Устройства памяти

Введение
Современную жизнь уже нельзя представить себе без компьютеров, они присутствуют со всех сферах человеческой деятельности. Общее представление о строении и функционировании персональных компьютеров представляется важным и полезным не только для специалистов, но и для всех рядовых пользователей электронной техники.
В данной работе рассмотрен один из основных компонентов компьютеров – их память. Целью работы было определение назначения, устройства и функционала разных видов компьютерной памяти, физические принципы их работы и разные способы аппаратной реализации. Предмет исследования – машинная память и особенности её функционирования.
Для достижения цели работы были изучены научные, энциклопедические и справочные материалы по предмету исследования, специализированные публикации в отечественных и зарубежных тематических изданиях.
Работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка источников.
ГЛАВА 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПАМЯТЬ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ
Память – один из ключевых компонентов вычислительных машин, часть системы, предназначенная для хранения данных и используемая в вычислениях на разных их этапах. В современном мире под вычислительными машинами подразумеваются прежде всего компьютерные системы, т. е. электронные вычислительные машины (ЭВМ) – устройства на электронных компонентах, использующие цифровой формат (дискретные состояния) сигналов и данных. Но следует заметить, что разработкой вычисляющих устройств человечество занимается как минимум с 17 века. Важной частью аналитической машины Чарльза Бэббиджа являлся «склад» (store) для хранения промежуточных результатов вычислений, который в 1830-х предполагалось реализовывать сугубо механическим способом – кручением валов и шестерёнок.
Под памятью вычислительной системы понимают как некоторое физическое устройство (запоминающее устройство, ЗУ), так и среду для хранения данных. К основным параметрам запоминающих устройств относятся их информационная ёмкость, время обращения и стоимость. Обычно под ёмкостью понимается только полезный объём для хранения информации, не включающий память на служебную информацию, контрольные разряды и байты, резервные области (например, интервал между концом дорожки диска и её началом), дорожки синхросигналов и пр. [7] Ёмкость двоичных цифровых запоминающих устройств измеряется в битах.
Память является обязательной частью схемы вычислительных машин с 1940х годов. Эту схему часто называют архитектурой фон Неймана, хотя в её разработке участвовали также и другие специалисты – Герман Голдстайн, Джон Мокли, Джон Преспер Экерт, Артур Бёркс и др. R середине 1940х оформилась общая концепция компьютерной памяти, которая работает до сих пор. Принципы построения вычислительных систем были изложены в публикации от июня 1946 года «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» [3]. Основные положения этой статьи:
- обоснование использования двоичного кода для хранения данных как наиболее простой и технически удобной системы (ранее обрабатываемые числа хранились в десятичном виде),
- принцип «хранимой программы», т. е. в памяти сохраняются не только сами данные, но и инструкции по их обработке.
Отказ от ручных переключателей на коммутационной панели, использовавшихся в ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, 1945), был декларирован годом ранее в 100-страничном отчёте Джона фон Неймана [9]. Хранение программы работы вычислительной машины в памяти самой машины позволило модифицировать программу с помощью самой машины – это стало весьма значительным шагом в развитии компьютеров.
Схема архитектуры фон Неймана представлена на рис. 1. Реализация принципа хранимой программы (запоминание программы вместе c исходными данными в одной и той же оперативной памяти) заключается в том, что при работе ЭВМ команды выбираются из памяти в устройство управления, a операнды – в арифметико-логическое устройство (АЛУ). Для машины и команда, и число хранятся в виде двоичного кода из нулей и единиц и не имеют принципиальных отличий. Если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ней можно выполнять арифметические операции. Это даёт возможность преобразования программ в процессе их выполнения [2; 9].
Рис. 1 Архитектура фон Неймана
Компьютеры с реализованной архитектурой фон Неймана стали появляться с 1948 г. Со временем обнаружилось узкое место этой схемы: совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к ограничению пропускной способности между процессором и памятью в сравнении с объёмом памяти. Скорость процессора и объём памяти по мере совершенствования компьютеров увеличивались быстрее, чем пропускная способность между ними, поэтому проблема довольно скоро. Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввёл Джон Бэкэс в 1977 г. в лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?» (англ. Can programming be liberated from the von Neumann style?: a functional style and its algebra of programs) [1]. Путей решения проблемы предложено несколько: совершенствование систем кэш-памяти (CPU cache, кэш процессора – современные процессоры имеют несколько специализированных и многоуровневых кэшей), модифицированные и расширенные Гарвардские архитектуры с физически разделёнными линиями передачи команд и данных, а также гибридные архитектуры, сочетающие элементы разных схем.
К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление её работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств [6; 7].
