Общие сведения о запоминающих устройствах

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа.

Термин «запоминающее устройство» обычно используется, когда речь идет о принципе построения некоторого устройства памяти (например, полупроводниковое ЗУ, ЗУ на жестком диске и т.п.), а термин «память» - когда хотят подчеркнуть выполняемую устройством памяти логическую функцию или место расположения в составе оборудования ЭВМ (например, оперативная память – ОП, внешняя память и т.п.). В тех случаях, когда эти отличия не имеют принципиального значения, термины «память» и «запоминающие устройства» используют как синонимы.

Запоминающие устройства играют важную роль в общей структуре ЭВМ. По некоторым оценкам производительность компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.

К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся емкость и быстродействие.

Емкость памяти – это максимальное количество данных, которое в ней может храниться.

Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически все ЗУ в качестве минимально адресуемого элемента используют 1 байт (1 байт=8 двоичных разрядов (бит)). Потому емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=2¹⁰ байт), мегабайтах (1 Мбайт=2²⁰ байт), гигабайтах (1Гбайт=2³⁰байт) и т.д.

За одно обращение к ЗУ производится считывание или запись некоторой единицы данных, называемой словом, различной для устройств разного типа. Это определяет разную организацию памяти.

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной информации, и на ее запись:

t_обр=max(t_{обр сч},t_{обр зп}),

где t_{обр сч} – быстродействие ЗУ при считывании информации; t_{обр зп} – быстродействие ЗУ при записи.

Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и признаков. Так, на рис.5 представлена классификация по типу обращения и организации доступа к ячейкам ЗУ.

Рис.5. Классификация запоминающих устройств по типу обращения

и организации доступа к ячейкам ЗУ

По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записанных в них данных (ROM – read only memory). ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.

В ЗУ с произвольным доступом (RAM – random access memory) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).

В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск – МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.

В ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты – МЛ).

Другая классификация ЗУ – по иерархическому принципу (рис.6). Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.

		Внутренняя кэш-память
		Регистровая память

Рис.6. Иерархическая организация памяти в современных ПК

На нижнем уровне иерархии находится регистровая память – набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцессора. Регистровая память имеет относительно небольшой объем. Регистровая память работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально. Например, при частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.

Оперативная память служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем оперативной памяти ПК достигает нескольких сотен мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной шины. При частоте работы системной шины 100 МГц время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

В промежутке между регистровой и оперативной памятью по объему и времени обращения имеется кэш-память, которая организована как более быстродействующая статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэш-память).

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает сотен гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.