Лекция 5 ВНУТРЕННЯЯ ПАМЯТЬ В персональных компьютерах используются несколько видов памяти

Лекция 5
ВНУТРЕННЯЯ ПАМЯТЬ
В персональных компьютерах используются несколько видов памяти
(запоминающих устройств), каждая из них может характеризоваться
важнейшими параметрами: емкостью и быстродействием. Различают
микропроцессорную память, регистровую КЭШ-память, основную память
(оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее
устройство) и внешнюю память. Эти четыре иерархических уровня памяти
ПК, расположены по их быстродействию.
Регистровая КЭШ-память
Регистровая КЭШ-память - высокоскоростная память сравнительно
большой емкости, являющаяся буфером между оперативной памятью и
процессором и позволяющая увеличить скорость выполнения операций.
Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название
КЭШ (Cache), в переводе с английского означает "тайник"/
В КЭШ-памяти хранятся данные, которые процессор получил, и будет
использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим
данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд
программы. При выполнении программы данные, считанные из оперативной
памяти с небольшим опережением, записываются в КЭШ-память.
Различают кеши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от
Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность
(время доступа), но малый размер, кроме того, кеши первого уровня часто
делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить
одновременно 64-битные запись и чтение, либо два 64-битных чтения за такт,
AMD K8L может производить два 128-битных чтения или записи в любой
комбинации. Процессоры Intel Core 2 могут производить 128-битные запись
и чтение за такт. Кеш 2-го уровня обычно имеет значительно большую
латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру.
Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же
он гораздо быстрее, чем оперативная память.
Оперативная память может строиться на микросхемах динамического
(Dinamic Random Access Memory – DRAM) или статического (Static Random
Access Memory
– SRAM) типа. Статический тип памяти обладает
существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже
динамического. Для регистровой памяти (процессорной и КЭШ-память)
используются SRAM, а ОЗУ основной памяти строится на базе DRAM
микросхем.
Основная память
Основная память содержит оперативное (RAM - Random Access
Memory – память с произвольным доступом) и постоянное (ROM – Read Only
Memory) запоминающие устройства,
Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения
информации (программ и данных), непосредственно участвующей в
вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК.
ОЗУ - энергозависимая память: при отключении напряжения питания
информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют большие
интегральные
схемы,
содержащие
матрицы
полупроводниковых
запоминающих элементов (триггеров).
Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде
отдельных микросхем типа SIMM , DIMM и RIMM.
SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти с однорядным
расположением выводов) могут иметь объем 256 Kb, 1, 2, 4, 8, 16 32 Mb. Для
соединения с материнской платой модуль имеет позолоченные полоски (так
называемые пины, pin).
DIMM (Dual Inline Memory Module модуль памяти с двойным
расположением выводов) имеет 168 контактов, которые расположены с двух
сторон модуля и разделены изолятором. Имеются четыре типа DRAM,
имеющие разъем DIMM – SDRAM (100-133 МГц), ESDRAM (200), SDRAM
II (DDR SDRAM(266 МГц)), SLDRAM(400 МГц), причем в основном
используются модули типа SDRAM и DDR SDRAM. Различаются типы, как
мы видим, по частотам работы модулей. Модули имеют емкость 16, 32, 64,
128, 256, 512 Мбайта.
RIMM (RDRAM) представляет собой спецификацию, созданную и
запатентованную фирмой Rambus. Рабочая частота памяти 800 МГц. Модули
имеют емкость 64, 128, 256 Мb.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) также строится на
основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется
для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ
операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и
некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода BIOS и др.
В последние годы в некоторых ПК стали использоваться
полупостоянные, перепрограммируемые запоминающие устройства FLASH-память (flash – вспышка, проблеск). Модули или карты FLASHпамяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы, они
имеют следующие параметры: емкость от 32 Кбайт и более, время доступа по
считыванию 0,06 мкс, время записи одного байта примерно 10 мкс, FLASHпамять - энергонезависимое запоминающее устройство. Для перезаписи
информации необходимо подать на специальный вход FLASH-памяти
напряжение программирования (12 В), что исключает возможность
случайного стирания информации. Перепрограммирование FLASH-памяти
может выполняться непосредственно с дискеты или клавиатуры ПК при
наличии специального контроллера либо с внешнего программатора,
подключаемого к ПК.