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПАМЯТИ
Задача компьютерной памяти состоит в хранении информации, что представляет собой запись в ячейки памяти состояния внешнего воздействия. Ячейки памяти могут фиксировать различные физические воздействия. Функционально ячейки памяти аналогичны электромеханическому переключателю и сохраняют информацию в виде двух однозначно различимых состояний – 0 и 1 («выключено» / «включено»).
Основная память компьютера структурно состоит из нумерованных ячеек, при этом процессор в произвольный момент имеет доступ к любой ячейке. Для доступа используются номера ячеек – их адреса (принцип адресности).
Компьютерная память реализуется в виде запоминающих устройств. В основе функционирования запоминающего устройства может лежать какой-либо физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям:
наличие или отсутствие заряда в конденсаторе,
физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1,
устойчивые состояния, определяемые направлением намагниченности, позволяют использовать для хранения данных магнитные материалы,
отражение или рассеяние света от поверхности CD, DVD, Blu-ray-диска.
На основе этих эффектов компьютерная память современных вычислительных машин может быть реализована в разных средах: на полупроводниковых интегральных схемах (RAM – оперативная память; SSDs – solid-state drives – твердотельные накопители, обычно с использованием флеш-памяти, но бывают и на основе DRAM-памяти с аккумулятором), на магнитных (HDD – Hard disk drive – жёсткий диск; 5" и 3" дискеты – floppy disk) и оптических носителях (CD, CD-ROM, DVD, BD-ROM, CD-R, DVD-R, DVD+R, BD-R, CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM, BD-RE).
Начиная с третьего поколения компьютеров большинство электронных узлов выполняются на микросхемах, в том числе и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ОЗУ представляют собой либо массив триггеров (статическая память, SRAM), либо массив конденсаторов (динамическая память, DRAM). Микросхемы оперативной памяти (DRAM, dynamic random access memory – динамическая память с произвольным доступом) содержат ёмкостные ячейки в полупроводниковом материале. Это полупроводниковые интегральные схемы. Физически модуль памяти DRAM представляет собой печатную плату с расположенными на ней микросхемами памяти и разъёмом для подключения к материнской плате.
Массив памяти DRAM можно понимать как матрицу (двумерный массив) элементов, каждый из которых содержит одну или несколько физических ячеек (в зависимости от конфигурации микросхемы), вмещающих элементарную единицу информации – один бит данных. Ячейки представляют собой сочетание транзистора (ключа) и конденсатора (запоминающего элемента, в некоторых вариантах схем их два на ячейку). DRAM хранит бит данных в виде заряда конденсатора. Конденсатор заряжается до высокого либо низкого напряжения, что соответствует логическим 1 или 0, а транзистор выполняет функцию ключа, подключающего конденсатор к схеме управления на том же чипе. Доступ к элементам такой матрицы осуществляется с помощью декодеров адреса строки и адреса столбца, которые управляются сигналами RAS# (сигнал выбора строки, Row Access Strobe) и CAS# (сигнал выбора столбца, Column Access Strobe). [8]
DRAM энергозависима: выключение питания, даже краткое, приводит к искажению или полному уничтожению информации.
Доступ к памяти осуществляется под управлением отдельного специализированного устройства – контроллера памяти – и разбит на несовпадающие во времени процессы записи и чтения информации. Под контроллером памяти понимается цифровая схема, управляющая потоками данных между вычислительной системой и оперативной памятью. Такая схема может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирована в более сложную схему. Контроллер памяти содержит логические цепи, необходимые для осуществления операций чтения и записи данных в DRAM.
ГЛАВА 3. ВИДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПАМЯТИГруппы объектов можно классифицировать разными способами – в зависимости от критериев. Для классификации предмета исследования данной работы возьмём в качестве критерия актуальнейший для современного человечества пунктик – энергозависимость. Все изобретённые за время эволюции компьютеров типы памяти можно разделить на две больших группы - энергозависимые (требующие для удержания записанной информации постоянного электропитания) и энергонезависимые.
Энергозависимыми являются разные типы динамической и статической памяти с произвольным доступом – DRAM (в т. ч. DDR SDRAM), SRAM, а также перспективные типы T-RAM (тиристорная память), Z-RAM, TTRAM. К этой же группе относятся ныне устаревшие виды памяти на электронно-лучевых трубках и на линиях задержки.
Энергонезависимые типы памяти хранят данные без потребности в электропитании:
NVRAM – Non Volatile Random Access Memory: флеш-память (см. ниже), 3D XPoint (для записи информации в ячейках памяти используется изменение сопротивления материала),
различные типы постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) – PROM, EPROM, EEPROM;
перспективные разработки CBRAM, SONOS, RRAM (резистивная), беговая память (на спиновых токах), Nano-RAM (углеродные нанотрубки), Millipede (сканирующий зондовый микроскоп),
устаревшие виды памяти на твисторах, на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и др.
