Как хранится память в компьютере. Компьютерная память — Гипермаркет знаний

И снова всем, привет! Сегодня речь пойдет об оперативной памяти. Что такое оперативная память? Для чего она нужна? Как это работает? Какие виды оперативной памяти есть? На какие характеристики стоит обращать внимание при ее выборе? На эти вопросы вы найдете ответы ниже в этой статье. И давайте начнем по порядку.

Что такое оперативная память?

Оперативная память - она же RAM (Random Access Memory), ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), память, оперативка - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Физически модуль оперативной памяти воплощен в виде таких вот планок, которые вставляются в специальный разъем на материнской плате.

Вот, впринципе, на первые два вопроса я и ответил. Хотя нет, с этого определения обычному человеку мало что понятно. Но мы сейчас все подробно разберем. Итак.
В компьютере есть несколько видов памяти: энергоНЕзависимая и энергозависимая или временная.
Энергонезависимая память представляет из себя любое устройство памяти, которое может хранить данные независимо от того подается на него питание или нет. В компьютере таковым является жесткий диск. Вы можете сохранить на нем файл, отключить компьютер от сети и когда в следующий раз вы включите его снова, все останется на месте.
Энергозависимая память - это компьютерная память, которой для хранения информации нужно постоянное питание. Таковой в компьютере и является оперативная память. Что означает то, что если от нее отключить электропитание (выключить компьютер), вся хранящаяся в ней информация исчезнет. То бишь каждый раз, когда вы включаете компьютер, его оперативная память пуста.
Думаю это понятно. Следующая часть определения отвечает на следующий наш вопрос.

Для чего нужна оперативная память?

Справедливым будет вопрос: зачем в компьютере кроме жесткого диска, на котором данные сохраняются независимо от того подается на него питание или нет, нужна еще дополнительная, столь ненадежная вещь как оперативная память?
Дело в том, что в сравнении со скоростью работы центрального процессора, скорость чтения и записи на жесткий диск очень маленькая. И если бы процессор напрямую работал с ним, то производительность компьютера была бы очень низкой.
Оперативная память же, по сравнению с жестким диском работает намного быстрее. Если не учитывать различные кэши, то ОЗУ будет самым быстрым элементом в устройстве компьютера, после центрального процессора.
Таким образом, оперативная память нужна для увеличения производительности компьютера, за счет того, что дает возможность последнему быстрее получать необходимые данные.

Как это все работает?

Когда вы запускаете компьютер, все необходимые данные: ядро операционной системы, драйвера, различные службы и программы автозапуска, загружаются из жесткого диска в оперативную память и уже от туда ЦП их берет на обработку. Результаты своей работы процессор также возвращает в оперативную память а не на жесткий диск. Каждая программа, каждое открытое вами окно любой программы на компьютере находится в оперативной памяти. С ней центральный процессор и работает. И только тогда, когда вы сохраняете какие то результаты своей работы, они записываются на жесткий диск.
Чтобы вы лучше понимали, рассмотрим простой пример создания текстового документа в Word.
Когда вы нажимаете на ярлык запуска программы, все файлы необходимые для ее работы загружаются в оперативную память и уже после этого появляется окно редактора на мониторе компьютера. Когда вы начинаете писать текст он тоже находится в оперативной памяти, просто так на жестком диске вы его не найдете. Для того, чтобы результат вашей работы сохранился на нем, его надо сохранить, нажав одноименную кнопку в Word. У всех хотя бы раз было такое, что вы пишите, пишите какой-нибудь текст и внезапно закрыли программу или компьютер выключился, а после включения его снова, ваш текст исчез. Именно потому, что оперативная память обнулилась, а вы не разу не удосужились сохранить свое творчество.
Думаю теперь вы уже понимаете что такое оперативная память, зачем она нужна и как это работает. Теперь давайте перейдем к более практичным вещам. А именно - рассмотрим виды оперативной памяти и основные ее характеристики.

Виды (типы) оперативной памяти

В наше время оперативная память может быть двух типов: статической (SRAM) и динамической (DRAM). Статические ОЗУ по сравнению с динамическими являются более быстрыми из-за своей технологии производства, но в то же время и более дорогими. Такой тип зачастую используется в качестве кэш-памяти процессора. Для массового производства модулей оперативной памяти используют технологию DRAM. И существует несколько типов такой памяти. Те, которые сейчас можно встретить:

DDR SDRAM - синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) первого поколения;
- DDR2 SDRAM - второе поколение DDR SDRAM;
- DDR3 SDRAM - третье поколение DDR SDRAM;
- DDR4 SDRAM - четвертое поколение DDR SDRAM;

Как можно догадаться, DDR SDRAM - это самый старый тип оперативной памяти, который сейчас встретить очень трудно. DDR4 - самый новый. На сегодняшний день самым распространенным является DDR3. Различаются эти типы памяти между собой производительностью и внешним видом.
Для того, чтобы ненароком нельзя было вставить планку с одним типом оперативной памяти в разъем, предназначенный для другого типа, на планке есть специальный ключ (пропил), а в разъеме на материнской платы в том же месте выступ. И у каждого вида памяти он разный.
Кроме того, с помощью этого ключа вы не сможете вставить модуль ОЗУ наоборот.

