Частина 2. Пам'ять комп'ютерів
2.1. Класифікація, призначення та основні характеристики пам'яті
Пам'ять призначена для приймання, фіксації та видачі інформації, яка використовується в процесі обчислень. До такої інформації відносяться вхідні дані, проміжні та вихідні результати обчислень, програми загального математичного забезпечення (керуючі програми – операційні системи (ОС), обслуговуючі програми – транслятори мов, бібліотека стандартних підпрограм), різноманітні константи, таблиці, робочі програми користувачів. Процесс фіксацій інформації в пам'яті називається процесом запису. Процес видачі – читанням. Звертання – це або запис, або читання.
Будь-яка пам'ять складається із запам'ятовуючого масиву, який в свою чергу складається з набору комірок. Кожна комірка призначена для зберігання одного машинного слова. Сама комірка складається із запам'ятовуючих елементів (1 біт машинного слова). Для того, щоб відрізняти комірки їх послідовно нумерують, номер комірки – її адреса.
По способу пошуку інформації в пам'яті розрізняють: адресну пам'ять, безадресну (спискову або стекову) пам'ять і асоціативну пам'ять. В адресній пам'яті пошук інформації відбувається по адресі. В стековій пам'яті місце доступу до інформції завжди постійне. В асоціативній пам'яті пошук інформації відбувається по деяким ознакам шуканого числа. В якості таких ознак може бути один розряд, группа розрядів або всі розряди шуканого. Як правило, до будь-якої пам'яті висувають дві суперечні умови: максимально можлива місткість при максимальній швидкодії.
Пам'ять комп'ютера має багаторівневу структуру (рис. 2.1)
де:
РП – регістрова
пам'ять
КЕШ – пам'ять-буфер
між оперативною пам'яттю (ОП) та
процессором
ОП – оперативна
пам'ять
БП – буферна
пам'ять
ЗП – зовнішня
пам'ять
Рис. 2.1
Регістрова пам'ять (РП) має дуже невеликий об'єм (~30 комірок). Кеш-пам'ять – це буфер між ОП та процесором. Пам'ять зберігає блоки данних тих областей ОП, до яких виникали або будуть виконуватись звертання у найближчий час. Кеш-пам'ять побудована на двохрівневій системі (L1 – внутрішньопроцесорна, L2 - зовнішня). Але найосновнішу роль виконує в комп'ютері ОП. ЗП - зовнішня пам'ять – це пам'ять, яка має відносно невелику швидкодію, але достатньо велику місткість.
Пам'ять може бути енергозалежною та енергонезалежною. В енергозалежній пам'яті інформація залишається після відключення живлення. Крім того, існує пам'ять в якій з часом інформація може бути загублена. В цій пам'яті треба виконувати режим регенерації інформації.
Основна характеристика – місткість, оцінюється числом розрядів, які зберігаються одночасно, N=pn, p – кількість слів, n – кількість розрядів в слові. Місткість пам’яті прийнято оцінювати у величинах кратних байту. Швидкодія оцінюється або часом доступу, або тривалістю одного циклу.
БП застосовується іноді. В залежності від фізичної організації окремих елементів розрізняють напівпровідникову пам'ять, пам'ять з використанням магнітних носіїв; в залежності від організації порядку доступу розрізняють пам'ять з прямим та послідовним доступом. В залежності від кратності запису розрізняють пам'ять зі стираним та нестираним записом.
Напівпровідникова інтегральна пам'ять (НП) застосовується найчастіше. Це пов'язано з тим, що вона має наступні переваги: гарну швидкодію, низьку вартість, малі габарити, можливість зчитування інформації без її руйнування; високу технологічність. Технології виготовлення електронної пам'яті подібні до технологій виготовлення інших пристроїв комп'ютера, у зв'язку з чим – повна сумісність вхідних та вихідних сигналів. Разом з тим напівпровідникова пам'ять володіє також і наступним недоліком: енергозалежністю (споживає енергію і при зберіганні інформації, при відключенні живлення – втрата інформації). При виготовленні елементів данного типу пам'яті використовуються всі відомі технології (рис. 2.2)
Рис. 2.2 - Технології, що використовуються у виготовленні
елементів ПП
Де: ТТЛ, ТТДШ - біполярна технологія з діодами Шоттки
ЕЗЛ еміторно-зв'язна логіка
І2Л – інжекційна логіка
n-МОП, р-МОП, k-МОП - уніполярна пам'ять
Найвищу швидкодію має пам’ять ЕЗЛ. Пам’ять на уніполярних транзисторах набагато економічніша. К-МОП нині застосовується найчастіше.
Статична пам’ять більш швидка і дорога. Нині статична пам’ять використовується в якості кеша.
30 нсек – час звертання до кеша (в той час, як до динамічної – 70 нсек)
Схема розподілу НП за призначенням показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3 Типи НП за призначенням
Особливий тип програмованої електронної пам'яті складає FLASH пам’ять. По способу доступу розрізняють пам’ять з довільним доступом і з послідовним доступом. Пам’ять з послідовним доступом будується на регістрах зсуву, причому для виготовлення регістра зсуву використовуються й інші технології, такі як ПЗЗ (прилади із зарядним зв’язком) та ЦМД (циклічні магнітні домени).