Оперативная память компьютера (ОЗУ, RAM)

Оперативная память компьютера
(ОЗУ, RAM)
Сокращенно оперативную память компьютера
называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или
RAM (random access memory — память с произвольным
доступом) — энергозависимая часть системы компьютерной
памяти, в которой временно хранятся данные и команды,
необходимые процессору для выполнения им операции.
Назначение ОЗУ Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки.
Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более
быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.
Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.
Считывание (или запись) содержимого ячеек.
Особенности работы ОЗУ
Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны только тогда, когда на модули
памяти подаётся напряжение, то есть, компьютер включён. Пропадание на модулях памяти
питания, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному уничтожению данных в
ОЗУ.
Поэтому при выключении компьютера обрабатываемые данные следует сохранять на
жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в
ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствуют в
оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на
жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.
Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют переводить
его в режим «сна», что значительно сокращает уровень потребления компьютером
электроэнергии. Для сохранения содержимого ОЗУ в таком случае, применяют запись
содержимого оперативной памяти в специальный файл (в системе Windows XP он называется
hiberfil.sys).
ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом. Это
означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени.
В общем случае, оперативная память содержит данные операционной системы и
запущенных на выполнение программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество
задач, которые одновременно может выполнять компьютер.
Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:
 непосредственно,
 либо через сверхбыструю память, 0-го уровня — регистры в АЛУ(блок ячеек памяти,
образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора), либо
при наличии кэша (сверхоперативная память, используемый микропроцессором
компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти) —
через него.
Логическое устройство оперативной памяти
Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес.
Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса.
Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.
Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и
является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие
команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти,
состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).
1
Вид модуля оперативной памяти
Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из
микросхем (8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем на
материнской плате.
По конструкции модули оперативной памяти для персональных компьютеров делят на
SIMM (одностороннее расположение выводов) и DIMM (двустороннее расположение
выводов). DIMM обладает большей скоростью передачи данных, чем SIMM. В настоящее время
преимущественно выпускаются DIMM-модули.
Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее
функции оперативной памяти.
Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и
быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах.
ОЗУ современных компьютеров
ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической
памяти (DRAM), в которой информация хранится не в регистрах, а в виде заряда на
конденсаторах. Эта память отличается более низкой стоимостью, её плотность выше, что
позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше ячеек памяти,
меньшим быстродействием и необходимостью регулярной регенерации. Статическая (SRAM ),
наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим массовую оперативную память
строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения
кеш-памяти внутри микропроцессора.
(В DRAM бит сохраняется за счет использования одного транзистора и одного
конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят заряд, а процесс
зарядки-разрядки более длительный, чем переключение триггера. Как следствие, DRAM работает
медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка конденсаторов. Для поддержания
заряда его регенерируют через определенные промежутки времени, на что тратится
дополнительное время.
SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях:
«включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому переключение
между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют более сложную
технологию производства. Это неминуемо отражается на цене устройства. Во-вторых, триггер,
состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает много места (на микроуровне),
в результате SRAM получается достаточно большим устройством.)
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения
программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того,
включен или выключен компьютер.
В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с
процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по
следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
 накопители на жёстких магнитных дисках;
 накопители на гибких магнитных дисках;
2



накопители на компакт-дисках;
накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.
Магнитная память.
1. Накопители на жестких магнитных дисках
Жесткий диск — информационный склад компьютера.
Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD
— Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель — это
наиболее массовое запоминающее устройство большой
ёмкости, в котором носителями информации являются
круглые алюминиевые пластины — плоттеры, обе
поверхности которых покрыты слоем магнитного
материала. Используется для постоянного хранения
информации — программ и данных.
Рабочие поверхности плоттеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки —
на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены
в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных
на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный
воздух. Поверхность плоттера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а
также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу.
При вращении плоттера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную
подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.
Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У
современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200
об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В
отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители
снабжаются встроенным 3ЭШем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их
производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер
жесткого диска.
2. Накопители на гибких магнитных дисках
Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, —
носитель небольшого объема информации,
представляющий собой гибкий пластиковый диск в
защитной оболочке. Используется для переноса данных
с одного компьютера на другой и для распространения
программного обеспечения.
Устройство дискеты
Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным
окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено
очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые
головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.
Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется
магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены
в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного
магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно
устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией
и ориентацией магнитных доменов.
3
Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на
секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит
минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость
сектора постоянна и составляет 512 байтов.
Ни так давно широко использовались дискеты со следующими характеристиками:
диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на
дорожках 18.
Дискета устанавливалась в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk
drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до
частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются
неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с
процессором через контроллер гибких дисков.
3. Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках
Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного
копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь
применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 — 2 Гбайта и
больше.
Стримеры позволяли записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество
информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяли автоматически
уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает
объём сохраняемой информации. Недостатком стримеров были их сравнительно низкая скорость
записи, поиска и считывания информации.
4