Общие сведения о памяти и запоминающих устройствах

По быстродействию (скорости записи и воспроизведения информации) машинная память значительно превосходит память человека.

Скорость срабатывания элементов, на основе которых строятся современные ЗУ, определяется в конечном счете скоростью протекания электронных процессов, в то время как скорость срабатывания биологических элементов - нервных клеток - определяется скоростью протекания значительно более инерционных процессов.

Однако простое сравнение по быстродействию мозга человека с машиной едва ли можно назвать достаточно наглядным, учитывая то обстоятельство, что они характеризуются совершенно несоизмеримыми информационными ёмкостями. Поэтому будем считать вычислительную мощность мозга равной мощности ЭВМ, которая потребуется , чтобы смоделировать его работу, а объём памяти - равным памяти ЭВМ, в которой можно записать всю информацию, хранимую в нейронных связях мозга. В память машины записываются адреса конца и начала каждой связи между нейронами, степень влияния данного входа на состояние нейрона, пороги возбуждения нейронов и т.д.

Для упрощенной модели нейрона (рис. 2) передаточная

Рис. 2

функция может быть записана в виде S = Sф + åmi Si , где параметры mi характеризуют активность синапсов; Sф - фоновая активность. При передаче сигнала по межнейронной связи выполняется одна аналоговая операция умножения. Затем сигналы суммируются с остальными на входе нейрона. Таким образом, на каждый акт прохождения сигнала по межнейронной связи приходится одна операция умножения и одна - сложения. Число одновременно выполняемых операций при работе всего мозга равно числу его межнейронных связей, а общая вычислительная мощность равна числу межнейронных связей, умноженному на частоту повторения сигнала. При моделировании работы мозга на ЭВМ все эти операции выполняются цифровым способом. Необходимая для этого мощность машины должна быть не менее вычислительной мощности мозга. Если принять число межнейронных связей равным 1014 , а частоту повторения сигнала - 102 с-1 , то эквивалентная вычислительная мощность мозга равна 1016 операций в секунду.

Обычная вычислительная мощность ЭВМ порядка 108 операций в секунду, а мощность отдельных уникальных машин приближается к 109 операций в секунду. Значения 109 и 1016 отражают не столько количественную разницу, сколько качественный скачок в технологии обработки информации. Для реализации параллельных алгоритмов обработки информации, как в мозге человека, требуются принципиально новые технические средства, во много раз более мощные, чем существующие.

Рассмотрим теперь другую проблему. Расширение функциональных возможностей систем хранения и обработки информации связано с усложнением их структур и увеличением количества их элементов. Основным препятствием при увеличении числа элементов системы служит проблема её надёжности. Мозг же представляет собой супермногоэлементную систему, но тем не менее безотказно служит человеку всю жизнь. По-видимому, природа каким-то способом нашла возможность обойти закон жёсткой обратной зависимости надёжности от число активных элементов.

Технические элементы памяти строятся на основе высоконадёжных запоминающих элементов. Но для сложной системы, содержащей большое количество элементов, это может оказаться недостаточным. Работоспособность системы памяти определяется как физическими особенностями носителя информации, так и его информационной структурой. Надёжность нейронов значительно ниже надёжности электронных элементов ЗУ, однако биологическая система сохраняет способность функционировать, запоминать и выдавать информацию даже при серьёзных повреждениях, когда выводятся из строя миллионы нервных клеток. Поэтому необходимо строить систему машинной памяти так, чтобы нарушение работы какого-либо элемента или части её элементов не было критическим, не привело к нарушению нормального её функционирования. Задача построения надёжно работающих систем на недостаточно надёжных элементах - одна из главных задач в кибернетике.

Существуют различные способы обеспечения надёжного функционирования сложных систем. Одним из них является построение систем с избыточным числом элементов, в которой в случае нарушения работы некоторых элементов их функции берут на себя другие, автоматически включающиеся в работу. Так часто происходит в живой природе как на уровне клеток, так и целых органов. В технических системах при наличии в них избыточных элементов замена ими вышедших из строя производится сравнительно легко при условии, что система строится на базе так называемых однородных структур. Имеется большое количество однотипных ячеек, являющихся первичными элементами, и при отказе в работе одной из них автоматически включается другая, к этому времени не занятая.

