная память используется в самых разных устройствах персонального компьютера - от видеокарты до лазерного принтера. Микросхемы оперативной памяти в этом случае могут принадлежать к разным модификациям, но все они относятся к типу динамической оперативной памяти (DRAM).

Микросхемы буферной или кэш-памяти, которые установлены в жестких дисках, дисководах CD-ROM и т.д., кэш первого и второго уровней, установленные на процессорах - это более быстрая (и более дорогая) статическая память (SRAM). Ёмкость этой памяти сравнительно небольшая - сотни килобайт против десятков и сотен мегабайт в DRAM, но скорость её роботы в десятки раз выше.

Ячейка статической памяти (SRAM - Static RAM) представляет собой электронное устройство, которое называется триггером и может находится в одном из двух устойчивых состояний: логического нуля и логической единицы. Состояние триггера сохраняется до тех пор, пока не исчезнет электропитание или на вход устройства не поступит сигнал, который переведет его в другое состояние.

Состояние ячейки динамической памяти (DRAM - Dynamic RAM) поддерживается зарядом конденсатора. Пока сохраняется заряд - в ячейке содержится единица, когда заряда нет - в ячейке содержится логический ноль.

Поскольку заряд на конденсаторе сохраняется недолго (приблизительно несколько миллисекунд), устройство периодически перезаряжается путём считывания и перезаписи содержимого ячеек. Ячейки динамической памяти образуют матрицу, которая называется банком.

Оперативная память выпускается в виде микросхем, которые собраны в специальные модули памяти. Несколько лет назад были распространены 72-контактные модули типа SIMM, которые необходимо было устанавливать в компьютер только парами (каждый модуль представлял собой половину стандартного "банка" памяти). В

1998 на рынке появились 168-контактные модули DIMM, которые можно было устанавливать по одному. При этом каждый модуль DIMM может содержать от 1 до 512 Мбайт оперативной памяти, но на практике сегодня пользуются модулями двух типов - 128 и 256 Мбайт.

Объем оперативной памяти, составляющий 128 Мбайт - это минимум для современных компьютеров, которые работают под Windows 98, 2000, Ме, ХР, а 256 Мб и выше - оптимальная величина. На большинстве материнских плат сегодня установлено 3 разъёма для подключения модулей оперативной памяти.

Модули в эти разъемы можно вставлять разного объёма - например, 2 по 64 Мбайт и один - 128 Мбайт. Но желательно, чтобы модули при этом имели одну и ту же скорость доступа (например, 7 нс) и были выпущены одним и тем же производителем .

Типы оперативной памяти

SDRAM. Synchronous DRAM - синхронизирована с системным таймером, который управляется центральным процессором. Время доступа к данным составляет у SDRAM от 6 до 9 нс, а пропускная способность - от 256 до 1000 Мбайт/с. Важным параметром модулей SDRAM является максимальная рабочая частота шины.

Существуют три основные модификации оперативной памяти: 9-нс модули, которые соответствуют спецификации РС66, могут работать на частоте системной шины до 83 МГц, при этом базовой частотой является 66 МГц. Память этого типа сегодня является устаревшей.

В конце 2000 г. сошли с арены и модули с маркой PC100 (время доступа в 8 нс), которые работают на частоте системной шины до 110-120 МГц (при базовой - 100 МГц). Модули третьего типа PC133 (7 нс) - поддерживают рабочую частоту шины до 150 МГц (при базовой - 133 МГц).

DDR SDRAM. Double Data Rate DRAM - память с удвоенной скоростью передачи данных - следующее поколение SDRAM. DDR SDRAM основана на тех самых принципах, что и SDRAM, но включает некоторые усовершенствования, которые позволяют еще увеличить быстродействие.

Использованный механизм передачи данных по обоим фронтам синхронизированного сигнала дает двукратное ускорение передачи данных относительно SDRAM. При сравнении с обыкновенной SDRAM, благодаря особенностям своей архитектуры DDR SDRAM работает вдвое быстрее - ее пропускная способность достигает 3,2 Гбайт, а время доступа составляет 5-6 нс.

Частота шины DDR SDRAM ~ 600-700 МГц. Поэтому даже на стандартных частотах в 100 и 133 МГц производительность ее вдвое выше. В маркировку моделей памяти вынесено не частоту системной шины, как в SDRAM, а пропускную способность (Мбайт/с).

Память с маркировкой PC 1600, 2100, 2700 и 3200 работает на рабочих частотах шины для этих модулей - 100, 133, 166 и 200МГц соответственно.

DRDRAM. Память типа Direct Rambus DRAM (RDRAM) разработана компанией Rambus Inc. Имеет многофункциональный протокол обмена данными между микросхемами, который позволяет передачу данных по упрощенной шине, работающей на высокой частоте. RDRAM - интегрированная на системном уровне технология.

Рабочие характеристики памяти выглядят впечатляющими - DRDRAM поддерживает рабочую частоту шины для модулей РС800 800 МГц, для модулей РС4200 до 1066 МГц, время доступа к памяти 4 нс и скорость передачи данных до 6 Гбайт/с. (и 840, и 820 - самые первые чипсэты корпорации Intel).

