Физические принципы построения памяти ПК

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

По курсу  “           Технические средства информационных систем” 
 
 
 

      Выполнил:

      Слушатель гр.

      ^{(Фамилия  И.О.)} 

      ^{(Дата  сдачи работы)}

      Проверил:

      ^{(Фамилия  И.О.)} 

      ^{(Дата,  оценка и  подпись)} 
 

     2011

1. Физические принципы построения памяти ПК.

    Память - часть компьютера, где хранятся программы и данные. Можно также употреблять термин «запоминающее устройство». Без памяти, откуда процессоры считывают и куда записывают информацию, не было бы цифровых компьютеров со встроенными программами.

    Основной  единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая единица памяти. (Устройство,  в котором хранятся только нули, вряд ли могло быть основой памяти.  Необходимы по крайней мере две величины.) Многие полагают, что в компьютерах используется бинарная арифметика, потому что это «эффективно». Они имеют в виду (хотя сами это редко осознают), что цифровая информация может храниться благодаря различию между разными величинами какой-либо физической характеристики, например напряжения или тока. Чем больше величин, которые нужно различать, тем меньше различий между смежными величинами и тем менее надежна память. Двоичная система требует различения всего двух величин, следовательно, это самый надежный метод кодирования цифровой информации.

    Восемь  бит составляют один байт. Современные  компьютеры выполняют операции с  информационными словами, представленными  некоторым четным числом байт, например 32 или 64. Для описания емкости запоминающих устройств (оперативной и дисковой памяти, флэш-памяти и т.п.) используются более крупные единицы: килобайт (Кб), мегабайт (Мб), гигабайт (Гб), терабайт (Тб):

     1 Кб = 1024 байт: 1 Мб = 1024 Кб: 1 Гб = 1024 Мб: 1Тб = 1024 Гб;

      Необходимо отметить, что один килобайт в цифровой технике равен 1024 байт. Тогда как приставка кило, в других областях техники означает множитель на тысячу. Такой терминологический разнобой связан с тем, что в двоичной системе счисления килобайт равняется десятой степени числа два, или 1024. Чтобы различать обозначения, принято, простое кило обозначать строчной буквой (например, кГц), а цифровое - прописной (например, Кбит). 

    Память  компьютера можно представить в  виде иерархической структуры. Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных. На самом верху находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайт. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Далее идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивной информации. По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают три параметра.  Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти - немного больше, доступ к основной памяти - несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает, по крайней мере 10-13милисекунд, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно взять и поместить в соответствующее устройство). Во-вторых, увеличивается объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байтов, кэш-память -- несколько мегабайтов, основная память - десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски — от нескольких гигабайтов до нескольких терабайт. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца. В-третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за единицу стоимости.

     К настоящему времени создано множество разнообразных устройств, предназначенных для хранения данных, многие из которых основаны на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, каждое содержит те или иные недостатки. Поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение. Наиболее знакомы средства машинного хранения данных, используемые в персональных компьютерах: - это модули оперативной памяти, жесткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD или DVD диски, а также устройства флэш-памяти.

     Компьютерная  память бывает двух видов: внутренняя и внешняя.

     К внутренней памяти относится  ПЗУ (BIOS или CMOS Setup), ОЗУ, КЭШ, видеопамять. К устройствам внешней памяти относятся накопители на жестком и гибком магнитных дисках (HDD и FDD), CD, DVD, flash-память.

       ОЗУ обладает высоким быстродействием  и используется процессором для  кратковременного хранения информации  во время работы компьютера. При выключении источника питания информация в ОЗУ не сохраняется. Машины с процессором 286 имели в среднем размер ОЗУ 1-2 Мб, 386 - 2-8 Мб, 486 - 8-16 Мб, Pentium  - 16-32 Мб.  В современных компьютерах размер ОЗУ может достигать 8 Гбайт. Внутренняя память состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Ячейка - минимальная единица, к которой можно обращаться, В последние годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-битными ячейками, которые называются байтами, Байты группируются в слова. Компьютер с 32-битными словами имеет 4 байта на каждое слово, а компьютер с 64-битными словами - 8 байтов на каждое слово. Такая единица, как слово, необходима, поскольку большинство команд производят операции над целыми словами (например, складывают два слова). Таким образом, 32-битная машина будет содержать 32-битные регистры и команды для манипуляций с 32-битными словами, тогда как 64-битная машина будет иметь 64-битные регистры и команды для перемещения, сложения, вычитания и других операций над 64-битными словами.

     ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10–20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят от 512 до 4Гбайт. ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. В оперативной памяти во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

     Процессоры  всегда работали быстрее, чем память. Процессоры и память совершенствовались параллельно, поэтому это несоответствие сохранялось. Поскольку на микросхему можно помещать все больше и больше транзисторов, разработчики процессоров использовали эти преимущества для создания конвейеров и суперскалярной архитектуры, что еще больше повышало скорость работы процессоров. Разработчики памяти обычно использовали новые технологии для увеличения емкости, а не скорости, что еще больше усугубляло проблему. На практике такое несоответствие в скорости работы приводит к следующему: после того как процессор дает запрос памяти, должно пройти много циклов, прежде чем он получит слово, которое ему нужно. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем больше циклов должно пройти.

     Для решения этой проблемы была придумана  КЭШ память. КЭШ-память - это сверхоперативная сверхскоростная промежуточная память. КЭШ устраняет простои процессора, так как скорость обмена процессора с КЭШ в несколько раз выше, чем с ОЗУ. Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, среднее время доступа значительно сокращается.

     Разумеется, чем большей оперативной памятью обладает персональный компьютер, тем больше его возможности для размещения и использования в своей работе программ и данных.

     Внутренняя  ПЗУ запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива.  

     Внешняя память - это память, реализованная  в виде внешних, относительно материнской  платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя, предназначенных для долговременного хранения информации. В частности, в внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах. Физически, внешняя память реализована в виде накопителей. Накопители - это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (что не зависит от электропитания) хранения больших объемов информации. Емкость накопителей в сотни раз превышает емкость оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях со сменными носителями.

     Накопитель  можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители с сменными и постоянными носителями. Привод - это объединение механизма чтения-записи с соответствующими электронными схемами управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом носителя. Носитель - это физическая среда хранения информации, по внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По принципу запоминания различают магнитные, оптические и магнитооптические носители. Ленточные носители могут быть лишь магнитными, в дисковых носителях используют магнитные, магнитооптические и оптические методы записи-считывания информации.

     Самыми  распространенными являются накопители на магнитных дисках, которые делятся  на накопители на жестких магнитных  дисках (НЖМД) и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), и накопители на оптических дисках, такие как накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD-ROM.

     НЖМД - это основное устройство для долговременного  хранения больших объемов данных и программ. Другие названия: жесткий  диск, винчестер, HDD (Hard Disk Drive). Внешне, винчестер  представляет собой плоскую, герметически закрытую коробку, внутри которой находятся на общей оси находятся несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластинок круглой формы. Поверхность любого из дисков покрыта тонким ферромагнитным слоем (вещество, которое реагирует на внешнее магнитное поле), собственно на нем хранятся записанные данные. При этом запись проводится на обе поверхности каждой пластины (кроме крайних) с помощью блока специальных магнитных головок. Каждая головка находится над рабочей поверхностью диска на расстоянии 0,5-0,13 мкм. Пакет дисков вращается непрерывно и с большой частотой (4500-10000 об/мин), поэтому механический контакт головок и дисков недопустим.  

     Запись  данных в жестком диске осуществляется следующим образом. При изменении  силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в щели между поверхностью и головкой, что приводит к изменению стационарного магнитного поля ферромагнитных частей покрытия диска. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферромагнитного покрытия являются причиной электродвижущей силы самоиндукции магнитной головки. Электромагнитные сигналы, которые

     НГМД  или дисковод вмонтирован в системный  блок. Гибкие носители для НГМД выпускают  в виде дискет (другое название флоппи-диск). Собственно, носитель - это плоский диск со специальной, достаточно плотной пленкой, покрытой ферромагнитным слоем и помещенной в защитный конверт с подвижной задвижкой в верхней части. Дискеты используются, в основном, для оперативного переноса небольших объемов информации с одного компьютера на другой. Данные, записанные на дискете можно защитить от стирания или перезаписи.

     Начиная с 1995 года в базовую конфигурацию персонального компьютера вместо дисководов на 5,25 дюймов, начали включать дисковод CD-ROM. Аббревиатура CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) переводится как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-дисков. Принцип действия этого устройства состоит в считывании цифровых данных с помощью лазерного луча, который отражается от поверхности диска. В качестве носителя информации используется обычный компакт-диск CD. Цифровая запись на компакт-диск отличается от записи на магнитные диски высокой плотностью, поэтому стандартный CD имеет емкость порядка 650-700 Мбайт. Такие большие объемы характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относятся к аппаратным средствам мультимедиа. Кроме мультимедийных изданий (электронные книги, энциклопедии, музыкальные альбомы, видеофильмы, компьютерные игры) на компакт-дисках распространяется разнообразное системное и прикладное программное обеспечения больших объемов (операционные системы, офисные пакеты, системы программирования и т.д.)