Основные характеристики оперативной памяти

1. Тип оперативной памяти. Вы должны знать какой тип оперативной памяти поддерживает ваша материнская: DDR, DDR2, DDR3 или DDR4. И уже от этого отталкиваться дальше.
2. Объем ОЗУ. Здесь нужно отталкиваться от ваших потребностей. Как я писал выше - в оперативную память будут помещаться все запущенные программы. Соответственно чем больше будет у вас на компьютере оперативной памяти, тем больше программ вы сможете одновременно использовать. Но все же сделаю для вас небольшую подсказку. Для простого домашнего или офисного компьютера будет достаточно 2 Гб. Для домашнего мультимедийного можно устанавливать от 4 Гб памяти. Если у вас игровой компьютер или вы часто пользуетесь «тяжелыми» профессиональными программами можно установить от 8 и больше Гб оперативной памяти.
3. Тактовая частота. Чем больше, тем лучше. Но здесь также нужно смотреть чтобы эту частоту поддерживали материнская плата и процессор. Иначе, если частота ОЗУ будет больше, чем поддерживаемая материнкой, ОЗУ будет работать на пониженных частотах что для вас будет означать переплату за ненужную производительность.
4. Тайминги. Это задержка между обращением к памяти и до момента выдачи ею нужных данных. Соответственно, чем меньше будут задержки, тем быстрее ОЗУ будет работать.

Введение

Компьютерная память является одним из наиболее главных вопросов устройства компьютера, так как является важнейшей частью его устройства, а именно, компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейшей функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации.

Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями.

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители).

Также компьютерная память классифицируется по различным признакам.

В данной работе рассмотрим понятия компьютерной памяти, ее виды и классификации в теоретическом и практическом контекстах.


Память персонального компьютера. Основные понятия

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) – часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных в течение определенного времени. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1. Устойчивые состояния, определяемые направлением намагниченности, позволяют использовать для хранения данных разнообразные магнитные материалы. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе также может быть положено в основу системы хранения.

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейших функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями.

Система хранения информации в современном цифровом компьютере основана на двоичной системе счисления. Числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие формы данных представляются в виде последовательностей битовых строк или бинарных чисел, каждое из которых состоит из значений 0 и 1. Это позволяет компьютеру легко манипулировать ими при условии достаточной емкости системы хранения. Например, для хранения небольшого рассказа достаточно иметь устройство памяти общим объемом всего лишь около 8 миллионов бит (примерно 1 Мегабайт).

К настоящему времени создано множество разнообразных устройств, предназначенных для хранения данных, многие из которых основаны на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, каждое содержит те или иные недостатки. Поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

Наиболее знакомы средства машинного хранения данных, используемые в персональных компьютерах: - это модули оперативной памяти, жесткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD или DVD диски, а также устройства флэш-памяти.

Виды памяти персонального компьютера

Компьютерная память бывает двух видов: внутренняя и внешняя. Внутренняя память состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16–64 бит (2–8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1, 2 или 4 байт соответственно).

Существуют два основных класса внутренней памяти : оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10–20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. В оперативной памяти во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение - это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение - это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Центральный процессор компьютера связан с оперативной памятью. Основная оперативная память компонента полезна для хранения данных и программ, которые запускаются в центральном процессоре. В современных компьютерах оперативная память, как твердотельная память, присоединена к центральному процессору, и она использует шину памяти. Шину памяти также называют адресной шиной. В дополнение к оперативной памяти существует также кэш-память , которая содержит маленькие части памяти для их использования центральным процессором. Цель состоит в том, чтобы уменьшить время выборки, и, таким образом, ускорить работу центрального процессора. Кэш-память увеличивает производительность центрального процессора, воздействуя тем самым на работу компьютера. Вообще, оперативная память - это самая важная часть компьютерной памяти. Оперативная память сделана из интегрированных полупроводниковых микросхем.

Разумеется, чем большей оперативной памятью обладает персональный компьютер, тем больше его возможности для размещения и использования в своей работе программ и данных. Для увеличения объема оперативной памяти используются дополнительная память (ExpandedMemory) на дополнительных платах, а также расширенная память (ExtendedMemory), которая обычно размещается прямо на материнской плате. При работе с дополнительной памятью процессор обращается к данным так, словно они расположены в обычной оперативной памяти объемом до 1 Мбайта, но при этом происходит переадресация в дополнительную память на дополнительной плате, которая может иметь емкость несколько мегабайт. Для работы с расширенной памятью процессор должен переходить из реального режима в защищенный (protectedmode).

ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ обладают, так сказать, полупостоянной памятью, то есть они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее внутренней, она используется, главным образом, для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, «командный пункт» компьютера обычно передает нужное содержимое части внешней памяти во внутреннюю. Внутренняя память ограничена по объему, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации.

