Внутренняя и внешняя память

Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройства ввода-вывода. Память делится на 2 части – внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый адресацией машины. Внутренняя память делится на оперативную и постоянную.

Внешняя память – предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для внешней памяти используют энергонезависимые носители. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Основной характеристикой модулей оперативной (внутренней) памяти является малое время доступа к информации (считывания/записи данных).

Основной функцией внешней памяти ПК является способность долговременно хранить большой объем информации (на накопителях или дисководах).

Физические свойства:

Внутренняя память

– электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной материнской плате или на платах расширения. Это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания (т.е. энергозависима);

– быстрая память (чтение и запись происходят быстро);

– небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Внешняя память

– память, реализованная в виде устройств с различными типами хранения информации и обычно с подвижными носителями;

– энергонезависима;

– медленная (по сравнению с оперативной);

– объем гораздо больше.

Информационная структура внутренней памяти – биты-байты. Во внешней памяти все программы и данные хранятся в виде файлов.

Виды внутренней памяти:

По способам хранения информации внутренняя память делится на несколько видов:

1. ОЗУ (Оперативная память) – см. ниже.

2. ПЗУ (BIOS) – см. ниже.

3. ППЗУ (Flash) – перепрограммируемое запоминающее устройство, способное длительно хранить информацию. Конструкция как у ПЗУ, только можно перепрограммировать. Применяется в CMOS, сотовых телефонах, пейджерах и т.п. Эта память энергонезависима.

1. Оперативная память (ОЗУ, RAM)

Этот уровень памяти подобен кратковременной памяти человека. В оперативке на стадии выполнения могут одновременно находится несколько программ. Кроме того, в оперативке могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные. По объему оперативная память составляет большую часть внутренней памяти. Объем установленной в компьютере оперативки определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативки многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать очень медленно.

Оперативная память – это последовательность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную комбинацию из нулей и единиц – один байт. Эти ячейки нумеруются порядковыми номерами, начиная с нуля. Номер ячейки называется адресом того байта, который записан в ней в данный момент. Адрес физической ячейки – всегда один и тот же, а содержимое может меняться от 0 до 255 (в десятичном представлении). Содержимое каждого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан или записать в этот байт другой код. Поэтому оперативку называют еще памятью с прямым или произвольным доступом и обозначают RAM (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство). Максимально возможный объем оперативки, который называется адресным пространством, и объем памяти, фактически присутствующий в ЭВМ являются важнейшими характеристиками компьютера в целом. Стандартным для современных компьютеров общего назначения считается объем оперативки 32 – 64 Мб, а во многих случаях рекомендуется 128 – 256 Мб. Последние на сегодняшний день модели компьютеров имеют теоретический предел оперативки 64 Гб.

Особенностью ОЗУ является способность хранить информацию только во время работы машины. Когда вы включаете компьютер, в оперативную память заносятся цепочки байтов, в которых хранится ОС. Далее, туда заносятся различные прикладные программы и данные. Содержимое многих ячеек памяти постоянно изменяется в процессе работы программ. Оперативная память – это черновик, где временно записываются программы, данные и результаты обработки. После загрузки новой программы, прежнее содержимое ОЗУ замещается новым, а после выключения компьютера пропадает вовсе, т.е. оперативная память энергозависима. Особенностью оперативки также является высокая стоимость.

Физически оперативная память выполняется в виде плат, на которых размещаются микросхемы. Плата – прямоугольная пластина стандартных размеров из специального материала, на которой размещаются разъемы для крепления микросхем, а также выполняется монтаж электронных схем питания микросхем и их подсоединения к остальным компонентам компьютера. При наращивании, расширении оперативки приходится учитывать тип уже установленных модулей.

Разновидности ОЗУ:

Современные полупроводниковые микросхемы ОЗУ бывают двух видов: статические и динамические.

Базовым элементом статической памяти служит триггер. Одно из его устойчивых состояний принято за логический 0, другое – за 1. При отсутствии внешних воздействий эти состояния могут храниться сколь угодно долго.

