Память ЭВМ. Виды памяти

Памятью компьютера называется совокупность устройств, предназначенная для храненияпрограмм, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных.

Классификация памяти ЭВМ.

Классификацию памяти можно представить следующим образом (рис.3.5).

Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке процессором.

Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.

Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.

Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство(ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера, а также необходимая справочнаяинформация об аппаратных средствах ЭВМ.

Важнейшая часть ПЗУ в компьютере – это микросхема BIOS. BIOS (BasicInput/OutputSystem – базовая система ввода-вывода) – содержит совокупность программ, предназначенных для тестирования устройств, при включении питания компьютера, и для загрузки операционной системы в оперативную память. Таким образом, играет BIOS двойную роль: с одной стороны это неотъемлемый элементаппаратуры, а с другой стороны – важный модуль любой операционной системы.

Еще одна разновидность ПЗУ – это CMOS RAM. CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Она используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS RAM можно изменять специальной программой Setup (англ. Setup – устанавливать), находящейся в BIOS.

К энергозависимой внутренней памяти относятся регистровая память, кэш-память, оперативное запоминающее устройство(ОЗУ)и видеопамять.

В ОЗУ в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (RandomAccessMemory– память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро.

Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. В настоящее время видеопамять обычно располагается отдельно от ОЗУ на плате видеоадаптера.

Высокоскоростная кэш-память, как мы уже отмечали ранее, служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между процессором и ОЗУ.

Регистровая память представляет собой местную память процессора небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия. Эта память используется АЛУ при выполнении поступающих команд.

Внешняя память может быть с произвольным и последовательным доступом к ней. Устройствапамятис произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

Выделяют следующие основные типы устройств памятис произвольным доступом:

1.Накопители на жёстких магнитных дисках(винчестеры,НЖМД). На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Ёмкость современных винчестеров составляет от десятков до нескольких сотен гигабайт.

2.Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков, упакованных в пластиковый конверт (гибкий конверт у 5,25 дюймовых дискет и более жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная ёмкость 5,25 дюймовой дискеты - 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты - 1,44Мбайт. В настоящее время 5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются.

3.СD-ROM(CompactDiskReadOnlyMemory) – устройства для чтения с оптических компакт-дисков (CD-ROMкомпакт-дисков). CD-ROM компакт-диски (лазерные диски только для чтения) представляют собой пластиковые диски, на поверхности которых информация записана в виде "впадин" и "площадок", с нанесенным на них тонким слоем светоотражающего материала. При размерах 12 см в диаметре ёмкость лазерных компакт-диски составляет 650, 700, 800 Мбайт.

В настоящее время все более популярным становится формат компакт-дисков DVD, позволяющий, при тех же размерах носителя, записать информацию гораздо большего объема:

1) на односторонние однослойные диски 4,7 Гб;

2) на односторонние двуслойные диски 8,5 Гб;

3) на двусторонние однослойные диски 9,4 Гб;

4) на двусторонние двуслойные диски 17 Гб.

Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт-диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно. В связи с этим можно выделить три вида оптических дисков:

1) только для чтения;

2) для чтения и однократной записи;

3) длячтения и для многократной записи.

Диски второго и третьего вида имеют сложную многослойную структуру.

Устройства памяти споследовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1.Накопители на магнитных лентах(НМЛ)– устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры –имеют увеличенную скорость записи 4 - 5 Мбайт в секунду. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.

2.Перфокарты – карточки из плотной бумаги, и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.

Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие (малое время доступа к памяти), но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие (большое время доступа), но очень большой объем.

Перечислим виды памяти в ЭВМ по мере увеличения времени доступа к ним и объема: регистровая память, кэш-память, ОЗУ, НЖМД. Гибкие магнитные диски, оптические диски и магнитные ленты хранятся отдельно от компьютера, их количество может быть не ограниченным, поэтому в данном перечислении мы их не учитываем. Отметить только то, что время доступа к ним является наибольшим.

Устройства ввода

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard). Клавиатура – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода алфавитно-цифровой и управляющей информации.

Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели системного блока компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует нажатие клавиши в соответствующую последовательность битов (кодсимвола) и передает их компьютеру. Отображение символов, набираемых на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей или радиосвязи.

Наиболее важными характеристикамиклавиатуры являются: чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость хода клавиш и расстояние между клавишами. Долговечностьклавиатуры определяется количествомнажатий, которые она рассчитана выдержать. Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши,трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе с графическими редакторами, издательскимисистемами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для ввода управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, сверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану.

В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемникилазерных лучей (мини-видеокамеры), отраженных от поверхности стола.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров (ноутбуков) оснащаются встроенным трекболом.

Джойстикпредставляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основаниеснабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т.п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.

Различают сканерыручные, протягивающие и планшетные. В ручных сканерах пользователь сам ведет сканер по поверхности изображения или текста. Протягивающие сканеры предназначены для сканирования изображений на листах только определенного формата. Протягивающее устройство таких сканеров последовательно перемещает все участки сканируемого листа над неподвижной светочувствительной матрицей. Наибольшее распространение получили планшетные сканеры, которые позволяют сканировать листы бумаги, книги и другие объекты, содержащие изображения. Такие сканеры состоят из пластикового корпуса, закрываемого крышкой. Верхняя поверхность корпуса выполняется из оптически прозрачного материала, на который кладется сканируемое изображение. После этого изображение закрывается крышкой и производится сканирование. В процессе сканирования под стеклом перемещается лампа со светочувствительной матрицей.

Главные характеристики сканеров:

1) скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pagesperminute – ppm),

2) разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dotsperinch – dpi).