К внешней памяти относятся различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски. Внешняя память дешевле внутренней, но ее недостаток в том, что она работает медленнее устройств внутренней памяти.

Магнитные ленты в качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудио- и видеомагнитофонным кассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяются непрерывно. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель.

Гибкий магнитный диск - это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которого нанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт или оболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода. Подобно магнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных, поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено.

Жесткий диск подобен гибкому, но сделан из прочных и жестких материалов. Он может вращаться быстрее и вмещает больше информации. Типичный дисковод жесткого диска для персонального компьютера почти не отличается размерами от дисковода гибкого диска, но емкость современного жесткого диска достигает 25–50 Гб, то есть в тысячи раз больше, чем у гибкого. Кроме того, жесткие диски гораздо быстрее связываются со своим компьютером, чем дискеты. Поиск, который длится до нескольких секунд на дискете, занимает на жестком диске лишь сотые доли секунды. Жесткий диск в большинстве компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения.

Что такое память? Существует насколько вариантов ответа, в зависимости от того, что конкретно имеет ввиду спрашивающий. Память персонального компьютера подразделяется на несколько категорий по структуре и предназначению.

Классификация

В первую очередь выделяют внешнюю и внутреннюю память. Внешняя память необходима для долговременного хранения информации. Именно поэтому она является энергонезависимой, однако для её считывания вам потребуются накопители памяти.

Внутренняя память предназначена для промежуточного хранения информации при обработке активных процессов в персональном компьютере.

Внутренняя память подразделяется на два типа:

  1. Постоянная.
  2. Оперативная.

Внешняя память имеет классификацию исключительно по типам доступа:

  1. Последовательный.
  2. Прямой.

Характеристики

Чтобы лучше понять, что такое память компьютера, введём определённые характеристики, которые расширят наше представление о ней. О какой бы памяти не шла речь, будь то внутренняя или внешняя, они обе имеют две главные характеристики, на которые стоит обращать внимание при покупке.

  1. Объём памяти. Название параметра говорит само за себя. Это то количество информации и данных, которые могут поместиться в конкретную память компьютера, будь то кэш процессора или внешний жесткий диск. Единственная разница в том, что для внутренней памяти эта характеристика определяет еще и общее быстродействие компьютера в целом.
  2. Быстродействие. Этот параметр определяет, насколько быстро может быть прочитана или записана информация на определённый носитель или внутреннюю память персонального компьютера.

Как видите, несмотря на различия между внутренней и внешней памятью, у них есть много общего.

Внутренняя память

Понимание строения внутренней памяти ПК позволит нам лучше понять, что такое память в целом. Можно выделить следующие типы внутренней памяти персонального компьютера.

  • ПЗУ, или постоянное запоминающее устройство. Однако обычно его называют просто БИОС. Базовая система ввода-вывода. ПЗУ содержит в себе основные настройки персонального компьютера, необходимые для его работоспособности и запуска. Первые версии ПЗУ были действительно "постоянными" и не могли быть перезаписаны. Однако с развитием компьютерных технологий возникла необходимость перепрограммирования ПЗУ в условиях эксплуатации, что и было в конце концов реализовано.
  • Следующий тип также отвечает на вопрос: "Что такое память ОЗУ на компьютере?" Оперативное запоминающее устройство служит для хранения данных программ, в настоящее время выполняемых на вашем персональном компьютере. Также в ней содержатся данные промежуточных вычислений. Этот тип памяти неотрывно связан с другим вопросом: "Что такое память RAM?" Random access memory - другое название оперативной памяти. Она получила такое название из-за того, что центральный процессор может получить доступ к каждой ячейке памяти в любой момент времени.
  • КЭШ-память имеет небольшой объём и служит для хранения наиболее часто используемых процессором данных. Она намного меньше оперативной памяти, но и намного быстрее.
  • Видеопамять служит для хранения графической информации, приготовленной к выводу на экран.

Внешняя память

Чтобы понять, что такое память, в обязательно порядке необходимо рассмотреть и внешнюю память персонального компьютера. Она делится на два основных типа, связанных друг с другом. Носители информации - это устройства, на которых хранится информация или данные. Накопители - это технические устройства, предназначенные для работы с носителями, то есть для записи или чтения данных на них.

Наиболее популярные носители информации в наши дни:

  • жесткие диски;
  • энергонезависимая флэшпамять;
  • оптические диски (одноразовые и перезаписываемые):
  1. BlueRay.

Все они различаются по объёму, надёжности, стоимости и быстродействию. Давайте рассмотрим эти характеристики поподробнее, чтобы лучше разобраться, что такое память.