Весьма эффективным способом повышения надёжности сложных систем является преобразование информации, при котором переходят от обычной, естественной пространственно-временной формы её представления к частотно спектральной форме, в которой далее она хранится, обрабатывается и передаётся по каналам связи. Очень важно, что структурная избыточность дополняется различными видами функциональной, в частности воспроизведение этих свойств в технических средах позволяют высоконадёжные информационно-перерабатывающие самоорганизующиеся адаптивные системы переменной структуры, обладающие способностями к приспособлению.

Основные характеристики, классификация и иерархия ЗУ

В современных электронных вычислительных системах около 70% объёма и стоимости приходится на долю запоминающих устройств (ЗУ), которые представляют собой комплекс технических средств, предназначенных, для записи, хранения и выдачи информации. В ЗУ в двоичном коде хранятся программы вычислений, исходные данные, промежуточные результаты и команды.

Характеристики запоминающего устройства (ЗУ) определяют качество и целесообразность его применения в той или иной вычислительной машине или системе. Основными характеристиками ЗУ являются информационная ёмкость, быстродействие и надёжность.

Информационная ёмкость ЗУ определяется количеством двоичных единиц информации (бит), которое может храниться в нём (иногда ёмкость выражается в байтах. Обычно один байт равен восьми битам). Если ЗУ рассчитано на хранение N чисел, каждое из которых имеет р разрядов, то информационная ёмкость М = N*p.

Возможность решения на ЭВМ той или иной задачи в значительной степени зависит от ёмкости ЗУ машины.

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

Надёжность ЗУ определяется числовыми значениями параметров конструктивной и информационной надёжности. Под конструктивной, или элементной, надёжностью понимают вероятность безотказной работы всех элементов или устройства в заданном интервале времени и заданных условиях эксплуатации. Таким образом понятие конструктивной надёжности совпадает с общепринятым определением надёжности радиоэлектронных устройств.

Количественно конструктивную надёжность можно выразить произведением

Р = qг qб ,

где qг - готовность устройства к работе, т.е. вероятность его исправности к началу работы

qг = (1 + Ltрем )-1

qб - вероятность безотказной работы устройства в течении заданного промежутка времени, т.е. вероятность невыхода его из строя:

qб = (1 +Ltраб )-1 , L = åLi .

L - интенсивность отказов, или средняя частота отказов в час; n - количество элементов устройства, а Li - средняя частота отказов отдельных элементов; tрем - среднее время нахождения и устранения отдельных неисправностей; tраб - время работы системы. Среднее время безотказной работы устройства Tср = 1/L.

Информационная надёжность ЗУ определяет способность устройств сохранять, принимать и выдавать требуемую информацию без её искажения. Численно информационная надёжность может быть оценена соотношением амплитуд информационных и сигналов помех в моменты записи и считывания информации. Большое отношение амплитуд сигналов и помех гарантирует высокую информационную надёжность.

Важными характеристиками ЗУ, как и любого другого устройства машины, являются также габариты, масса, потребляемая мощность и стоимость. Кроме того, к специальным ЗУ предъявляют особые требования по параметрам механических и климатических воздействий.

Классификация ЗУ. Запоминающие устройства можно классифицировать в зависимости от особенностей их построения и функционирования по назначению, адресации информации, характеру хранения информации, по кратности считывания, физическим принципам работы запоминающих элементов, технологии изготовления запоминающих элементов.

По назначению ЗУ делятся на кратковременные и долговременные. В свою очередь, ЗУ с долговременным хранением делятся на постоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные ЗУ (ППЗУ). Характерной чертой ПЗУ и ППЗУ является сохранение информации при отключении источников питания. При этом в ПЗУ возможна лишь однократная запись информации, производимая либо а процессе производства, либо в результате программирования. В ППЗУ возможно многократное изменение хранимой информации при эксплуатации.