Динамические элементы памяти этим свойством не обладают. Они представляют собой конденсатор, который в заряженном состоянии соответствует 1, в разряженном – 0. Существенным недостатком является наличие постепенного самопроизвольного разряда, что ведет к потере информации. Чтобы этого не происходило, конденсатор надо периодически подзаряжать. Этот процесс называется регенерацией ОЗУ.

Статическая память гораздо проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации и приближается по скорости к быстродействию процессора. Зато статическая память имеет меньший информационный объем, большую стоимость и сильнее нагревается при работе.

Никакой из этих видов ОЗУ не является идеальным.

Управление оперативной памятью. Память состоит из отдельных элементов, каждый из которых предназначен, для хранения минимальной единицы информации – одного байта. Каждому элементу соответствует уникальный числовой адрес. Первому элементу присвоен адрес 0, второму – 1 и т.д,, включая последний элемент, адрес которого определяется общим количеством элементов памяти минус единица. Обычно адрес задается шестнадцатеричным.

Сегменты. Процессор компьютера делит память на блоки, называемые сегментами. Каждый сегмент занимает 64 Кбайт и каждому сегменту соответствует уникальный числовой адрес. Процессор имеет четыре регистра сегмента.

Регистр – это участок сверхоперативной памяти процессора, предназначенной для хранения информации. Процессор использует регистры при выполнении расчетов и сохранении промежуточных результатов. После завершения действий результат должен быть переписан из регистра в ячейки ОЗУ. Регистры сегмента предназначены для хранения адресов отдельных сегментов. Они называются CS (сегмент кода), DS (сегмент данных), SS (сегмент стека) и ES (запасной сегмент). Кроме указанных, процессор имеет еще 9 регистров, а именно – регистры IP (указатель команды) и SP (указатель стека).

Доступ к памяти. Доступ к ячейкам памяти осуществляется посредством соединения содержимого регистра сегмента с содержи­мым того или другого регистра. Таким образом определяется адрес требуемого участка памяти.

2. Постоянная память (ПЗУ, ROM)

Отличается тем, что запись информации в ПЗУ осуществляется только 1 раз на заводе-изготовителе. И в дальнейшем из этой памяти возможно только чтение. Эта память энергонезависима, т.е. при выключении компьютера содержимое памяти не исчезает. Используется для хранения наиболее важных и часто используемых служебных программ, присутствие которых постоянно нужно компьютеру. Обычно это компоненты ОС (программа первоначальной загрузки), программы контроля оборудования.

Базовая система ввода-вывода (Base Input Output System), находящаяся в постоянной памяти (ПЗУ) компьютера содержит программы для проверки оборудования ПК, программы для считывания и передачи управления операционной системе и программы для выполнения базовых (низкоуровневых) операций ввода-вывода с монитором, клавиатурой, дисками и принтером. BIOS играет роль своеобразного толкователя приказов программ для аппаратуры. Программы пользователя и ОС выдают такие приказы, а BIOS доводит их до сведения аппаратуры в виде, понятном ей.

Другие виды внутренней памяти:

4. Кэш-память

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхоперативная кэш-память, которая располагается между процессором и оперативкой и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативки. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти, поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к оперативке. Объем кэш-памяти 128-512 Кб. По структуре и принципу работы не отличается от оперативки, но скорость передачи данных значительно выше. Стоит дороже оперативки. В современных машинах предусматривается несколько уровней кэш-памяти. Кэш-память – это статическая память, которая служит для ускорения доступа к медленной динамической памяти.

5. CMOS-RAM– участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера (SETUP). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера, пароль и т.п. Программа настройки вызывается, если при начальной загрузке компьютера нажать Del.

6. Видеопамять– память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Карта памяти DOS:

Расширенная память – вся память выше 1024 Кб (1Мб). Она делится на две области: HMA (область высокой памяти, объем равен 64Кб) и дополнительная память XMS.XMS память используют только некоторые утилиты MS-DOS, такие как smartdrive и ramdrive. Для работы с этой памятью нужен специальный драйвер himem.sys.