Небольшая память для хранения настроек BIOS питается от компактной батарейки, закреплённой на плате, и считается условно энергонезависимой.
С точки зрения механизмов функционирования память бывает оперативной и долговременной (между прочим, не только у компьютеров, но и «естественная» человеческая память тоже). Информация в оперативной памяти может сохраняться до перезагрузки компьютера либо до завершения работы конкретной программы (а также до внезапного отключения электричества). Долговременная память в компьютере реализована в форме жёстких дисков.
Рассмотрим теперь немного подробнее некоторые виды компьютерной памяти и запоминающих устройств.
Оперативная память (память с произвольным доступом – Random Access Memory, RAM) – часть компьютерной памяти, содержащая данные (входные, промежуточные, выходные) и машинный код (программы), обрабатываемые в данный момент процессором. Соответственно, от объёма оперативной памяти зависит количество задач, одновременно выполняемых компьютером. Аппаратно функции оперативной памяти реализуются в виде отдельных внешних модулей ОЗУ или могут располагаться на одном кристалле с процессором (однокристальные микроконтроллеры). Эта память энергозависимая – данные сильно искажаются либо полностью разрушаются даже при кратковременном отключении электропитания. При переводе компьютера в режим гибернации (сна) питание ОЗУ отключается, и для сохранения содержащихся там данных (и возможности пользователю позднее продолжить работу с прерванного места) они перезаписываются на ПЗУ (в swap-раздел жёсткого диска, в специальный системный файл и т.д.).
При запуске компьютера в оперативную память загружаются программы, находящиеся в автозагрузке (и чем их там больше, тем медленнее загружается компьютер). В помощь ОЗУ операционная система создаёт на жёстком диске файл подкачки – область виртуальной памяти, куда автоматически сбрасываются из оперативной памяти наименее востребованные на текущий момент программы. Особенность: 32-битные операционные системы «не видят» установленные ОЗУ объёмом более 4 ГБ.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM – Read-Only Memory) – энергонезависимая память для хранения массива неизменяемых данных. В постоянную память часто записывают микропрограмму управления электронным устройством: сотовым телефоном, телевизором, различными контроллерами, компьютером (BIOS или OpenBoot). К постоянным запоминающим устройствам относятся также компакт-диски, перфокарты и перфоленты, гибкие грампластинки с цифровой записью, штрих-коды. Запись информации в ПЗУ осуществляется на заводе-изготовителе, и в дальнейшем из этой памяти возможно только чтение. В современных компьютерах реализована возможность перепрограммирования (перепрошивки) bios, но к этой операции следует обращаться только в случае серьёзной необходимости [5].
Эволюция ПЗУ:
ROM с масочным программированием - данные зашиваются намертво во время изготовления микросхемы и далее неизменяемы, вышедшую из строя микросхему остаётся только выбросить,
PROM или ППЗУ (программируемое ПЗУ) – аналогично предыдущему, но данные записываются программным способом тоже один раз,
EPROM или СПЗУ (стираемое ПЗУ) – можно стереть или записать данные, но только при помощи УФ-излучения, т.е. для перепрограммирования нужно спецоборудование и рядовому пользователю недоступно,
EEPROM или ЭСППЗУ (электрически стираемое ППЗУ или флэш-микросхема) – данные стираются и записываются без спецустройств и даже без извлечения из компьютера сколько угодно раз. [4]
СMOS – полупостоянная память, питается от небольшой батарейки и имеет очень низкое энергопотребление. Там хранятся некоторые системные настройки, например, дата и время, которые не сбиваются даже после выключения компьютера из сети.
Флеш-память (flash memory) не следует путать с usb-флешкой или с картами памяти, хотя эти накопители и содержат внутри себя флеш-память. В быту название это закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации. Флеш-память представляет собой разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).
Жёсткий диск, он же винчестер – постоянная энергонезависимая память компьютера, в которой хранится вся операционная система вместе с пользовательскими данными. Жёсткие диски стационарных персональных компьютеров представляют собой магнитные носители информации, жёсткие диски компактных устройств (смартфонов, планшетов и др.) – твердотельные накопители. Важными характеристиками жёсткого диска являются его объём и скорость вращения. Информация с вращающегося жёсткого диска считывается неподвижными вращающимися головками. Один физический жёсткий диск может быть поделён на несколько логических дисков.
Кэш-память представляет собой промежуточный буфер, содержащий информацию, которая в процессе работы ЭВМ может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Эта часть памяти характеризуется более быстрым доступом к ней, чем к основной памяти. В кэш-памяти хранятся копии данных из основной памяти. Кэширование применяется для ускорения работы центрального процессора, жёстких дисков, а также для функционирования веб-серверов, браузеров, DNS и WINS службами. Операционная система использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций.