ЗУ с кратковременным хранением информации используются для хранения оперативной часто меняющейся информации. В этих ЗУ отключение источников питания, как правило, приводит к потере хранимой информации. Следует отметить, что ППЗУ при сокращении длительности цикла записи могут быть использованы и для хранения оперативной информации. Разумеется, ППЗУ могут быть в большинстве случаев использованы и в качестве ПЗУ.

По адресации ЗУ могут быть с произвольной, последовательной и ассоциативной выборкой. В ЗУ с произвольной выборкой (или доступом) время обращения не зависит от адреса числа в устройстве. В ЗУ с последовательной выборкой для нахождения числа по определённому адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки, предшествующие заданной. Очевидно, что в этих устройствах время обращения зависит от адреса. Для поиска определённой информационной единицы в таком ЗУ неоходимо сначала отыскать соответствующий массив, а затем информационную единицу в этом массиве.

В ассоциативных ЗУ (АЗУ) поиск и извлечение информации происходят не по местонахождению (адресу), а по некоторым признакам самой информации, содержащейся в ячейке. Такая память, в сущности, состоит из адресуемых ячеек, однако в системе предусмотрен также механизм проверки или сравнения ключевой информации со всеми записанными словами.

По характеру хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические. В статических ЗУ кодирующее информацию физическое состояние остаётся неподвижным относительно носитель информации, тогда как в динамических ЗУ кодирующее информацию физическое состояние перемещается периодически по отношению к среде носителя информации.

По кратности считывания различают ЗУ со считыванием без разрушения информации и ЗУ со считыванием с разрушением информации. В последнем случае для сохранения информации необходимо восстанавливать (регенерировать) считанную информацию в каждом цикле обращения к ЗУ, чтобы иметь возможность её последующего использования.

По физическим принципам работы запоминающих элементов ЗУ делят на магнитные, полупроводниковые, сверх проводниковые и т.д. в современных ЭВМ наиболее широко используют двоичную систему счисления. Поэтому для кодирования и хранения информации могут использоваться различные физические процессы, определяющие два различных состояния вещества, например различные состояния намагниченности магнитных материалов, наличие или отсутствие заряда в данной области полупроводника или диэлектрика, конечное электрическое сопротивление участка цепи и нулевое сопротивление этого же участка, возникающее вследствие эффекта сверхпроводимости некоторых веществ, и т.д.

Создание блоков памяти, обладающих достаточно большой ёмкостью и в то же время приемлемых по габаритам и экономичности, может быть реализовано только при условии максимальной миниатюризации как всего блока памяти в целом, так и основной его части - накопителя информации. Наибольшие успехи в микро миниатюризации в настоящее время достигнуты при использовании полупроводниковых элементов, выполняемых по интегральной технологии, что в значительной мере и определило широкое применение их в системах памяти современных ЭВМ.

Иерархия запоминающих устройств

Совершенствование современных систем обработки информации связано с совершенствованием их памяти, т.е. с созданием памяти, обладающей большой информационной ёмкостью, высоким быстродействием и надёжностью и низкой стоимостью. Так как требуемое сочетание всех параметров в одном типе ЗУ получить не представляется возможным (с увеличением ёмкости ЗУ снижается его быстродействие), то единственный путь решения этой проблемы - объединение в систему различных (а иногда и однотипных) ЗУ в целях получения такой структуры памяти, которая максимально удовлетворила бы приведённым выше требованиям.

Структура памяти, в которой можно выделить несколько различных по характеристикам уровней, называется иерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждый уровень (ступенька) памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ, использующиеся на самом высоком уровне иерархии, имеют наименьшую информационную ёмкость и наибольшее быстродействие. Эту память часто называют набором регистров и иногда относят к устройствам обработки, она позволяет выполнять некоторые логические и арифметические операции.