Важнейшая микросхема Flash-памяти – модуль BIOS. Роль BIOS
двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой
стороны — важный модуль любой операционной системы.
FLASH-память может быть полезной как для создания весьма
компактных быстродействующих альтернативных НЖМД запоминающих
устройств - "твердотельных дисков", так и для замены ПЗУ, хранящего
программы BIOS, позволяя "прямо с дискеты" обновлять и заменять эти
программы на более новые версии при модернизации ПК.
CMOS-память – энергозависимая, перезаписываемая память, которая
при своей работе почти не потребляет энергии. CMOS (Complementary Metal
Oxode Semiconductor) переводится как "комплиментарный металл – оксид –
полупроводниковый". Достоинства этой памяти – низкое потребление
энергии, высокое быстродействие. В CMOS-памяти ПК находятся важные
для его работы настройки, которые пользователь может менять (специальной
программой Setup, находящейся в BIOS) для оптимизации работы
компьютера. Питается эта память от небольшого аккумулятора, встроенного
в материнскую плату.
Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек
памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти
современных ПК обычно лежит в пределах от 16 и выше Мбайт (средняя
128).
Логическая структура основной памяти
Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех
других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное
пространство.
Адресное пространство - это совокупность тех ячеек памяти (обычно
байтов), которые процессор в состоянии адресовать.
Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо
максимальное количество разных адресов определяется разнообразием
двоичных чисел, которые можно изобразить в n разрядах, то есть адресное
пространство равно 2n, где n - разрядность адреса.
Оборудование ПК в принципе может уменьшать размер адресного
пространства, если адресная шина самого компьютера имеет меньшую
разрядность, причем такое соотношение разрядности адресных шин
практикуют.
Очевидно, размер адресного пространства ограничивает емкость памяти,
которой может комплектоваться машина. Так, если он составляет 16 Мбайт,
бессмысленно оборудовать ПК памятью большей емкости - к излишку
памяти доступ организовать будет невозможно, если не прибегать к
специальным аппаратно-программным ухищрениям.
Основная память в соответствии с методами доступа и адресации
делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг
друга области.
Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические
области, имеющие общепринятые названия:
- непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кb
ячеек с адресами от 0 до 1024 Кb – 1. В ПК с 8088 можно было адресоваться
к памяти объемом до 1024 Кб или 1 МБ. 1024 Кb разделены на 16 кусков.
Каждый такой кусок объемом 64 Кb называется сегментом памяти, сегменты
нумеруются от 0 до 9 и далее от А до F. На рис. представлена схема
распределения памяти (memory map) и показано место RAM и ROM в
типичном IBM-совместимом ПК. Стандартной памятью (CMA – Conventional
Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от
0 до 640 Кбайт (сегменты 0 – 9) и предназначены для RAM.
- расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при
использовании специальных драйверов (1024 Kb и выше).
Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024
Кb (сегменты А – F) называется верхней памятью {UMA – Upper Memory
Area). Это особые области RAM, зарезервированные, например, в качестве
памяти видеодисплея, и ROM. Общий объем зарезервированной оперативной
памяти - 384 Кb. Однако обычно в ней остаются свободные участки - "окна",
которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве
оперативной памяти общего назначения.
1024 Kb
Сектор F
BIOS ROM
Сектор E
ЗАРЕЗЕРВИРОВАНО
СекторD
ЗАРЕЗЕРВИРОВАНО
ROM
НЖМД
и
ROM
Сектор C
ВИДЕОАДАПТЕРОВ
Сектор B
RAM (ОЗУ) ВИДЕОАДАПТЕРОВ
СекторA
640 Kb
Сектор 9
Сектор 8
Сектор 7
Сектор 6
Сектор 5
Сектор 4
RAM (ОЗУ)
Сектор 3
Сектор 2
Сектор 1
64 Kb
Сектор 0
0 Kb
Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в
защищенном режиме работы микропроцессора.
