Общие сведения. Память является одним из основных элементов любой вычис­лительной системы

Память является одним из основных элементов любой вычис­лительной системы. Элементы памяти в том или ином виде при­сутствуют в каждом конструктивном модуле компьютера. Различают два вида памяти:

1) основная (внутренняя) память, к которой постоянно обра­щается центральный процессор за получением команд и данных, необходимых для работы системы;

2) внешняя память, т.е. запоминающие устройства на магнит­ных носителях

Основная оперативная память (Main Memory) компьютера используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например, дисковой) и периферийными подсистемами (графика, ввод/вы­вод, коммуникации и т.п.). Ее другое название — ОЗУ (оператив­ное запоминающее устройство) — примерно соответствует анг­лийскому термину RAM (Random Access Memory) — память с произвольным доступом. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи или чтения с любой ячейки ОЗУ в произвольном порядке.

Требования, предъявляемые к основной памяти:

• большой (для электронной памяти) объем, исчисляемый еди­ницами, десятками и даже сотнями мегабайт;

• быстродействие и производительность, позволяющие реали­зовать вычислительную мощность современных процессоров;

• высокая надежность данных — ошибка даже в одном бите в принципе может привести и к ошибкам вычислений, и к искаже­нию и потере данных, иногда и на внешних носителях.

Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть за­гружены в оперативную рабочую память, т.е. в память, доступную для программ пользователя. К данным, находящимся в оператив­ной памяти, CPU имеет непосредственный доступ, а к периферий­ной, или внешней, памяти (гибким и жестким дискам) — через бу­фер, являющийся также разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программа будет загружена в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая ее работа.

Время доступа к данным, находящимся в RAM, мало, поэтому скорость их обработки велика.

Недостаток оперативной памяти состоит в том, что она вре­менная, т.е. при отключении питания оперативная память полно­стью очищается, и данные, не записанные на внешний носитель, будут потеряны.

Основная задача RAM — предоставить па требованию CPU необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки.

Временный характер запоминания данных в оперативной па­мяти определяется не только наличием питания. Дело в том, что оперативная память относится к категории динамической памя­ти: ее содержимое остается неизменным в течение очень корот­кого промежутка времени, поэтому память должна периодически обновляться.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или раз­ряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку за­писана логическая 1, если разряжен — логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому инфор­мация, записанная в динамическую память, со временем будет ут­рачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полно­стью разрядятся.

Единственным способом регенерации хранимой в памяти ин­формации является выполнение операций чтения/записи дан­ных. Если информация заносится в динамическую память, а за­тем в течение нескольких миллисекунд остается невостребован­ной, она будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи. Однако нет гарантии, что при вы­полнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специальная схема, которая че­рез определенный промежуток времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

Кэш-память (Cache Memory) — сверхоперативная память, яв­ляется буфером между ОЗУ и его «клиентами» - процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной ши­ны. Кэш-память не является самостоятельным хранилищем; ин­формация в ней не адресуется клиентам подсистемы памяти, при­сутствие кэша для них «прозрачно». Кэш хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние об­ращения, и, весьма вероятно, последующее обращение к тем же данным будет обслужено кэш-памятью существенно быстрее, чем оперативной памятью. От эффективности кэширования за­висит вероятность нахождения затребованных данных в кэш-па­мяти и, следовательно, выигрыш в производительности памяти и компьютера в целом. Кэш в современных компьютерах строится по двусторонней схеме:

• Первичный кэш, или LI Cache (Level I Cache) — кэш 1-го уровня, внутренний (Internal, Integrated) кэш процессора класса 486 и старше, а также некоторых моделей 386.

* Вторичный кэш, или L2 Cache (Level 2 Cache) - кэш 2-го уровня. Обычно это внешний (External) кэш, установленный на си­стемной плате в одном корпусе с процессором.

Постоянная память используется для энергонезависимого хра­нения системной информации — BIOS, таблиц знакогенераторов и т.п. Эта память при обычной работе компьютера только считывает­ся, а запись в нее (часто называемая программированием) осуще­ствляется специальными устройствами — программаторами. Отсю­да и ее название — ROM (Read Only Memory — память только для чтения) или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Требуе­мый объем памяти этого типа невелик: например, BIOS PC/XT по­мещалась в 8 Кбайт, в современных компьютерах типовое значение — 128 Кбайт. Быстродействие постоянной памяти обычно ниже, чем оперативной. С этим фактом приходится мириться, а для повы­шения производительности содержимое ROM копируется в ОЗУ, и при работе используется только эта копия — теневая память (Shadow ROM). В последние годы постоянную память стала вытеснять энергонезависимая память (EEPROM и флэш-память), запись в которую возможна и в самом компьютере в специальном режиме работы.

Полупостоянная память в основном используется для хра­нения информации о конфигурации компьютера. Традицион­ная память конфигурации вместе с часами-калеидарем (CMOS Memory и CMOS RTC) имеет объем несколько десятков байт; ESCD (Extended Static Configuration Data) — область энергоне­зависимой памяти, используемая для конфигурирования уст­ройств Plug and Play, — имеет объем несколько килобайт. Со­хранность данных полупостоянной памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память — NV RAM (Non-Volatile RAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания.

Буферная память различных адаптеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно является разделяемой между процессором (точнее, абонентами системной шины) и контроллерами устройств. К этой памяти относятся и 16-байтовые FIFO-буферы СОМ-портов, и 16-мегабайтоиые (и более) кэш-буферы высоко производительных SCSI-адаптеров.

Специфическим примером буферной памяти является видео­память дисплейного адаптера, которая используется для построе­ния растрового изображения и его постоянного циклического вы­вода на монитор (регенерации изображения). Необходимый объем определяется видеорежимом и типом графического адап­тера: для текстового режима MDA было достаточно 4 Кбайт, SCGA в режимах высокого разрешения требуется несколько ме­габайт видеопамяти. Специфика работы видеопамяти заключает­ся в необходимости обращения к ней со стороны процессора или графического акселератора одновременно с непрерывным про­цессом регенерации изображения.