Компьютерная память

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая Obersachsebot (обсуждение | вклад) в 18:59, 13 декабря 2011. Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к: навигация, поиск
НЖМД объёмом 44 Мб 1980-х годов выпуска, и CompactFlash 2гб 2000-х годов выпуска
Модуль оперативной памяти DRAM, вставленный в материнскую плату
Устройство хранения информации на флеш-памяти (флешка)

Компью́терная па́мять (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

В персональных компьютерах «памятью» часто называют один из её видов — динамическая память с произвольным доступом (DRAM), — которая в настоящее время используется в качестве ОЗУ персонального компьютера.

Задачей компьютерной памяти является хранение в своих ячейках состояния внешнего воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать самые разнообразные физические воздействия (см. ниже). Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю и информация в них записывается в виде двух чётко различимых состояний — 0 и 1 («выключено»/«включено»). Специальные механизмы обеспечивают доступ (считывание, произвольное или последовательное) к состоянию этих ячеек.

Процесс доступа к памяти разбит на разделённые во времени процессы — операцию записи (сленг. прошивка, в случае записи ПЗУ) и операцию чтения, во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства — контроллера памяти.

Также различают операцию стирания памяти — занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений, обычно 0016 или FF16.

Наиболее известные запоминающие устройства, используемые в персональных компьютерах: модули оперативной памяти (ОЗУ), жёсткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD- или DVD-диски, а также устройства флеш-памяти.

Функции памяти

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из функций современного компьютера, — способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями, так называемой архитектуры фон Неймана, — принципа, заложенного в основу подавляющего большинства современных компьютеров.

Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных. Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жёстко заданных выполняемых последовательностей. Любое перепрограммирование требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. д. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

Любая информация может быть измерена в битах и потому, независимо от того, на каких физических принципах и в какой системе счисления функционирует цифровой компьютер (двоичной, троичной, десятичной и т. п.), числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

К настоящему времени создано множество устройств, предназначенных для хранения данных, основанных на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, у каждого имеются свои достоинства и свои недостатки, поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

Физические основы функционирования

В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. В современной компьютерной технике часто используются 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 разнообразные магнитные материалы. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе также может быть положено в основу системы хранения. Отражение или рассеяние света от поверхности CD, DVD или Blu-ray-диска также позволяет хранить информацию.

Классификация типов памяти

Следует различать классификацию памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же — по технической реализации. Здесь рассматривается первая — таким образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так и структуры данных, реализуемые в большинстве случаев программно.

Доступные операции с данными

  • Память только для чтения (read-only memory, ROM)
  • Память для чтения/записи

Память на программируемых и перепрограммируемых ПЗУ (ППЗУ и ПППЗУ) не имеет общепринятого места в этой классификации. Её относят либо к подвиду памяти «только для чтения»[1], либо выделяют в отдельный вид.

Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной частоте её перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых информация часто меняется в процессе работы, а к ROM — предназначенные для хранения относительно неизменных данных.[1]

Энергозависимость

  • Энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;
  • Энергозависимая память (англ. volatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.
    • Статическая память (англ. static storage) — энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
    • Динамическая память (англ. dynamic storage) — энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

Метод доступа

  • Последовательный доступ (англ. sequential access memory, SAM) — ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очерёдности их расположения. Вариант такой памяти — стековая память.
  • Произвольный доступ (англ. random access memory, RAM) — вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

Назначение

  • Буферная память (англ. buffer storage) — память, предназначенная для временного хранения данных при обмене ими между различными устройствами или программами.
  • Временная (промежуточная) память (англ. temporary (intermediate) storage) — память для хранения промежуточных результатов обработки.
  • Кеш-память (англ. cache memory) — часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранение часто используемых данных для предоставления их в более быстрый доступ, нежели кешируемая память.
  • Корректирующая память (англ. patch memory) — часть памяти ЭВМ, предназначенная для хранения адресов неисправных ячеек основной памяти. Также используются термины «relocation table» и «remap table».
  • Управляющая память (англ. control storage) — память, содержащая управляющие программы или микропрограммы. Обычно реализуется в виде ПЗУ.
  • Разделяемая память или память коллективного доступа (англ. shared memory, shared access memory) — память, доступная одновременно нескольким пользователям, процессам или процессорам.

И др.

Организация адресного пространства

  • Реальная или физическая память (англ. real (physical) memory) — память, способ адресации которой соответствует физическому расположению её данных;
  • Виртуальная память (англ. virtual memory) — память, способ адресации которой не отражает физического расположения её данных;
  • Оверлейная память (англ. overlayable storage) — память, в которой присутствует несколько областей с одинаковыми адресами, из которых в каждый момент доступна только одна.

Удалённость и доступность для процессора

  • Первичная память (сверхоперативная, СОЗУ) — доступна процессору без какого-либо обращения к внешним устройствам. Данная память отличается крайне малым временем доступа и тем, что неадресуема для программиста.
    • регистры процессора (процессорная или регистровая память) — регистры, расположенные непосредственно в АЛУ;
    • кэш процессора — кэш, используемый микропроцессором для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Разделяется на несколько уровней, различающихся скоростью и объёмом (например, L1, L2, L3).
  • Вторичная память — доступна процессору путём прямой адресацией через шину адреса (адресуемая память). Таким образом доступна основная память (память, предназначенная для хранения текущих данных и выполняемых программ) и порты ввода-вывода (специальные адреса, через обращение к которым реализовано взаимодействие с прочей аппаратурой).
  • Третичная память — доступна только путём нетривиальной последовательности действий. Сюда входят все виды внешней памяти — доступной через устройства ввода-вывода. Взаимодействие с третичной памятью ведётся по определённым правилам (протоколам) и требует присутствия в памяти соответствующих программ. Программы, обеспечивающие минимально необходимое взаимодействие, помещаются в ПЗУ, входящее во вторичную память (у PC-совместимых ПК — это ПЗУ BIOS);

Положение структур данных, расположенных в основной памяти, в этой классификации неоднозначно. Как правило, их вообще в неё не включают, выполняя классификацию с привязкой к традиционно используемым видам ЗУ.[2]

Управление процессором

  • Непосредственно управляемая (оперативно доступная) память (англ. on-line storage) — память, непосредственно доступная в данный момент времени центральному процессору.[источник не указан 2637 дней]
  • Автономная память — память, реализованная, например при помощи службы внешних носителей в Windows 2000, предусматривающей оперативное управление библиотеками носителей и устройствами с автоматической подачей дисков, облегчающей использование съёмных носителей типа магнитных лент и съёмных дисков, магнитных или оптических[3].

Организация хранения данных и алгоритмы доступа к ним

Повторяет классификацию структур данных:

  • Адресуемая память — адресация осуществляется по местоположению данных.
  • Ассоциативная память (англ. associative memory, content-addressable memory, CAM) — адресация осуществляется по содержанию данных, а не по их местоположению.
  • Магазинная (стековая) память (англ. pushdown storage) — реализация стека.
  • Матричная память (англ. matrix storage) — ячейки памяти расположены так, что доступ к ним осуществляется по двум или более координатам.
  • Объектная память (англ. object storage) — память, система управления которой ориентирована на хранение объектов. При этом каждый объект характеризуется типом и размером записи.
  • Семантическая память (англ. semantic storage) — данные размещаются и списываются в соответствии с некоторой структурой понятийных признаков.

И др.

Физические принципы

Эта классификация повторяет соответствующую классификацию ЗУ.

Вид Среда, хранящая информацию Принцип чтения/записи Примеры
Полупроводниковая память (англ. semiconductor storage) сформированные в полупроводнике элементы, имеющие 2 устойчивых состояния с различными электрическими параметрами включение в электрическую цепь SRAM, DRAM, EEPROM, Flash-память
Магнитная память (англ. magnetic storage) Намагниченность участков ферромагнитного материала (доменов) Магнитная запись Магнитная лента, магнитный диск, магнитная карта
Оптическая память (англ. optical storage, laser storage) последовательность участков (питов), отражающих или рассеивающих свет чтение: отражение либо рассеяние лазерного луча от питов;
запись: точечный нагрев, изменяющий свойства отражающего слоя
CD, DVD, Blu-ray, HD DVD
Магнитооптическая память (англ. magnetooptics storage) показатель преломления участков информационного слоя чтение: преломление и отражение луча лазера
запись: точечный нагрев и электромагнитный импульс
CD-MO, Fujitsu DynaMO
Магниторезистивная память с произвольным доступом (англ. Spin Torque Transfer Random Access Memory, STT-RAM) магнитные домены В STT-RAM электрическое поле воздействует на микромагниты, заставляя их менять направление магнитного поля (спин). В свою очередь направление магнитного поля (справа — налево или сверху — вниз) вызывает изменение в сопротивлении (логические 0 и 1). MRAM
Память с изменением фазового состояния (англ. phase change memory, PCM) молекулы халькогенида (chalcogenide) использует изменение фазового состояния халькогенида — вещества, способного под воздействием нагрева и электрических полей переходить из непроводящего аморфного состояния (1) в проводящее кристаллическое (0). В ней применены диоды вертикального типа и трехмерная кристаллическая структура. Не требует предварительного удаления старых данных перед записью новых, не требует электропитания для сохранения своего состояния.[4] PRAM
Ёмкостная память (англ. capacitor storage) конденсаторы подача электрического напряжения на обкладки DRAM

Разновидности полупроводниковой памяти

Разновидности магнитной памяти

  • Память на магнитной ленте (англ. magnetic tape memory) — представляет собой пластиковую узкую ленту с магнитным покрытием и механизм с блоком головок записи-воспроизведения (БГЗВ). Лента намотана на бобину, и последовательно протягивается лентопротяжным механизмом (ЛПМ) возле БГЗВ. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя ленты при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка плёнки возле зазора головки воспроизведения.
  • Память на магнитных дисках (англ. magnetic disk memory) — представляет собой круглый пластиковый диск с магнитным покрытием и механизм с БГЗВ. Данные при этом наносятся радиально, при вращении диска вокруг своей оси и радиальном сдвиге БГЗВ на шаг головки. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя диска при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка возле зазора головки воспроизведения.
  • Память на магнитной проволоке (англ. plated wire memory) Использовалась в магнитофонах до магнитной ленты. В настоящее время по этому принципу конструируется большинство авиационных т. н. «чёрных ящиков» — данный носитель имеет наиболее высокую устойчивость к внешним воздействиям и высокую сохранность даже при повреждениях в аварийных ситуациях.
  • Ферритовая память (англ. core storage) — ячейка представляет собой ферритовый сердечник, изменение состояния которого (перемагничивание) происходит при пропускании тока через намотанный на него проводник. В настоящее время имеет ограниченное применение, в основном в военной сфере.

Разновидности оптической памяти

  • Фазоинверсная память (англ. Phase Change Rewritable storage, PCR) — оптическая память, в которой рабочий (отражающий) слой выполнен из полимерного вещества, способного при нагреве менять фазовое состояние (кристаллическое↔аморфное) и отражающие характеристики в зависимости от режима нагрева. Применяется в перезаписываемых оптических дисках (CD-RW, DVD-RW).

Редко используемые, устаревшие и экспериментальные виды

Вид Описание
Акустическая память (англ. acoustic storage) использует замкнутые акустические линии задержки.
Трековая память (англ.) или память «на беговой дорожке» (англ. magnetic racetrack memory, MRM) базируется на открытых не так давно спинтронных эффектах, в частности на использовании спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов — доменных стенок — в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку)[5][6]
Голографическая память (англ. holographic storage) использует пространственную графическую информацию, отображаемую в виде интерференционных структур.
Криогенная память (англ. cryogenic storage) использует сверхпроводящие материалы
Сегнетоэлектрическая память (англ. Ferroelectric RAM, FeRAM) Статическая оперативная память с произвольным доступом, ячейки которой сохраняют информацию, используя сегнетоэлектрический эффект. Исследованиями в этом направлении занимаются фирмы Hitachi совместно с Ramtron, Matsushita с фирмой Symetrix. По сравнению с флеш-памятью, ячейки FRAM практически не деградируют — гарантируется до циклов перезаписи.[7]
Молекулярная память (англ. molecular storage) Использует технологию атомной туннельной микроскопии. Носителями информации являются специальные виды плёнок. Головки, считывающие данные, сканируют поверхность плёнки. Их чувствительность позволяет определять наличие или отсутствие в молекулах отдельных атомов, на чём и основан принцип записи-считывания данных. В середине 1999 года эта технология была продемонстрирована компанией Nanochip. В основе архитектуры устройств записи-считывания лежит технология MARE (Molecular Array Read-Write Engine). Были достигнуты следующие показатели по плотности упаковки: около 40 Гбит/см² в устройствах чтения/записи и 128 Гбит/см² в устройствах с однократной записью, что в 6 раз превосходило тогдашние экспериментальные образцы магнитных дисков и более чем в 25 раз — серийные модели. Достигнутая на 2008 год скорость записи и чтения не позволяет говорить о массовом применении этой технологии.[источник не указан 2810 дней]
Электростатическая память (англ. electrostatic storage) Носителями данных являются накопленные заряды статического электричества на поверхности диэлектрика.

Прочие термины

  • Многоблочная память (англ. multibank memory) — вид оперативной памяти, организованной из нескольких независимых блоков, допускающих одновременное обращение к ним, что повышает её пропускную способность. Часто употребляется термин «интерлив» (калька с англ. interleave — перемежать) и может встречаться в документации некоторых фирм «многоканальная память» (англ. multichanel).
  • Память со встроенной логикой (англ. logic-in-memory) — вид памяти, содержащий встроенные средства логической обработки (преобразования) данных, например их масштабирования, преобразования кодов, наложения полей и др.
  • Многовходовая память (англ. multiport storage memory) — устройство памяти, допускающее независимое обращение с нескольких направлений (входов), причём обслуживание запросов производится в порядке их приоритета.
  • Многоуровневая память (англ. multilevel memory) — организация памяти, состоящая из нескольких уровней запоминающих устройств с различными характеристиками и рассматриваемая со стороны пользователей как единое целое. Для многоуровневой памяти характерна страничная организация, обеспечивающая «прозрачность» обмена данными между ЗУ разных уровней.
  • Память параллельного действия (англ. parallel storage) — вид памяти, в которой все области поиска могут быть доступны одновременно.
  • Страничная память (англ. page memory) — память, разбитая на одинаковые области — страницы. Операции записи-чтения на них осуществляются путём переключения страниц контроллером памяти.

См. также

Примечания

  1. 1 2 В. Фиоктистов. Обзор технологий хранения информации. Часть 1. Принципы работы и классификация ЗУ (21 июля 2006). Проверено 19 августа 2009. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  2. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. — 4-е изд. — СПб.: Питер, 2003. — С. 68. — 698 с. — ISBN 5-318-00298-6.
  3. Глава 7. Диски и файловые системы. Внешние хранилища данных // Microsoft Windows 2000: Server и Proffesional / А. Н. Чекмарев и Д. Б. Вишняков. — СПб: БХВ-Перербург, 2000. — 1056 с. — ISBN 5-8206-0107-6.
  4. PRAM память Samsung идет в производство
  5. Элементы — новости науки: Магнитная память «на беговой дорожке»: быстро, дешево и надежно
  6. iXBT.com :: Все новости :: Ученые IBM приближают создание «трековой памяти» к реальности
  7. Digital Daily Digest

Литература

  • Память // Словарь компьютерных терминов = Dictionary of Personal Computing / Айен Синклер; Пер. с англ. А. Помогайбо — М.: Вече, АСТ, 1996. — С. 177, ISBN 5-7141-0309-2.

Ссылки