Организация и функционирование компьютеров

         

Оперативная память


Основная память компьютера включает ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (или память прямого доступа, англ. Random Access Memory – RAM), и ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (или память только для чтения, англ. Read-Only Memory – ROM). Оперативное запоминающее устройство или оперативная память является основным средством хранения информации при работе компьютера. Все данные, которые должны быть обработаны в компьютере, сначала должны быть помещены в оперативную память. В оперативной памяти также хранятся промежуточные и конечные результаты работы компьютера. Кроме того, в оперативной памяти располагаются все работающие программы.

От быстродействия ОЗУ, которое измеряется временем процессов перемещения информации из оперативной памяти в процессор и обратно, напрямую зависит быстродействие всего компьютера, поэтому одним из основных направлений в развитии вычислительной техники является повышение быстродействия ОЗУ. Технически ОЗУ устроено таким образом, что при выключении электрического питания информация в ячейках ОЗУ стирается.  В выключенном компьютере информация хранится на внешних магнитных носителях информации, а при включении компьютера необходимые данные переписыаются с этих внешних носителей в оперативную память.

Постоянное запоминающее устройство содержит ту начальную программу, которая начинает работать при включении компьютера, и некоторые служебные программы операционной системы. В частности, в ПЗУ хранятся так называемые базовые программы ввода – вывода (англ. Base Input Output System - BIOS) и программы, предназначенные для проверки исправности и обслуживания аппаратуры самого компьютера. Они также выполняют первоначальную загрузку главной обслуживающей программы компьютера - так называемой операционной системы. Эти данные не уничтожаются при выключении компьютера.

Существуют перепрограммируемые ПЗУ, которые сохраняют информацию при отключении питания и допускают запись информации. При этом время записи во много раз больше времени считывания.


В персональном компьютере ОЗУ представляет собой автономное устройство, которое присоединяется к разъему на материнской плате компьютера. Оперативная память может состоять из нескольких блоков. ОЗУ представляет собой интегральную схему, эквивалентную последовательности триггеров. Триггером принято называть прибор, который может находиться в одном из двух состояний , одно из которых считается единицей, а другое - нулем.  ПЗУ представляет собой интегральную схему, в которой программы зашифрованы соединениями, а не электрическими потенциалами, именно поэтому они сохраняются при выключении питания.

Запоминающие устройства ЭВМ, обладающие большим объемом памяти, как правило, обладают меньшим быстродействием (то есть для них увеличивается время чтения и записи информации в память). Наибольшим быстродействием обладают регистры процессора (регистры общего назначения – РОН). Быстродействие ОЗУ должно быть не меньше, чем быстродействие электронных схем операционной части. Объема памяти должно быть достаточно для записи программы решаемой задачи, а также исходных данных и промежуточных и конечных результатов. В то же время внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченным объемом памяти, но зато и наименьшим быстродействием.

Для ускорения работы ОЗУ используется так называемая КЭШ-память процессора. Она имеет меньший объем, чем ОЗУ, но зато большее быстродействие. При наличии КЭШ-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются туда, и лишь затем в процессор. При повторном обращении к памяти те данные, которые уже находятся в КЭШ-памяти, сразу переносятся в регистры процессора, за счет чего происходит экономия времени.

Если отвлечься от особенностей технической реализации, оперативную память можно представить в виде единой последовательности ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта. Эта общая последовательность конструктивно состоит из отдельных устройств.


В частности, ПЗУ и память видеомонитора являются частью оперативной памяти. Соответственно та часть оперативной памяти, в которую можно записывать информацию и которую мы до сих пор называли ОЗУ, также составляет не всю оперативную память. При обмене информации с оперативной памятью центральный процессор должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из памяти данные процессор записывает в свои регистры. Процессор непосредственно может обрабатывать только те данные, которые находятся в его регистрах, а в регистр может переписывать данные только из оперативной памяти или портов ввода-вывода. Все виды оперативной памяти называются устройствами внутренней памяти, и они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера. Регистры процессора конструктивно находятся внутри процессора.

Наибольший номер ячейки ОЗУ равен величине ОЗУ минус единица. Адрес ячейки ОЗУ при работе компьютера передается по адресной шине. Адресная шина имеет такое количество разрядов, чтобы по ней мог пройти наибольший возможный адрес байта ОЗУ. При 20-разрядной шине это число 220-1 = 1 048 576, а при 32 разрядной шине – число 232-1, что больше четырех миллиардов. При современных объемах памяти 20-разрядной шины совершенно недостаточно даже для персональных компьютеров, и приходится прибегать к всевозможным ухищрениям. Для суперкомпьютеров недостаточно и 32-разрядной адресной шины.


Содержание раздела