  1. Объём или ёмкость носителя информации определяет сколько данных может быть записано на него. Причем, если говорить о флэшках или жестких дисках, то на них данные записываются исключительно исходя из размера. С оптическими дисками ситуация немного другая. Если вам надо записать на диск музыкальные файлы, то существует два варианта. Первый использовался, для создания музыкальных CD, которые проигрывались на старых проигрывателях. Эти диски имели свою собственную разметку и записать на них можно было исключительно 90 минут музыки (13-14 песен). Если же вы создаёте диск с музыкой, как обычный диск с данными, то на него можно записать порядка 140 треков.
  2. Надёжность или наработка на отказ. Определяет, сколько может прослужить вам тот или иной носитель информации. Этот параметр зависит как от производителя, так и от условий, в которых вы будете хранить его. С одной стороны, даже маленькая царапина на диске может привести его в нерабочее состояние, с другой же, оптические диски более устойчивы к воздействию влаги, даже известны случаи, когда компьютер спокойно работал со сломанным напополам диском.
  3. Быстродействие. Тут всё понятно. Скорость считывания зависит от интерфейса, которым носитель подключен к ПК. USB медленнее чем дисковод, однако, новейшие интерфейсы USB 3.0, которые еще не поддерживаются большинством оборудования, обещают выйти на новый уровень производительности.
  4. Стоимость не является показателем качества продукта. В первую очередь вы платите за бренд. Далеко не факт, что флэшка от Kingston прослужит вам дольше, чем такая же от малоизвестного производителя. Зато заплатите вы в 2 раза дороже.

Теперь вам стало более понятно, что такое память?

Программная ошибка

Как и любое сложное устройство, память компьютера нуждается в правильном обращении. Зачастую можно встретить на форумах вопросы пользователей: "Что такое "Память не может быть read", как это исправить?"

Как вы можете понять, эта ошибка вызвана неправильной работой памяти компьютера. Истоки проблемы могут быть самыми разными. С одной стороны, это может быть неправильно удалённая программа, занимающая место в памяти, с другой - может не хватать файла подкачки или места в оперативной памяти.

Увеличиваем файл подкачки. Совершаем следующее - переходим в "Свойства моего компьютера /дополнительно/быстродействие/параметры/дополнительно/изменить", там устанавливаем объем файла подкачки для системного диска примерно 4096 мегабайт.

Отключаем службу Data Execution Prevention. Открываем C:\boot.ini и заменяем в нём строку /noexecute=optin на /noexecute=AlwaysOff.

Проверьте путь установки. Он должен быть как можно короче.

Отключите отправку отчета в Майкрософт.

Ошибка "железа"

Есть другие варианты причин возникновения вышеуказанной ошибки. Она может быть связана с неправильной сборкой персонального компьютера или несовместимостью "железа".

  • Перегрев памяти. Попробуйте почистить ваш компьютер от пыли либо поставить систему охлаждения посильнее.
  • Если у вас многоядерный процессор, то может возникать конфликт со старыми игрушками. Установите программу CPU-control и выставите режим CPU 1.
  • Оперативную память лучше устанавливать в паре. То есть обе планки должны быть одной ёмкости (например, обе по 2048 мегабайт).

Вот и всё. Надеемся, эта статья помогла вам лучше разобраться, что такое память компьютера.

В составе компьютера имеется несколько уровней, разновидностей памяти. Важ­нейшими для работы компьютера видами памяти являются оперативная память (ОП) и внешняя память (ВП).

Оперативной памятью называется устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также всех дан­ных, необходимых для их выполнения.

Процессор компьютера имеет непосредственный доступ ко всей информации, которая находится в оперативной памяти, и именно поэтому программы, находя­щиеся в оперативной памяти, могут быть выполнены процессором, а данные, на­ходящиеся в оперативной памяти, могут быть по этим программам обработаны.

оперативную память называют еще прямоадресуемой памятью, памятью с прямым доступом и обозначают RAM (Random Access Memory - память произвольного доступа). Для оперативной памяти используются еще и некоторые другие названия и обо­значения: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оператив­ная память (ООП), просто основная память (ОП).

Максимально возможный объем оперативной памяти, который иногда называют адресным пространством, и объем памяти, фактически присутствующий в соста­ве машины, являются важнейшими характеристиками данной модели в целом и конкретного экземпляра компьютера. Адресное пространство является величи­ной постоянной для данной модели, в то время как фактический объем опера­тивной памяти может у разных экземпляров быть разным, но он не может быть больше, чем адресное пространство для данной модели. У последних на сегодняш­ний день моделей персональных компьютеров семейства IBM PC максимально возможный объем оперативной памяти равен 64 Гбайт

Отличительными особенностями оперативной памяти являются ее энергозави­симостьи относительно высокая стоимость. Энергозависимость означает, что при отключении электропитания компьютера вся информация, которая хранится в оперативной памяти, безвозвратно теряется.

Кроме оперативной памяти в состав персонального компьютера входит родствен­ная ей кэш-память, или просто кэш (cache - запас, тайный склад или наличные, карманные деньги, то есть деньги, которые всегда «под рукой»). Это сверхбыст­рая память относительно небольшого объема до 1-2 Мбайт. По структуре и принципу работы кэш ничем не отличается от оператив­ной памяти. Однако скорость передачи данных при обмене с кэшем значительно выше, чем при обмене с оперативной памятью, но и стоит она дороже. Кэш исполь­зуется как промежуточное звено между процессором и оперативной памятью, которое обеспечивает повышение скорости вычислений.