Отображаемая память (EMS) – память, адресуемая микропроцессорами по спецификации EMS. Для инициализации отображаемой памяти нужен специальный драйвер. До его загрузки ПК не "узнает" об установленной плате расширенной памяти. Драйвер EMS отводит определенную часть верхней памяти для того, чтобы поочередно отображать в нее требуемые участки расширенной памяти. Каждый участок расширенной памяти, отображаемый в данный момент, называется страницей, а "окно" в области UMB, через которое микропроцессор просматривает содержимое страниц расширенной памяти – страничным блоком.

Расширяемая память является результатом появления в среде MS-DOS устойчивых традиций использования страничной памяти. При этом подходе большой раздел памяти, который лежит вне адресного пространства процессора, "отображается" малыми областями на многие маленькие разделы памяти, лежащие внутри адресного пространства процессора. В то время как процессор не может адресовать большой раздел памяти непосредственно, он может выбрать или дойти до любой конкретной части, подобно выбору страницы в книге.

В спецификации расширяемой памяти MS-DOS или EMS большая физическая память отображается в 16-килобайтные разделы памяти MS-DOS, называемые страницами. Соответствующее 16-килобайтное адресное пространство в памяти MS-DOS называется страничным блоком. Количество поддерживаемых страничных блоков и размещение их внутри системы MS-DOS изменяется в зависимости от типа платы используемой расширяемой памяти, и существующей конфигурации системы.

Himem.sys

Обеспечивает стандарт XMS для доступа к верхней памяти. Для того, чтобы установить этот драйвер достаточно команды в config.sys: device = c:\путь\himem.sys. DOS = HIGH устанавливают вместе с himem.sys для загрузки ядра MS-DOS в область высокой памяти.

Emm386.exe

Драйвер – диспетчер отображаемой памяти. Он выполняет две основные функции: 1) использует память XMS поставляемую himem.sys для работы отображаемой памяти. 2) обеспечивает программам DOS доступ к страшим адресам памяти UMB.

Для того чтобы загрузить драйвер emm386 достаточно поместить в config.sys 2 команды:

device = c:\путь\himem.sys и device = c:\путь\emm386.exe ram.

Без первой команды вторая работать не будет. Параметр RAM указывает сегментные адреса блоков UMB. Если RAM без адресов, то emm самостоятельно определит адреса для UMB и страничный блок EMS.

Внешняя память

Внешняя память – место длительного хранения данных, не используемых в данный момент в оперативке. Этот уровень памяти похож на вспомогательные средства, используемые человеком для долговременного хранения важных сведений (записные книжки, справочники, фотоальбомы, звуко- и видеозаписи). Эти носители информации считаются внешними по отношению к внутренней памяти человека.

Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для долговременного хранения больших массивов информации – программ и данных. Во внешней памяти данные могут храниться годами, пока не потребуются.

Программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться, а данные не могут быть обработаны. В этом и состоит главное отличие внешней памяти от оперативки. Во внешней памяти программы и данные хранятся в «нерабочем состоянии», в оперативной – программы и данные хранятся только во время выполнения. Для того, чтобы выполнить программу с внешней памяти, ее сначала нужно найти на внешнем устройстве и перенести в оперативную память, где она сможет выполниться.

Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой программы, а инициирование (начало) ее выполнения называют запуском программы.

Важной особенностью внешней памяти является ее энергонезависимость. Кроме того, внешняя память гораздо меньше стоит и имеет значительно больший объем по сравнению с оперативной. Зато скорость передачи данных с внешними запоминающими устройствами значительно меньше.

Необходимость во внешних устройствах хранения данных возникает в двух случаях:

- когда на вычислительной машине обрабатывается больше данных, чем можно разместить на базовом жестком диске;

- когда данные имеют повышенную ценность и нужно выполнять регулярное резервное копирование на внешнее устройство.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя(устройства обеспечивающего считывание и запись информации) и носителя (устройства хранения информации).

Внешние запоминающие устройства по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах).

В настоящее время в качестве внешней памяти в основном используются гибкие магнитные, жесткие магнитные, оптические и магнитооптические диски. Использование магнитных лент стремительно устаревает.

Основные накопители и носители: