Опишите основные виды памяти компьютера.
Одним из важнейших компонентов компьютера является его память. В памяти компьютера хранятся программы и данные. Существуют различные способы классификации памяти. Компьютерная память может быть разделена по скорости доступа к ней, например, медленная или быстрая; времени хранения данных: долговременная, кратковременная, постоянная и т.д.
Рассмотрим внутреннюю (электронную) и внешнюю память компьютера.
Внутренняя компьютерная память, размещаемая на системной плате, состоит из нескольких частей (рис. 1): оперативной памяти (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство), постоянной памяти (ПЗУ – постоянно запоминающее устройство), кэш-памяти. Единицами объема памяти являются бит и байт. Здесь бит (binary digit) – минимальный объем памяти, способной хранить одну двоичную цифру (0 или 1), различаемую устройствами считывания. Байт (byte) – 8 битов. Можно предложить и другое раскрытие понятия: байт – минимально возможный объем памяти, способный хранить один символ (букву, цифру, знак препинания, специальный символ и пр.). Внешняя память «питает» внутреннюю. Длительное хранение огромных массивов данных возложено как раз на нее. На сегодня три «кита», устойчиво составляющих внешнюю память, однозначно определены: НГМД, НЖМД и НОД. Диски на основе флэш–памяти тоже известны: ROWS–диски (Read Often, Write Seldom) – чтение часто (раз в 50 быстрее, чем НЖМД), запись редко (порядка 1,6 Кбит/с). Конечно, частота общения ОЗУ с различными устройствами внешней памяти неодинакова и определяется в первую очередь видом выполняемых работ.
Рисунок 1 – Типы памяти компьютера
Оперативная память (ОЗУ) используется в основном для размещения выполняемых пользователем программ и данных в течение всего времени работы компьютера. Кроме этого в оперативную память после включения компьютера записываются некоторые программы операционной системы. Эта часть оперативной памяти во время сеанса работы не доступна пользовательским программам.
Постоянная память (ПЗУ) содержит данные, используемые при работе с компьютером, которые при его отключении сохраняются. Данные в ПЗУ обычно записываются в процессе производства (однократно программируемая память). Однако в настоящее время используются электронные перепрограммируемые ПЗУ (многократно программируемая память). Постоянная память может строиться также по типу флэш-памяти.
Для ускорения работы компьютера разработчиками была создана быстрая по времени доступа кэш-память (англ. cache – склад, тайник). Идея использования кэш-памяти строится на том, что в ней хранятся наиболее часто используемые данные.
Каким бы ни был объем внутренней памяти компьютера, его всегда не хватает. В связи с этим большие объемы информации хранятся на внешней памяти, которая размещается на магнитных и оптических дисках.
К магнитным носителям информации относятся жесткий диск (винчестер) и гибкие диски — FDD (от англ. Floppy Disk Drive) — дискеты. Гибкий магнитный диск (флоппи–диск, дискета) представляет собой гибкую пластину с магнитным покрытием, помещенную в пластиковый чехол. Конструкции дисков зависят от их размеров.
Не вдаваясь в подробности механизма записи/считывания, отметим, что хранителем информации является магнитное покрытие. Его качество и состояние во многом определяют возможности НГМД. Пластмассовый чехол обеспечивает защиту покрытия от незначительных механических воздействий и в первую очередь от прикосновений пользователя. В трехдюймовых дисках щель для магнитной головки защищена от рук пользователя металлической шторкой.
Работать с диском можно только после того, как на нем создана определенная магнитная структура. Процесс создания магнитной структуры (или просто структуры) на диске называется форматированием. В результате форматирования на диске формируются дорожки, намагниченные определенным образом и сгруппированные по концентрическим окружностям частицы магнитного слоя. Дорожки делятся на части, снабженные адресными метками, позволяющими в дальнейшем осуществить поиск информации. Такие части принято называть секторами. Они являются основной единицей объема внешней памяти, выделяемого для хранения данных, так как независимо от объема записываемой/считываемой информации при обращении к диску записывается/считывается целое число секторов. Нумерация поверхностей и дорожек начинается с нуля, секторов – с единицы. Нулевая поверхность «отмечена» этикеткой, а нулевая дорожка – внешним краем дискеты. Форматированные и неформатированные диски внешне ничем не отличаются.
В настоящее время помимо магнитных дисков широко используются оптические (лазерные) диски. Принцип работы всех существующих ныне накопителей на оптических дисках основан на использовании лазерного луча для записи и чтения информации. В процессе записи лазерный луч (модулированный цифровым сигналом) оставляет на активном слое оптического носителя след, который затем можно воспринять по отражению «читающего» лазерного луча меньшей интенсивности.
Оптические компакт-диски делятся на CD-ROM (CD-R) (от англ. Compact Disk-Read Only Memory — компакт-диск, предназначенный только для чтения) и CD-RW (от англ. Compact Disk-ReWritable — перезаписывающиеся компакт-диски), а также цифровые видеодиски — DVD (от англ. Digital Video Disk — цифровой видеодиск). Объем информации, хранящийся на оптических дисках, может в настоящее время достигать 17 Гбайт и более.
В качестве внешней памяти широко используется флэш-память.
Рассмотрим один из видов магнитных носителей жесткий диск. Заметим, что все магнитные диски состоят из одного или нескольких алюминиевых дисков с магнитным слоем, при этом некоторые магнитные диски сейчас делаются из стекла. На рисунке 2 представлен жесткий диск с четырьмя дисками и устройство доступа к этому жесткому диску, имеющее специальные головки. Диски вращаются со скоростью от 60 до 120 оборотов в секунду. При этом с помощью головок выполняется процесс считывания или записи данных с магнитных дисков.
Рисунок 2 – Структура жесткого диска
Дорожки, на которые записываются данные на оптические диски, имеют спиральную форму, на магнитные диски - кольцевидную форму, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3
Информация на магнитном диске располагается на дорожках, которые разделены на секторы. В одном секторе дорожки может быть размещено 128, 256, 512 или1024 байта. Для сохранения файла дисковое пространство выделяется кластерами. Кластер – является минимальной единицей размещения информации на диске, которая состоит из одного или нескольких смежных секторов дорожки (Рис. 4). Если для размещения файла смежных кластеров не хватает, то для него выделяются другие несмежные кластеры. В результате возникает фрагментирование, которое снижает скорость считывания файла.
Рисунок 4
Для систематизации знаний о видах компьютерной памяти отметим, что она имеет пятиуровневую иерархическую организацию (рис. 5).
По мере движения по этой структуре сверху вниз изменяются две основные характеристики памяти: скорость доступа к ней от наносекунд к кэш-памяти, до десятка микросекунд к магнитным дискам и объем памяти - от кэш-памяти в несколько мегабайт до объема оптических дисков в десятки гигабайт.
Рисунок 5