Внешняя память

Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для дол­говременного хранения больших массивов информации - программ и данных.


Несмотря на то что, фактически, эти устройства находятся внутри корпу­са персонального компьютера, для их обозначения используется термин «внеш­няя память», так как это сложилось исторически.

Процессор, то есть устройство, обеспечивающее задаваемую программой обра­ботку данных, не имеет непосредственного доступа к внешней памяти. Поэтому программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться, а дан­ные не могут быть каким-либо образом обработаны. В этом и состоит самое главное функциональное отличие внешней памяти от оперативной. Во внешней памяти программы и данные хранятся в «нерабочем состоянии», а в оперативной программы и данные хранятся во время выполнения (и только во время выполне­ния) программ. Для того чтобы выполнить какую бы то ни было программу, ее сначала нужно «взять со склада» - найти на внешнем устройстве и перенести в оперативную память, где она и сможет выполняться. Аналогичным образом, чтобы обработать данные, физически находящиеся во внешней памяти, их нуж­но сначала перенести в оперативную память.

Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой про­граммы, а инициирование начало) ее выполнения называют запуском программны или передачей управления этой программе. :

Важнейшей особенностью внешней памяти является ее энергонезависимость. Это означает, что информация хранится в ней независимо от того, включено или выключено электропитание компьютера. Кроме того, внешняя память гораздо дешевле и имеет значительно большие объемы по сравнению с оперативной.

В состав компьютера можно включить несколько жестких дисков. Но на практике персональный компьютер чаще всего оснащен только одним винчестером. Для удобства организации работы с данными предусмотрена воз­можность имитировать наличие в составе компьютера нескольких жестких дис­ков, разделив реально включенный в состав компьютера диск на ряд участков, каждый из которых ведет себя как самостоятельный диск. Такие участки реаль­ного диска принято называть логическими дисками.

Каждое из дисковых устройств, включенных в комплект персонального компьюте­ра, имеет собственное обозначение, которое состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия. Обычно в состав компьютера включают один дисковод для гибких дисков, который всегда обозначают А:. Жесткий диск, независимо от наличия или отсутствия дисковода для гибких дисков, всегда принято назы­вать С:. Если в составе компьютера имеются дополнительные реальные или ло­гические жесткие диски, дисководы для CD-ROM, CD-R, CD-RW или DVD, то для их обозначения используются следующие по алфавиту буквы английского алфавита - D:, E:, F: и т. д.

Процессор

Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

Физически микропроцессор представляет собой созданный по специальной тех­нологии кристалл кремния общей площадью 1-3 см 2 . Этот кристалл содержит огромное количество логических элементов, эквивалентных транзисторам Основная функций процессора складывается из двух компонентов - собственно действия по обработке данных и управления последовательностью выполнения таких действий. Процессор вычислительной машины «умеет» выполнять опре­деленный набор простейших, элементарных действий по обработке информации. Весь набор действий, которые могут быть выполнены процессором, называется системой команд данного процессора.

Конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает необходимую обработку информации, образует програм­му, записанную на уровне машинного языка.

Именно в форме машинных команд вынуждены были писать свои програм­мны программисты, работавшие с машинами первого поколения. "Затем были разработаны специальные алгоритмические языки, такие как Фор­тран, Алгол-60, Паскаль, Си и целый ряд других. Алгоритмы решения задач по об­работке данных на этих языках записываются в более привычном для человека виде, в терминах специально подобранных слов и обозначений, которые обеспе­чивают алгоритму все необходимые для него свойства (однозначность, конечность и т. д.). Алгоритм, записанный на одном из алгоритмических языков, также называется программой. Затем специальные программы - трансляторы (translate - перево­дить) - осуществляют автоматический перевод текста алгоритма на машинный язык, на уровень двоичных кодов. Полученная таким образом машинная про­грамма уже может быть выполнена процессором.

Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти - регистровый. Регистр - это устройство для кратковременно­го хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устрой­ство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машин­ной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего несколь­ко десятков регистров.

Схема выполнения программы процессором довольно проста. Процессор по оче­реди (начиная с первой) выбирает (читает) из оперативной памяти машинные команды, из которых состоит программа.

Прочитав очередную команду, процессор по ее коду определяет, какое именно действие должно быть выполнено (сложение, умножение, сравнение и т. д.) и где взять данные, которые должны быть обработаны (над которыми должно быть выполнено заданное действие). Затем указанные данные считываются из опера­тивной или регистровой памяти и над ними выполняется нужное действие. Да­лее процессор, если это определено в команде, записывает результат обработки назад в оперативную или регистровую память. После чего цикл выполнения ко­манды повторяется - вновь считывание очередной команды из оперативной па­мяти, ее расшифровка, выполнение действий, запись результата и т. д. Этот цикл работы процессора выполняется до обнаружения в программе специальной ко­манды, предписывающей процессору прекращение действий по выполнению данной программы.