В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но
только при использовании драйверов:
- по спецификации ХМS (эту память называют тогда XMА – eXtended
Memory Агеа);
- по спецификации ЕМS (встречается название ЕМ – Ехраnded Memory),
Расширенная память широко используется программами. Исключение
составляет небольшая 64-Кбайтам область памяти с адресами от 1024 до 1088
Кбайт (так называемая высокая память, иногда ее называют старшая, НМA Нigh Метогу Агеа), которая может адресоваться и непосредственно при
использовании драйвера Himem.sys (High Memory Mananger) в соответствии
со спецификацией ХМS. НМА обычно используется для хранения программ
и данных операционной системы.
В современных ПК существует режим виртуальной адресации (virtual –
кажущийся, воображаемый). Виртуальная адресация используется для
увеличения предоставляемой программам оперативной памяти за счет
отображения в части адресного пространства фрагмента внешней памяти.
ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ
Устройства внешней памяти или внешние запоминающие устройства
(ВЗУ) весьма разнообразны и различаются по виду носителя, типу
конструкции, по принципу записи и считывания информации и т.д. Основу
любого ВЗУ составляет носитель информации - материальный объект,
способный хранить информацию. Почти все типы ВЗУ обеспечивают
долговременное и энергонезависимое хранение информации.
В качестве ВЗУ широкое применение получили магнитные диски,
которые относятся к носителям информации с прямым доступом - способ
доступа к данным, при котором все элементы данных (намагниченные
участки поверхности диска) равнодоступны и для доступа к любому
элементу не требуется просмотр других элементов.
Широкое распространение получили лазерные технологии и различные
оптические накопители (CD-ROM), используемы только для чтения
информации и (СD-RW), позволяющие многократно записывать и стирать
информацию.
Говоря о магнитных носителях информации, необходимо упомянуть о
стримере, представляющем собой накопитель на магнитной ленте для
быстрой записи с жесткого диска и надежного сохранения больших объемов
данных. По существу стример - это цифровой кассетный магнитофон, в
котором используются специальные кассеты (картриджи) с магнитной
лентой емкостью до нескольких гигабайт.
Высокая надежность, компактность, небольшие габариты, удобство в
эксплуатации и низкая стоимость хранения единицы информации являются
отличительными особенностями наиболее широко используемых в ПК трех
основных типов накопителей: накопители на гибких магнитных дисках
(НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа
«винчестер» и накопители на оптических компакт-дисках СD-ROM,
некоторые характеристики которых приведены ниже.
Тип
накопителя
Емкость (Мбайт)
Время доступа
(мс)
Вид доступа
чтение и
запись
чтение и
НЖМД
10 и выше (средние 20 Гb)
8-20
запись
СD-RОМ
650-700
15-300
только чтение
Для работы с дисками (чтение и запись информации) используются
специальные устройства, подсоединяемые компьютеру, которые называются
дисководами.
Дискеты
Для хранения и транспортировки информации предназначены дискеты
(НГМД). Дискета это сменный магнитный диск на гибком носителе,
используемый в ПК в качестве внешней памяти прямого доступа. Дискеты
бывают двух типов: диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в футляре-конверте из
гибкого пластика (в настоящее время морально устарели и практически не
используются) и диаметром 3,5 дюйма (89 мм) в жесткой пластиковой
кассете. Дискеты легко снимаются с компьютера, что обусловливает
конфиденциальность записанной на них информации, обеспечивают
длительное хранение информации и защиту ее от несанкционированной
записи, удобны при переносе информации с одного компьютера на другой.
Основной характеристикой дискеты является количество размещаемой
информации или ее емкость. В настоящее время используются двусторонние
дискеты (Double Sided, DS, 2S). Они бывают двойной плотности (Double
Density, DD) и высокой плотности (High Density, HD). В табл. приведены
данные о емкости разных дискет, используемых в настоящее время.
