Виды памяти

      Введение

      У человека всегда была потребность сохранить  результаты его трудов, будь они  материальными или умственными. Для этой цели издавна использовались различные способы: древний человек вёл записи с помощью рисунков, т. к. он не владел письменностью, с появлением письменности появилась и возможность более информативно излагать свои мысли, для чего стали использоваться глиняные таблички, папирусы, бумага, береста и даже каменные стены. Но с развитием человеческой цивилизации, с развитием различных наук количество информации, подлежащей сохранению, постепенно увеличивалось и приходилось придумывать новые методы или улучшать старые. Так ещё в 1041-1048 г.г. в древнем Китае были предприняты первые опыты книгопечатания (Би Шэн), которое в 15-16 в.в. получило распространение в Европе, а создание в 1814 печатной машины положило начало современной полиграфии. Тогда же, в 16 в., итальянец Романецатто изобрёл «пишущее пианино», правда, не получившее распространения, а вообще с тех пор было запатентовано и создано около 300 различных конструкций пишущих машинок, хотя практическое применение нашли лишь 25-30 из них. Хотя это были и весьма несовершенные конструкции, они существенно подняли индивидуальную производительность. В 1857 г. англичанин Леон Скотт создал первое устройство, регистрирующее акустические колебания, а в 1878 г. американцем Томасом Эдисоном по такому же принципу был создан фонограф, позволявший записывать и воспроизводить различные звуки и человеческую речь. Так появились первые устройства механической записи информации, а 40-50-х г.г. нашего столетия появилась первая технология записи информации на магнитные носители, что вывело этот процесс на принципиально новый уровень.

      В 1945 г. Джон фон Нейман (1903-1957), американский ученый, выдвинул идею использования внешних запоминающих устройств для хранения программ и данных. Нейман разработал структурную принципиальную схему компьютера. Схеме Неймана соответствуют и все современные компьютеры.

      Несмотря  на стремительные темпы развития вычислительной техники, фундаментальные принципы построения ЭВМ практически не изменились. Базовые идеи построения вычислительных устройств сформулированные известным математиком Джоном фон Нейманом с группой соавторов в 1946г. и получили название «принципов фон Неймана»¹. Сущность этих принципов:

      использование двоичной системы для представления чисел. В работе фон Неймана были убедительно продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и др. Но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера;

      принцип «хранимой программы». Согласно этому принципу программа, записанная с помощью двоичных кодов, должна храниться в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею данные;

      принцип адресности. Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде двоичных чисел.

      С развитием компьютерной техники  объёмы информации в электронной  форме начали стремительно возрастать. Программы для ПК и объём обрабатываемой и сохраняемой ими информации исчисляется не десятками или сотнями килобайт, как на заре компьютерной эры, а десятками и сотнями мегабайт, к тому же возросла и ценность самой информации. Всё это обусловило потребность в ёмких, быстрых и надёжных устройствах записи информации.

      Работая с информацией, человек пользуется не только своими знаниями, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. информация хранится в  памяти человека и на внешних носителях. Заученную информацию человек может забыть, а записи сохраняются надежнее.

      В процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные  и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность  обращаться к ним. Для этого в  составе компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называются памятью.

      1. Компьютерная память.

      Память  компьютера - совокупность устройств для записи, хранения и выдачи информации, представленной в закодированной форме, а так же для переноса информации с одного компьютера на другой.²

      Запоминающие  устройства имеют свою градацию. В  основном их можно разделить на две  группы: внутреннюю и внешнюю память (или же как это встречается  более часто - на внутренние и внешние  запоминающие устройства или накопители на гибких и жёстких дисках).

      Основные  операции с памятью

      Существует  две распространенные операции с  памятью - чтение информации из памяти и запись ее в память для хранения.

      -  При чтении порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия. После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.

      -  При записи (сохранении) информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.  
Внимание! Из энергозависимой памяти информация пропадает при выключении компьютера.

      Основные  характеристики памяти

      Способ  обращения к устройству памяти для чтения или записи информации получил название доступа.  
С этим понятием связан такой важный параметр памяти, как время доступа, или быстродействие - это время, необходимое для чтения из памяти или записи в нее минимальной порции информации. Измеряется в милли-, микро- наносекундах.

      Быстродействие  памяти определяется временем выполнения операций записи и считывания данных. Основными параметрами любых элементов памяти является минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время доступа (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения. Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат времени. В цикл обращения кроме активной фазы самого доступа входит и фаза восстановления (возврата памяти к исходному состоянию), которая соизмерима по времени с активной фазой. Временные характеристики самих запоминающих элементов определяются их принципом действия и используемой технологией изготовления.³

      Другой  важной характеристикой памяти является ее объем, или емкость. Эта величина показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в данной памяти.  
Измеряется в кило-, мега-, гигабайтах.