Модули DRDRAM стоят в несколько раз больше SDRAM и DDR SDRAM. Но именно на работу с ней рассчитаны материнские платы для процессоров Intel Pentium 4 (и850, и850Е и др.).

Кэш-память

Скорость доступа к оперативной памяти меньше скорости работы процессора. Поэтому для повышения производительности компьютера была создана кэш-память (cash memory), которая играет роль буфера между процессором и оперативной памятью.

Существует два уровня кэша центрального процессора: кэш-память первого уровня (называется L1) и кэш-память второго уровня (называется L2). Кэш-память второго уровня в ранних моделях процессоров (Pentium, Pentium II, Pentium III (Katmai)) иногда была расположена на материнской плате и представляла собой отдельную микросхему.

Процессор сначала обращается к кэшу L₁, потом - к L₂, и только после этого - к оперативной памяти. В современных процессорах (Pentium III, Celeron (Coppermine, Tualatin), Pentium IV, Athlon (Thunderbird), Athlon XP (Palomino, Thoroughbred), Duron) кэш-память второго уровня встроена в процессор.

За счет этого скорость обращения микропроцессора к кэш-памяти второго уровня намного выше, чем к оперативной памяти.

Виртуальная память

Иногда объема ОЗУ оказывается недостаточно для программы, которая запускается на выполнение. В MS DOS такие программы просто не будут работать. В некоторых операционных системах, например, Windows, эту проблему решили путем создания так называемой виртуальной памяти.

Виртуальной памятью, или файлом подкачки, называется область на жестком диске, которая используется как дополнительное оперативное запоминающее устройство. Время обращения к такой памяти больше, чем к обычному ОЗУ, но благодаря ее наличию, есть возможность запустить программы, которые в другом случае не работали бы вообще.

Для организации виртуальной памяти по умолчанию используется диск С:. Максимальный размер файла подкачки равняется объему свободного места на нем. Поэтому необходимо оставлять всегда свободными 200-500 Мбайт.

Постоянная память

Данные, которые записаны в постоянное запоминающее устройство, или ROM (Read Only Memory - память только для чтения), нельзя стереть или переписать в обычных условиях. При отключении электропитания они сохраняются на протяжении любого промежутка времени.

Конструкция постоянной памяти

ПЗУ реализованные в виде микросхем, которые установлены на материнской плате компьютера. Запись информации в ПЗУ осуществляется один раз - на предприятии-производителе. По способу записи данных микросхемы ПЗУ делятся на две категории:

1. Масочные ПЗУ (которые записываются один раз на этапе производства микросхемы);
2. Программируемые ПЗУ:

• однократно программируемые ППЗУ (Programmable ROM)
• перепрограммируемые ППЗУ (EPROM - Erasable PROM) - которые стираются электрическим способом (EEPROM - Electrically Erasable PROM).

Содержимое последних можно изменять, если подать на выводы микросхемы специальный электрический заряд.

FLASH- память

Изобретателем FLASH - памяти считается корпорация Intel (1988 г.), а название произошло от метода стирания - вся микросхема сразу. Теперь чипы не имеют этого недостатка и стирание происходит побайтово или постранично.

Благодаря дальнейшему развитию EEPROM появилась FLASH - память (flash memory), но не в направлении технического усовершенствования, а в направлении уменьшения стоимости. Первый чип на основе флэш-технологий емкостью 256 Кб был использован в медицинской аппаратуре Hewlett-Packard. В 90-х годах она приобрела большую популярность. Сначала были анонсированы Solid-State Floppy Disk Card (SSFDC) (Toshiba), потом, в 1994 г. - Compact Flash (SanDisk), в 1998 г. - Memory Stick (Sony).

Современные образцы имеют емкость от 32- 1024 Мб, могут вырабатываться под разные напряжения питания и проводить больше 1 млн. циклов записи/чтения. Кроме того, производители гарантируют сохранение информации минимум 10 лет. FLASH- память объединяет преимущества ПЗУ и ОЗУ.

Подобно ОЗУ, FLASH - память допускает перезапись данных, которые хранятся в ней, но в отличие от ОЗУ, сохраняет их при отключении электропитания. Модули FLASH-памяти изготовляются на основе технологии EEPROM, время чтения и записи имеет такую же величину, как и аналогичные параметры динамической оперативной памяти.

Еще одна преимущество FLASH- памяти - это то, что она потребляет электроэнергию лишь в момент чтения/записи.

Популярные карты 2000 г.:

1. Smart Media Card (SMС) - анонсирована в 1998 г., размер 45x37мм2. Совместима с фотокамерами и устройствами производителей Epson, Agfa, Minolta, Olympus, Ricoh, Sanyo, Fuji Fhoto film, Toshiba.
2. MultiMedia Card (MMC) - самые маленькие по размеру (24х32 мм2).
3. Secure Digital card (SDС) представляет собой дальнейшее развитие карты ММС. Технология используется в семействе карманных ПК Palm, Toshiba Pocket PC.
4. Compact Flash (CF) используется для цифровых фотоаппаратов, МР3 плееров, КПК и т.д.
5. Memory Stick (МS) сначала использовалась только для цифровых фотоаппаратов, МР3 плееров, КПК фирмы Sony. На сегодня круг производителей расширяется.