РАЗМЕР DS/DD
DS/DD
5.25
360 Кb
1200 Kb
3.5
720 Кb
1.44 Mb
Так называемые трехдюймовые дискеты обычно имеют емкость 1,44
Мбайт, что эквивалентно 600-м стандартным страницам текста. Дискета
должна быть соответствующим образом подготовлена для чтения-записи
данных, т.е. форматирована (инициализирована) на необходимую емкость.
Обычно эта процедура выполняется программой DOS - format.
Жесткий диск
Все современные ПК оснащаются жестким диском (НЖМД), на котором
располагаются программы и данные, хранящиеся в компьютере. Жесткий
диск (НDD - Hard Disk Drive) или винчестер - это диск из сплава алюминия
или керамики, покрытый ферромагнитным слоем и расположенный вместе с
магнитными головками в герметически закрытом корпусе. Жесткий диск
устанавливается внутри системного блока, на передней панели которого
расположен индикатор работы жесткого диска. Термин "винчестер" возник
НГМД
0,36- 1,44
65 - 100
из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт
(1ВМ, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с
калибром "30/30" известного охотничьего ружья "Винчестер".
Устройство жесткого диска
Жесткий диск устроен следующим образом: на шпинделе, соединенным
с электромотором, расположен блок из нескольких дисков (блинов), над
поверхностью которых находятся головки для чтения/записи информации.
Форма головкам придается в виде крыла, и крепятся они на серпообразный
поводок. Диск разбит на дорожки (или треки), которые в свою очередь
поделены на сектора. Две дорожки, равноудаленные от центра, но
расположенные по разные стороны диска, называются цилиндрами. Каждая
дорожка диска разбита на секторы. В одном секторе дорожки может быть
записано 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно записывается 512 байт
данных. Обмен данными между диском и оперативной памятью
осуществляется последовательно целым числом секторов.
Кластер - это минимальная единица размещения информации на диске,
состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки
При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а
механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке,
выбранной для записи или чтения информации.
Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с
участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации. Файл это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива
данных. Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным
определенному количеству кластеров. Кластеры, выделяемые одному файлу,
могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти, и они
необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по
диску кластерах, называются фрагментированными. В случае FAT16 для
диска объемом 512 Мб кластер будет составлять 8 Кб, до 1 Гб - 16 Кб, до 2
Гб - 32 Кб и так далее.
Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо
указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер
головки). Такой способ адресации диска был широко распространен и
получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head,
sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому
впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS
определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255
головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось
использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления.
Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для
адресации емкость жесткого диска: 1024*16*63*512 = 504Mb.
Со временем, производители стали делать HDD большего размера.
Соответственно число цилиндров на них превысило 1024, максимально
допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако,
адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мбайтам, при условии,
что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со
временем было снято введением так называемого механизма трансляции
адресов, о котором чуть ниже.
Проблемы, возникшие с ограниченностью BIOS по части физической
геометрии дисков, привели, в конце концов, к появлению нового способа
адресации блоков на диске. Этот способ довольно прост. Блоки на диске
описываются одним параметром - линейным адресом блока. Адресация диска
линейно получила аббревиатуру LBA (logical block addressing). Линейный
адрес блока однозначно связан с его CHS адресом:
LBA = (CYL*HEADS + HEAD)*SECTORS + (SECTOR-1);
Введение поддержки линейной адресации в контроллеры жестких
дисков дало возможность BIOS'aм заняться трансляцией адресов. Суть этого
метода состоит в том, что если в приведенной выше формуле увеличить
параметр HEADS, то потребуется меньше цилиндров, чтобы адресовать то же
самое количество блоков диска. Но зато потребуется больше головок. Однако
головок-то как раз использовалось всего 16 из 255. Поэтому BIOS'ы стали
переводить избыточные цилиндры в головки, уменьшая число одних и
увеличивая число других. Это позволило им использовать разрядную сетку
головок целиком. Это отодвинуло границу адресуемого BIOS'ом дискового
пространства до 8Gb.
