Хранение данных в памяти ЭВМ.

Различают устройства хранения информации, реализованные в виде электронных схем, и накопители информации, при помощи которых данные записываются на какой-либо носитель, например магнитный или оптический (ранее использовались даже бумажные носители- перфокарты и перфоленты). Устройства, представляющие собой электронные схемы, отличаются небольшим временем доступа к данным, но не позволяют хранить большие объемы информации. Накопители информации наоборот дают возможность хранить большие объемы информации, но время ее записи и считывания больше.

Способы хранения битов в современных ЭВМ.Хранение бита в машине требует устройства, которое может находиться в двух состояниях, например, такого как выключатель (включен или выключен), реле (открыто или закрыто) пли флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

Триггер– это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остается неизменным до тех пор, пока кратковременный импульс, исходящий от другой цепи, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом триггер может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое — запоминанию двоичной единицы.

Современным способом хранения битов также является конденсатор, который состоит из двух небольших металлических пластин, расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии. Если к пластинам подсоединить источник напряжения: к одной пластине — положительный полюс, к другой — отрицательный, заряды из источника перейдут на пластины. Теперь, если убрать источник напряжения, то заряды останутся на пластинах. Если соединить пластины, то возникнет электрический ток, и заряды будут нейтрализованы. Таким образом, конденсатор может находиться в одном из двух состояний (заряжен и разряжен), одно из которых может быть принято за 0, другое — за 1. Современные технологии позволяют создать миллионы крошечных конденсаторов, объединенных в одну цепь на одной пластине (микросхеме, чипе). Поэтому конденсатор стал распространенным способом для хранения битов в машинах.

Триггеры и конденсаторы являются примерами систем хранения с различными степенями устойчивости. Триггер теряет введенные данные после отключения питания. Заряды конденсатора настолько слабы, что они имеют тенденцию рассеиваться сами по себе, даже когда машина включена. Следовательно, заряд конденсатора должен постоянно пополняться при помощи так называемой цепи регенерации. По причине этой неустойчивости память компьютера, построенная таким способом, часто называется динамической памятью. [1, 8]

Память.

Виды памяти показаны на рис. 1.2. Внутренняя памятьсостоит из оперативного и постоянного запоминающего устройства.

Рис. 1.2. Виды памяти ЭВМ.

Назначение оперативной памяти – хранение данных, которые могут потребоваться в ближайшее время. В оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое часто также называют оперативной памятью, с диска или дискет копируются (загружаются) программы, которые выполняются в данный момент. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах обычно составляет Гигабайты. В первых ПК фирмы IBM (1981г.) максимальный объем оперативной памяти был равным 640 Кбайт.

Структура памяти. Запоминающие схемы в оперативной памяти компьютера объединены в управляемые единицы, называемые ячейками памяти, при этом стандартный размер ячейки равен восьми битам или одному байту. Удобно конструировать оперативную память, в которой общее число ячеек является степенью двух. Небольшие компьютеры, применяемые в такой бытовой технике, например, в микроволновой печи, могут содержать оперативную память, насчитывающую только несколько сотен ячеек, в то время как большие компьютеры, используемые для хранения и обработки огромных массивов данных, могут содержать миллиарды ячеек в своей оперативной памяти.

Соотношения между единицами измерений памяти представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Единицы измерения памяти ЭВМ.

Хотя понятия «право» и «лево» не применимы по отношению к внутреннему строению машины, обычно считается, что биты внутри ячейки памяти упорядочены в строке. Последний бит левого конца называется старшим битом, так как если содержимое ячейки представляет собой число, то этот бит будет его старшим разрядом. Также бит, расположенный на правом конце, называют младшим битом.

Для того чтобы идентифицировать ячейки в оперативной памяти, каждой из них приписывается уникальное имя, которое называется адресом. Считается, что ячейки памяти расположены в ряд и пронумерованы по порядку, начиная с нуля. Такая система адресации не только позволяет единственным образом определить ячейку памяти, но также упорядочивает их, позволяя употреблять по отношению к ним такие выражения, как «следующая ячейка» или «предыдущая ячейка».

Важным следствием того, что и ячейки оперативной памяти, и биты в каждой ячейке упорядочены, является тот факт, что все биты в оперативной памяти, по существу, выстроены в длинный ряд. Следовательно, части этого ряда могут использоваться для хранения последовательностей битов, длина которых больше длины одной ячейки памяти. В частности, даже если память разделена на ячейки размером 1 байт, то мы можем хранить цепочку из 16 битов в двух последовательно расположенных ячейках.

Другим следствием представления оперативной памяти в виде упорядоченных ячеек с адресом является возможность индивидуального доступа к каждой ячейке, то есть данные, хранящиеся в оперативной памяти компьютера, могут обрабатываться в случайном порядке. Это объясняет то, что оперативную память часто называют памятью с произвольным доступом (RAM — Random Access Memory). Произвольный доступ к небольшим единицам данных (минимально это один байт) – коренное отличие оперативной памяти от устройств хранения данных, которые рассматриваются далее и в которых длинные последовательности байтов должны обрабатываться как блок. Когда оперативная память построена с использованием технологии динамической памяти (на конденсаторах), ее называют динамической памятью с произвольным доступом (DRAM - Dinamic RAM).

Для заполнения оперативной памяти схема, которая в действительности хранит биты, объединяется со схемой, необходимой для того, чтобы остальные схемы могли хранить и получать данные из ячеек памяти. Таким образом, другие схемы могут получить данные из памяти, запрашивая содержимое ячейки по определенному адресу (операцией чтения), или они могут записывать информацию в память, требуя, чтобы определенная последовательность битов была помещена в ячейку по определенному адресу (операцией записи).

Кэш память– это порция быстродействующей памяти (несколько килобайт), время отклика которой примерно равно времени отклика регистров. Часто она находится в центральном процессоре. В кэш-памяти машина хранит копию той части оперативной памяти, которая сейчас используется. При этом передача данных, которая обычно осуществляется между регистрами и оперативной памятью, происходит между регистрами и кэш-памятью. Все изменения потом передаются в оперативную память, но в более подходящее время.