Процессоры вычислительных машин характеризуются рядом параметров. Основ­ными считаются тактовая частота и длина машинного слова. Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором в секун­ду, называется тактовой частотой компьютера.

Тактовая частота различных процессоров может изменяться в широких преде­лах. Процессор выполняет каждую машинную команду программы за определен­ное число тактов. чем выше тактовая частота, тем бы­стрее работает компьютер. В настоящее время персональные компьютеры работают с тактовыми частотами до нескольких гигагерц. Можно ожидать появления в недалеком будущем микропроцессоров с тактовой часто­той порядка 10 ГГц. Однако следует заметить, что, согласно теоретическим оцен­кам, микропроцессоры, выполненные по современным технологическим под­ходам, не смогут превзойти частоты 30-40 ГГц.

Компьютерная память (устройство хранения , запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

  • последовательный доступ (магнитные ленты)
  • произвольный доступ (оперативная память)
  • прямой доступ (жесткие магнитные диски);
  • ассоциативный;

по типу электропитания:

  • энергонезависимая (оперативная и кэш-память)
  • статическая (SRAM — Static Random Access Memory)
  • динамическая (DRAM — Dynamic Random Access Memory)
  • энергонезависимая (жесткие диски, компакт-диски, флэш-память)

по назначению:

  • буферная;
  • временная;
  • кэш-память;
  • корректирующая;
  • управляющая;
  • коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

  • акустическая;
  • голографическая;
  • емкостная;
  • криогенная;
  • лазерная;
  • магнитная;
  • магнитооптическая;
  • молекулярная;
  • полупроводниковая;
  • ферритовая;
  • фазоинверсная;
  • электростатическая.

Оперативная память компьютера

Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.

Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.

При производстве модулей памяти, как правило, одна фирма выпускает микросхемы (чипы), а другая делает сами модули (монтаж и пайка). Производителей чипов в мире насчитывается не более 10. Крупные производители чипов: Samsung, Mиcron, LG, Hynиx, Toshиba, Nec, Texas Instruments проводят тщательное тестирование готовой продукции, но полный цикл тестирования проходят далеко не все чипы. Исходя из этого, продукцию этих компаний можно условно разделить на три категории: класса А, В и С.

Первая — готовы микросхемы, прошедшие полный цикл тестирования (т.н. чипы класса A, примерно 10% от всей продукции) — считаются чипами высшего качества и самые надежные. Они также и самые дорогие, поскольку обеспечивают надежную работу в любых условиях. Эта категория чипов используется известными производителями модулей памяти.

Вторая (чипы класса B) — модули памяти с небольшими дефектами, на этапе тестирования которых были обнаружены ошибки. Эти чипы в большом количестве поставляются производителям дешевых модулей памяти, попадая затем на свободный рынок. Вполне может случиться, что модули, изготовленные на основе микросхем класса B, будут быстро и надежно работать, однако в системах, где нужна, прежде всего, надежность, подобные модули не применяются.

Третья (чипы класса C), которые вообще не тестировались производителем на скорость и надежность. Понятно, что на рынке такая продукция имеет наименьшую стоимость, поскольку вся ответственность за тестирование ложится на производителей модулей. Именно такие микросхемы используют производители дешевой памяти класса noname, а стабильность работы этих изделий вызывает большие сомнения. Надежность готового модуля памяти определяется совокупностью многих факторов. В частности, это количество слоев печатной платы (PCB), качество электронных компонентов, грамотное разведение цепей, а также технология производственного процесса. Мелкие производители модулей для снижения цены готовых изделий экономят на мелких компонентах, зачастую просто не впаянных на модуль.

Основная память на ПК организована в цепи типа SIMM или DIMM. Существуют различные виды таких схем, которые отличаются скоростью доступа к данным в памяти.

На персональном компьютере имеется кэш память на двух уровнях: первый уровень быстрее и меньше по размеру и расположен внутри процессора, а второй — на материнской плате.

Память для хранения информации: жесткий диск, твердотельные накопители

Жесткий диск (накопитель на жестких магнитных дисках (HDD), «винчестер») — устройство для хранения информации, в котором используется принцип магнитной записи. Внутри этого носителя запись данных осуществляется на жесткие пластины, изготовленные из легкого металлического сплава или стекла и покрытые слоем специального магнитного материала (чаще всего — двуокисью хрома). В зависимости от конструкции, в устройстве могут использоваться одна или несколько таких пластин, которые быстро вращаются на одной оси.


Устройство жесткого диска: 1 — постоянный магнит; 2 — соленоидный привод головок; 3 — головка чтения / записи информации; 4 — шпиндель двигателя, вращающего дисковые пластины; 5 — корпус, обеспечивающий герметизацию; 6 — пакет магнитных дисковых пластин 7 — кабель подключения головок к управляющей плате

За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающие головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько микрометров). Это гарантирует надежность записи / считывания данных. При остановке пластин, головки перемещаются за пределы их поверхности, поэтому механический контакт между головками и пластинами практически исключен. Такая конструкция обеспечивает долговечность запоминающих устройств этого типа.