Дальнейшее увеличение адресуемых объемов диска с использованием
прежних сервисов BIOS стало принципиально невозможным. Действительно,
все параметры задействованы по максимальной "планке" (63 сектора, 1024
цилиндра и 255 головок). Тогда был разработан новый расширенный
интерфейс BIOS, учитывающий возможность очень больших адресов блоков.
Однако этот интерфейс уже не совместим с прежним, вследствие чего старые
операционные системы, такие как DOS, которые пользуются старыми
интерфейсами BIOS, не смогли и не смогут переступить границы в 8GB.
Практически все современные системы уже не пользуются BIOS'ом, а
используют собственные драйвера для работы с дисками. Поэтому данное
ограничение на них не распространяется. Но следует понимать, что прежде
чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна как
минимум его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система
вынуждена пользоваться BIOS'ом. Это и вызывает ограничения на
размещение многих систем за пределами 8GB, они не могут оттуда
загружаться, но могут читать и писать информацию (например, DOS который
работает с диском через BIOS).
Из всех внешних запоминающих устройств жесткие диски обеспечивают
наиболее быстрый доступ к данным и высокую скорость их чтения и записи.
Основные характеристики жесткого диска:
- емкость;
- быстродействие;
- используемый интерфейс (тип контроллера).
- скорость вращения шпинделя;
- плотность записи.
Максимальная емкость жестких дисков во многом определяет диапазон
применения компьютера и может достигать многих десятков Гбайт. Средняя
емкость для домашнего компьютера составляет 20 Гb.
Для оценки быстродействия HDD используются такие параметры как:
время доступа и трансфер. Время доступа - средний временной интервал, в
течение которого накопитель находит требуемые данные, - представляет
собой сумму времени для позиционирования головок чтения/записи на
нужную дорожку и ожидания нужного сектора. Трансфер - скорость
передачи данных при последовательном чтении,
Быстродействие жесткого диска характеризуется временем доступа к
данным на диске (3-4 мс) и скоростью чтения-записи данных, которая
зависит не только от диска, но и от его контроллера, типа шины и
быстродействия процессора. На сегодняшний день выпускаются диски со
скоростью передачи данных 66 и 100 Мb/с.
В настоящее время основные производители (Seagate Maxtor, Western
Digital (WD), Fujitsu, IBM, Quantum, Samsung) производят модели с двумя
скоростями вращения – 7200 и 5400 rpm. Скорость вращения шпинделя
измеряется в оборотах в минуту (rpm) Диски со скоростью вращения 7200
rpm дороже, чем диски 5400 rpm примерно на 10–15%.
Плотность записи не указывается на этикетке. Однако, этот параметр
очень важен при выборе жесткого диска, т.к. чем больше плотность записи,
тем больше информации помещается на одну дорожку, и, соответственно,
больше скорость считывания этой информации при одинаковой скорости
вращения диска. Ведущие производители дисков выпускают диски с
плотностью записи 40 Gb на пластину.
Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно
зависят от интерфейса, используемого накопителем. Распространенный
сейчас интерфейс АТ Attachment (АТА), широко известный и под именем
Integrated Device Electronics (IDE). Интерфейс ограничивает емкость одного
накопителя 504 Мb. Интерфейс FAST АТА - 2 или Enchanced IDE (ЕIDE)
использует как традиционную (но расширенную) адресацию и и адресацию
логических блоков. Интерфейс поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и
скорость обмена до 16 Мбайт/с.
Наряду с АТА и АТА-2 широко используются и две версии более
сложных дисковых интерфейсов SCSI ("скази") и SCSI-2 Их достоинства:
высокая скорость передачи данных, большое количество (до 7 шт.) и
максимальная емкость подключаемых накопителей, Их недостатки: высокая
стоимость (примерно в 3 - 4 раза дороже АТА), сложность установки и
настройки. Интерфейсы SCSI и SCSI-2 рассчитаны на использование в
мощных машинах-серверах и рабочих станциях.