Кэш-память центрального процессора расположена на одном с ним кристалле. По функционалу кэш-память являет собой разновидность оперативной памяти.
Т. о., некоторый набор данных в отдельно взятый момент времени может находиться в компьютерной среде в нескольких копиях: в основной памяти на жёстком диске, в оперативной памяти при обработке этих данных, в кэш-памяти если эти данные являются предметом частого обращения.
Видеопамять используется для хранения изображения, выводимого на экран; обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на монитор.
Память компьютера по её расположению и близости взаимодействия с процессором можно разделить на внутреннюю и внешнюю: внутренняя представляет собой напрямую связанное с процессором запоминающее устройство для хранения выполняемых программ и задействованных в вычислениях данных, а внешняя предназначена для хранения больших массивов информации. Внутренняя память делится на оперативную и постоянную и характеризуется высокой скоростью обращения, но имеет ограниченный объём, определяемый адресацией машины. Ёмкость внешней памяти практически не имеет ограничений, но для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. Внешняя память реализуется в виде устройств с разными типами хранения информации и обычно это подвижные носители. Во внешней памяти все программы и данные хранятся в виде файлов. Главное отличие внешней памяти от внутренней оперативной: данные в последней обрабатываются и изменяются, а в первой только сохраняются.
Все рассмотренные выше типы и формы компьютерной памяти образуют иерархию. Иерархическая структура компьютерной памяти связана с необходимостью обеспечения вычислительной системы достаточным для полноценного функционирования объёмом памяти, как оперативной, так и постоянной. Принцип иерархической организации памяти, сформулированный ещё фон Нейманом, предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств с различными характеристиками.
В большинстве современных персональных компьютеров реализована следующая иерархия памяти:
регистры процессора: наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), размер – несколько сотен или, редко, тысяч байт;
кэш процессора 1-го уровня (L1): время доступа – несколько тактов, размер – десятки килобайт;
кэш процессора 2-го уровня (L2): время доступа в 2-10 раз медленнее L1, размер около полумегабайта или более;
кэш процессора 3-го уровня (L3): время доступа около сотни тактов, размер – несколько мегабайт;
ОЗУ системы: время доступа от сотен до тысячи тактов, размеры в несколько гигабайт вплоть до сотен;
дисковое хранилище: многие миллионы тактов на доступ, если данные не были закэшированны или забуферизованны заранее, размеры до нескольких терабайт;
третичная память: задержки до нескольких секунд или минут, но практически неограниченные объёмы (ленточные библиотеки).

Заключение
Мы рассмотрели тут различные виды компьютерной памяти. В современных компьютерах используются постоянные запоминающие устройства для сохранения базовых программ и настроек, магнитные или твердотельные жёсткие диски в качестве долговременной памяти для хранения пользовательских данных и операционной системы (набора программ для обработки данных), оперативная память для обслуживания текущей работы процессора, кэш-память для ускорения работы системы. Всё это способствует тому, что компьютер на сегодня далеко вышел за рамки просто вычислителя для математических операций.

Список источников

Can programming be liberated from the von Neumann style?: a functional style and its algebra of programs. John Backus / Communications of the ACMAugust 1978. doi: 10.1145/359576.359579
First Draft of a Report on the EDVAC by John von Neumann, June 30, 1945 \\ Источник: https://fa82ee93-a-62cb3a1a-s-sites.googlegroups.com/site/michaeldgodfrey/vonneumann/vnedvac.pdf
Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. Burks A. W., Goldstine H. H., Neumann J. — Institute for Advanced Study, Princeton, N. J., July 1946 // https://library.ias.edu/files/Prelim_Disc_Logical_Design.pdf
Виды памяти компьютера: Внешняя и внутренняя память // https://netclo.ru/vidy-pamyati-kompyutera-vneshnyaya-i-vnut/
Как перепрошить биос на материнской плате Gigabyte? // https://zen.yandex.ru/media/id/5e4e749b6754405ed3b8b821/kak-pereproshit-bios-na-materinskoi-plate-gigabyte-5e6a9df7adf1642a760e2122
Классификация запоминающих устройств / Учебное пособие "Организация ЭВМ и систем (Память ЭВМ)" // http://www.ord.com.ru/files/book3/p12.html#121
Общие принципы организации памяти ЭВМ / Учебное пособие "Организация ЭВМ и систем (Память ЭВМ)" // http://www.ord.com.ru/files/book3/ch1.html
Современная оперативная память (RAM FAQ 1.01) // https://www.ixbt.com/mainboard/ram-faq-2006.shtml
Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 520 с.: ил. – стр. 54-58 \\ Источник текста: https://nsu.ru/xmlui/bitstream/handle/nsu/935/khor32.pdf
(дата обращения к электронным ресурсам: 25-06-2020)