Устройства вывода

После ввода пользователем исходных данных, компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме, удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредством устройств вывода.

Выводимая информация может отображаться в графическом виде, для этого используются мониторы,принтеры и т.п.Информация может также воспроизводиться в виде звуков с помощью акустических колонок или стереонаушников, регистрироваться в виде тактильныхощущений (осязание) в технологии виртуальной реальности и т.д.

Монитор (дисплей)является основным устройством вывода графической и текстовойинформации. Поразмеру диагонали экрана выделяют мониторы 14-дюймовые, 15-дюймовые, 17-дюймовые, 19-дюймовые, 21-дюймовые. Чем больше диагональмонитора, тем он дороже. Поцветностимониторы бывают монохромные и цветные.

Изображение на экране монитора образуется из светящихся разными цветами точек, называемых пикселями (это название происходит от picturecell – элемент картинки). Пиксель – это самый мелкий элемент, который может быть отображен на экране. Чем качественнее монитор, тем меньше размер пикселей, тем четче и контрастнее изображение, тем легче прочесть самый мелкий текст, а значит, и меньше напряжение глаз.

Попринципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (CathodeRayTube – CRT) и жидкокристаллические (LiquidCrystalDisplay - LCD).

В мониторах с электронно-лучевой трубкой изображение формируется с помощью зерен люминофора – вещества, которое светится под воздействием электронного луча. Различают три типа люминофоров в соответствии с цветами их свечения: красный, зеленый и синий. Цвет каждой точкиэкрана определяется смешением свечения трех разноцветных точек (триады), отвечающих за данный пиксель. Яркость соответствующего цвета меняется в зависимости от мощности электронного пучка, попавшего в соответствующую точку.

Электронный пучок формируется с помощью электронной пушки. Электронная пушка состоит из электродаэмитирующего (излучающего) электроны, ускоряющей сетки, фокусирующей и отклоняющей системы. Отклоняющая и фокусирующая система управляет пучком электронов, путем воздействия на него магнитным и электрическимполями. В соответствии с сигналамиразвертки, подаваемыми на электронную пушку, электронный луч пробегает по каждой строчке экрана, последовательно высвечивая соответствующие точки люминофора. Дойдя до последней точки, луч возвращается к началу экрана. Таким образом, в течение определенного периода времени изображение перерисовывается.

Частотусмены изображений определяет частота горизонтальной синхронизации. Это один из наиболее важных параметров монитора, определяющих степень его вредного воздействия на глаза. В настоящее время гигиенически допустимый минимум частоты горизонтальной синхронизации составляет 80 Гц, у профессиональных мониторов она составляет 150 Гц.

Современные мониторы с электронно-лучевой трубкой имеют специальное антибликовое покрытие, уменьшающее отраженный свет окон и осветительных приборов. Кроме того, монитор покрывают антистатическим покрытием и пленкой, защищающей от электромагнитного излучения.

Жидкокристаллические мониторы имеют меньшие размеры, потребляют меньше электроэнергии, обеспечивают более четкое статическое изображение. В них отсутствуют типичные для мониторов с электронно-лучевой трубкой искажения.

Принцип отображения на жидкокристаллических мониторах основан на поляризации света. Источником излучения здесь служат лампы подсветки, расположенные по краям жидкокристаллической матрицы. Свет от источника света однородным потоком проходит через слой жидких кристаллов. В зависимости от того, в каком состоянии находится кристалл, проходящий луч света либо поляризуется, либо не поляризуется. Далее свет проходит через специальное покрытие, которое пропускает свет только определенной поляризации. Там же происходит окраска лучей в нужную цветовую палитру. Жидкокристаллические мониторы практически не производят вредного для человека излучения.

Принтеры – это устройства для вывода информации из компьютера на бумагу или другой носитель (пленку, ткань) небольшого формата. Принтеры классифицируются:

- по способу получения изображения:литерные,матричные, струйные, лазерные и термические;

- по способу формированияизображения: последовательные, строчные, страничные;

- по способу печати:ударные, безударные;

- по цветности:чёрно-белые, цветные.

Наиболее распространены матричные, лазерные и струйные принтеры.

Матричные принтеры схожи по принципу действия с печатной машинкой. Печатающая головка перемещается в поперечном направлении и формирует изображение на бумаге из множества точек, ударяя иголками по красящей ленте. После формирования очередной строчки изображения бумага перемещается в продольном направлении. Полиграфическое качество изображения, получаемого с помощью матричных принтеров низкое и они шумны во время работы. Основное достоинство матричных принтеров – низкая цена расходных материалов и невысокие требования к качеству бумаги.

Струйный принтер относится к безударнымпринтерам. Изображение в нем формируется с помощью чернил, которые распыляются через капиллярыпечатающей головки.

Лазерный принтер также относится к безударным принтерам. Он формирует изображение постранично. Первоначально изображение создается на фотобарабане, который предварительно электризуется статическим электричеством. Луч лазера в соответствии с изображением снимает статический заряд на белых участках рисунка. Затем на фотобарабан наносится специальное красящее вещество – тонер, который прилипает к фотобарабану на участках с неснятым статическим зарядом. Затем тонер переносится на бумагу и нагревается, в результате чего частицы тонера плавятся и прилипают к бумаге.

К основным характеристикам принтеров можно относятся:

- ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4;

- скорость печати, измеряемая количеством листов, печатаемых в минуту;

- качество печати, определяемое разрешающей способностью принтера, т.е. количеством точек на дюйм линейного изображения. Чем разрешение выше, тем лучше качествопечати.

- расход материалов: лазерным принтером – порошка, струйным принтером – чернил, матричным принтером – красящих лент.