Основные характеристики жестких дисков:

Емкость — показатель, определяющий количество данных, которые в нем можно хранить. Сегодня существуют жесткие диски емкостью более 4000 ГБ. Нужно учитывать, что при маркировке емкости запоминающих устройств, производители используют величины, кратные не 1024 (как обычно принято), а 1000 есть винчестер, емкость которого согласно маркировки равна 500 ГБ, на самом деле сможет хранить не более 465 ГБ информации.

Интерфейс — совокупность линий связи, которыми запоминающее устройство подключается к материнской плате компьютера. Каждый тип интерфейса имеет свои особенности и скорость передачи данных. Наиболее распространенным на данный момент является интерфейс SATA. Более старый PATA также встречается, но редко.

Параметры жестких дисков

Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются устройства 2,5 или 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.

Время произвольного доступа — это средний промежуток времени, за который устройство осуществляет позиционирования головки на нужный участок магнитной пластины. Этот параметр в современных устройств варьирует в пределах 2,5 — 16 мс (чем меньше, тем лучше).

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов магнитных пластин жесткого диска за 1 минуту. От этого показателя напрямую зависит производительность устройства (чем выше, тем лучше), а также его энергопотребление, степень вибрации и шума (чем меньше, тем лучше). Здесь важен баланс: для стационарных компьютеров лучше выбрать более быстрый носитель, для портативного — более экономичный и тихий. Скорость вращения шпинделя современных жестких дисков может варьировать от 4200 до 15000 оборотов в минуту.

Объем буфера специальной внутренней быстрой памяти диска, предназначенная для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при считывании и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.

В последнее время начался выпуск жестких дисков со встроенной флэш-памятью в качестве кэша, что значительно улучшает скоростные показатели дисков.

Фирмы производители: IBM , Hitachi , Seagate , Samsung , Western Digital .

Для увеличения общего объема информации, записывается на магнитный носитель, был разработан новый тип записи — перпендикулярен — когда магнитные моменты ориентируются перпендикулярно подложке, за счет чего их плотность увеличивается, вместо продольного.


Запись магнитной информации продольного (а) и перпендикулярного (б) типа

Накопители SSD

Твердотельный накопитель (SSD — Solid State Drive) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей на основе микросхем памяти разработанных на базе полупроводниковой технологии.

Существует всего 2 типа SSD накопителей: SSD диски на основе флэш-памяти (самые популярные и распространенные), и SSD на основе оперативной памяти.

Основополагающим принципом организации работы флеш-памяти является хранение ею 1 бита данных в массиве транзисторов с плавающим затвором (элементарными ячейками), путем изменения и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволила ему получить всеобщее признание, как носителя информации, стала способность удерживать электрический разряд на плавающем затворе до 120 месяцев. Сам плавающий затвор изготовлен из поликристаллического кремния и со всех сторон окружен слоем диэлектрика, что исключает возможность контакта его с элементами транзистора. Располагается он между диэлектрической подкладкой и управляющим затвором. Управляющий электрод полевого транзистора и называется затвором.

Запись и стирание информации происходит за счет изменения приложенного заряда между затвором и истоком большим потенциалом, пока напряженность электрического поля в диэлектрике между каналом транзистора и изолированной областью не станет достаточной для возникновения туннельного эффекта. Таким образом электроны переходят через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечивая его зарядом, а, значит, и наполнение элементарной ячейки битом информации. Также, для усиления эффекта туннелирования электронов при записи, применяется слабое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Для удаления информации управляющий затвор обеспечивается отрицательным напряжением высокой мощности с тем, чтобы позволить электронам переходить с плавающего затвора на исток. Подобная организация элементарных ячеек, объединенных в страницы, блоки и массивы и составляет твердотельный накопитель.

Преимущества SSD накопителей:

  • отсутствие механических составляющих;
  • скорость считывания и записи намного выше скорости работы жестких дисков с интерфейсом (SATA2 — 3 ГБ/с, SATA3 — 6 ГБ/с) и ограничивается лишь возможностями применяемых контроллеров;
  • низкое потребление энергии;
  • низкий уровень шума (из-за отсутствия подвижных частей);
  • высокая устойчивость к механическим воздействиям (падение, удары)
  • стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
  • малые габариты и вес;
  • широкий потенциал для улучшения характеристик и технологий производства.

Недостатки SSD накопителей:

  • ограничения на количество циклов перезаписи: (MLC, Multi-Level Cell, многоуровневые ячейки памяти) флэш-памяти — около 10 000 раз, более дорогие типы памяти (SLC, Single-Level Cell, одноуровневые ячейки памяти) — около 100 000 раз;
  • высокая цена SSD накопителя. Стоимость SSD дисков прямо пропорциональна их объему, тогда как стоимость жестких дисков зависит от количества пластин и менее зависит от объема накопителя.

RAID массивы

RAID массив (Redundant Array of Inexpensive / Independent Disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — это матрица недорогих независимых устройств (жестких дисков с интерфейсом АТА или SATA) с избыточностью информации, на которую возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности обработки данных, управляется контроллером и связана скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое.

Организация RAID — массивов. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени безотказности (надежности) и быстродействия.

RAID имеет две цели:

  1. увеличение надежности хранения информации;
  2. увеличение скорости записи / считывания.

Наиболее популярными видами RAID является RAID 0, 1 и 0 + 1.

Отказоустойчивость массива достигается за счет избыточности информации, хранящейся на жестких дисках, то есть часть емкости дискового пространства (памяти) отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, или распределяться между всеми дисками массива. Способов формирования избыточной информации достаточно много. Самый простой из них — полное дублирование (или отражение) — имеет 100-процентную избыточность. Для снижения избыточности (увеличение объема полезного дискового пространства) используются различные математические методы типа вычисления четности или применения кодов с коррекцией ошибок.

RAID 0 — представляет собой дисковый массив с 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски без защиты от отказов. В этом случае данные разбиваются на блоки (stripe), параллельно записываются на разные диски (например, при использовании двух винчестеров одновременно), совместно участвуют в каждой операции ввода / вывода информации.

Преимущества такого подхода — обеспечение высокой производительности для приложений, требующих большого объема ввода / вывода данных, простота реализации и низкая стоимость единицы объема. Основной недостаток — выход из строя одного любого диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID 1 — это массив дисков с 100-процентной избыточностью, обладает очень высоким уровнем надежности хранения данных за счет их дублирования («отражение»). «Отражение» (Mirror) — традиционный способ повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одна и та же информация. В случае отказа одного из дисков остается дубликат, который продолжает работать в прежнем режиме.

Схема записи информации в массиве RAID 1 (отражение)

Преимущества — простота реализации и восстановления массива данных, а также достаточно высокое быстродействие для приложений с большой интенсивностью запросов. Недостатки — невысокая скорость передачи данных при двойной стоимости единицы объема, поскольку имеет место 100% -ная избыточность.

RAID 2 — массив с использованием помехоустойчивого кода Хемминга.

RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском четности.

RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора рассчитывается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков — циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчивый к потере не более чем одного диска.


Схема массива RAID 5

RAID 6. Все различия сводятся к тому, что используются две схемы четности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи чрезвычайно низкой.

RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов.

RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5.

RAID 60 — RAID 0, построенный из RAID 6.

Комбинированные массивы. При большем количестве дисков вместо RAID 1 можно использовать массивы RAID 0 + 1, RAID 1 + 0 или RAID 10, это комбинации RAID 0 и RAID 1, которые позволяют достичь лучших показателей быстродействия и надежности системы. Первая цифра означает уровень составляющих массивов, а вторая цифра — какую организацию имеет верхний уровень, объединяющий (массивы).

Комбинация RAID 0 + 1, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объема дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.


Схематическое изображение массива RAID 0 + 1 (а) и RAID1 + 0 (б)

RAID 0 + 1 имеет высокую скорость работы и повышенную надежность, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и является недорогим решением.

RAID 1 + 0 (RAID10). Этот уровень не требует каких-либо математических вычислений контрольных сумм на любой стадии его построения или работы. По этой причине не обладает существенная деградация производительности, оказывается в RAID 5 при отказе одного из дисков. В RAID10 можно объединить только четное количество дисков N = 2 ∙ M (минимум — 4, максимум — 16). Массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным при отказе до 5 жестких дисков.

Выводы

Компьютерная память — это сложная система аппаратного обеспечения, которая в зависимости от своих функций позволяет получать, хранить, манипулировать и выводить данные. Объем оперативной памяти и ее частотность отвечает за производительность, быстродействие и количество запущенных программ, а соответственно и комфортную работу пользователя. В случае интегрированного графического адаптера часть оперативной памяти может выделяться для графических нужд. При включенном ПК оперативная память играет функцию временного хранения данных, используемых процессором, поскольку после отключения электропитания вся информация теряется. Производительность ПК зависит от слаженной работы между оперативной памятью материнской платой и процессором.

Для сохранения информации на длительный срок используются жесткие диски (внутренние, внешние) или относительно новый тип памяти — твердотельные накопители. У каждого типа носителей есть свои преимущества и недостатки: важным критерием остается стоимость, надежность хранения информации и объем.

Для обеспечения потребностей пользователя в скорости записи / считывания и сохранении информации используются RAID массивы — объединение нескольких жестких дисков, контролируется специальным RAID-контроллером. В зависимости от типа подключения на одни — будет записываться новая информация, а остальные будут их копиями (за счет чего создается избыточность).

У любого массива RAID, который остается работоспособным при сбое одного диска, существует такое понятие, как время восстановления (rebuild time) — это время, за которое контроллер должен организовать функционирование нового диска в массиве.

Похожие статьи