      Производительность  машины очень сильно зависит от объема внутренней памяти. Если для работы каких-то программ не хватает внутренней памяти, то компьютер начинает переносить часть данных во внешнюю память, что резко снижает его производительность. Скорость чтения/записи данных в оперативную память на несколько порядков выше, чем во внешнюю.

      Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Для эффективной работы современных программ требуется  оперативная память объемом в сотни и тысячи мегабайтов (гигабайты). 

      1.1. Структура памяти компьютера 

      Хранение  и обработка информации реализованы  в двоичных кодах с применением  двоичной системы счисления. Это  связано с использованием в ЭВМ  многоразрядных электронных систем памяти, каждый разряд которых – бит, может принимать одно из двух различных состояний – 0 или 1. следовательно, минимальная единица измерения информации – это бит – одна двоичная цифра. Последовательность восьми двоичных разрядов образует байт, т.е. 8 бит.

      Второе  значение понятия «байт» - минимальная  адресуемая ячейка памяти. В этом смысле величина байта необязательно составляет 8 двоичных разрядов.

      Единица измерения информации «слово» составляет два байта, или 16 бит; двойное слово  – четыре байта, 32 бита.

      Байты памяти условно пронумерованы. Начальным  номером является нулевой. Конечный номер определяется техническими характеристиками устройства. Порядковый номер байта  памяти задает его адрес. Указанный  размер слова и двойного слова  в некоторых типах ЭВМ может составлять другую величину битов.

      Для облегчения работы с большими объемами памяти на практике применяют более  крупные единицы, такие как:

      1 Килобайт (Кбайт)=1024 байта

      1 Мегабайт (Мбайт)=1024 Кб

      1 Гигабайт (Гбайт)=1024 Мб

      1 Терабайт (Тбайт)=1024 Гб

      1 Петабайт (Пбайт)=1024 Тб

      1 Эксабайт (Эбайт)=1024 Пб

      1 Зетабайт (Збайт)=1024 Эб

      1 Йоттабайт (Йбайт)=1021 Зб 

      2. Внутренняя память

      Внутренняя  память - это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера. Сформулированное правило относится к принципам Неймана. Его называют принципом хранимой программы.⁴

      Информационная структура внутренней памяти – битово-байтовая.

      Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера — дискретность. Дискретные объекты составлены из частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. “Песчинками” компьютерной памяти являются биты.

      Второе  свойство внутренней памяти компьютера —  адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт- это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, в одном байте памяти хранится один байт информации.

      Во  внутренней памяти компьютера все байты  пронумерованы. Нумерация начинается с нуля. Порядковый номер байта  называется его адресом. Принцип адресуемости означает, что занесение информации в память, а также извлечение ее из памяти, производится по адресам.

      Память  можно представить как многоквартирный  дом⁵ (см. приложение рис. 2), в котором каждая квартира — это байт, а номер квартиры — это адрес. Для того чтобы почта дошла по назначению, необходимо указать правильный адрес. Именно так, по адресам, обращается к внутренней памяти процессор компьютера 

      2.1. Характеристики устройств внутренней памяти

      Внутренняя  память имеет в своем составе  несколько устройств. Основным является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Соответствующий по смыслу английский термин, который часто встречается в технической литературе, - RAM (Random Access Memory), т.е. память с произвольным (случайным) доступом. Такой доступ подразумевает возможность получить данные из памяти по любым адресам в любом порядке.

      ОЗУ имеет непосредственную связь с  процессором. В нем хранятся программные  команды и данные, участвующие  в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их во внешнюю память устройства вывода. Основными особенностями ОЗУ являются:

      возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти;

      высокая скорость работы, близкая к быстродействию микропроцессора;

      необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы (энергозависимость).

      Другим  важным устройством внутренней памяти компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Техническое (английское) название этого устройства памяти –  ROM (Read Only Memory), т.е. память только для чтения. Информация в это устройство записывается производителем, сохраняется неизменной и постоянно доступна компьютеру, в том числе сразу в момент включения. ПЗУ играет очень важную роль, потому что в нем записана программа начальной загрузки компьютера. Кроме того, в этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому её часто называют BIOS – Basic Input Output System/

      В современных компьютерах быстродействие процессора ОЗУ может существенно  отличаться. Поэтому, для повышения производительности системы в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное ЗУ (СЗУ) или кэш-память. Название «кэш» происходит от английского слова «cache», которое обозначает тайник. СЗУ невидимо для пользователя и данные, хранящиеся в нём, недоступны для прикладного программного обеспечения.