Запоминающие устройства ЭВМ

Запоминающие устройства ЭВМ

Виды памяти в технических средствах информатизации

Устройства хранения данных (память) являются составной частью практически любого современного технического средства информатизации. В памяти хранятся как программы работы технического средства, так и данные, используемые в процессе его работы. Применительно к персональным компьютерам вся память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю. 

Внутренняя память

Внутренняя память предназначена для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных (оперативная память, кэш-память), а также для долговременного хранения информации о конфигурации ПК (энергонезависимая память). Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относится:

· сверхоперативная память (кэш-память);

· оперативная память;

· постоянная память;

· энергонезависимая память.

Постоянная память

Постоянная память  (  ПЗУ  —  постоянное запоминающее устройство , ROM — Read Only Memory — память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным  ПЗУ . Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.

Оперативная память RAM

Оперативная память RAM (Random Access Memory)  используется для хранения исполняемых в текущий момент программ и необходимых для этого данных. Через оперативную память происходит обмен командами и данными между микропроцессором, внешней памятью и периферийными устройствами. Высокое быстродействие определяет название (оперативная) данного вида памяти. Ключевой особенностью оперативной памяти является ее энергозависимость, т.е. данные хранятся только при включенном компьютере.

По физическому принципу действия различают динамическую память  DRAM  и статическую память  SRAM .

Кэш-память

Кэш-память  (cache memory) используется для повышения быстродействия ПК. Принцип "кэширования" заключается в использовании быстродействующей памяти для хранения наиболее часто используемых данных или команд, тем самым, сокращается количество обращений к более медленной оперативной памяти. При обработке данных микропроцессор сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся в ней. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Кэш-память процессора различают по уровням.

L1  – кэш-память первого уровня. Конструктивно размещается на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько сотен Кбайт.

L2  – кэш-память второго уровня. Размещается на отдельном кристалле, но в границах процессора с объемом до двух Мбайт.

L3  – кэш-память третьего уровня. Реализуется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем несколько Мбайт (последние несколько лет производители системных плат не реализуют данный уровень кэш-памяти).

Жесткий магнитный диск

Жесткий магнитный диск (МД), или винчестер, обычно встраивается вместе с дисководом в корпус системного блока (но может иметь и внешнее расположение). Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатрован, т.е. должна быть создана структура диска. Для ГМД — это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД — еще и ци­линдры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

Привод оптических дисков

При́вод оптических дисков  (также  привод компакт-дисков ,  CD-привод ) — электромеханическое устройство для считывания и (в большинстве современных моделей) записи, посредством лазера, информации с оптических дисков в виде пластикового диска с отверстием в центре (компакт-диск, DVD и т. п.).

Разновидности приводов

• привод CD-ROM — самый простой вид cd-привода, предназначенный только для чтения cd-дисков.
• привод CD-RW — такой же, как и предыдущий, но способен записывать только на CD-R/RW-диски.
• привод DVD-ROM — предназначение его состоит только в чтении DVD-дисков.
• привод DVD/CD-RW — тот же DVD-ROM, но способный записывать на CD-R/RW-диски (комбо-привод).
• привод DVD-RW — привод, способный не только читать DVD-диски, но и записывать на них.
• привод DVD-RW DL — в отличие от предыдущего типа DVD RW, способен также записывать на двухслойные оптические DVD-носители, отличающиеся от обычных большей ёмкостью.
• привод Blu-Ray (BD-ROM). Это усовершенствованная технология оптических носителей, в основе которой лежит использование лазера с длиной волны 405 нм "синего" (в действительности фиолетового) цвета. Уменьшение длины волны лазера позволило сузить ширину дорожки в два раза по сравнению с DVD-диском и увеличить плотность записи данных. Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз повысило надежность операций чтения/записи на нескольких записываемых слоях. Диски предназначены, большей частью, для записи цифрового видео высокого разрешения. Например, на односторонний однослойный диск записывают до 2 часов видео в формате HDTV (телевидения высокой четкости) при скорости видеопотока до 54 Мбит/с.
• привод BD-RE способен читать/записывать на диски формата Blu-Ray.
• привод HD DVD — это новое поколение оптических дисков, которые предназначены в первую очередь для хранения фильмов высокого разрешения (HDTV). Новый формат носителей позволяет записывать в три раза больший объём данных, по сравнению с DVD. Однослойные HD DVD-диски имеют ёмкость 15 Гб, двухслойные — 30 Гб. Как правило, HD DVD-привод может читать все форматы DVD и CD-дисков.
• привод HD DVD-ROM — привод, читающий диски формата HD DVD. Формат закрыт в феврале 2008 года.
• привод HD DVD/DVD-RW — в отличие от предыдущего, способен записывать на диски таких форматов, как DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW, CD-R, CD-RW.

Flash-память

Флеш-память  (англ.  flash memory ) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный ресурс носителей, а также чувствительность к электростатическому разряду.

Типы Flash-памяти

В настоящее время выпускается два основных типа Flash-памяти:

NOR  (Not OR – логическое "НЕ-ИЛИ") – разработана компанией Intel в 1988 году;

NAND  (Not AND – логическое "НЕ-И" – разработана компанией Toshiba в 1989 году.

Память типа NOR  обеспечивает возможность произвольного чтения-записи данных (вплоть до отдельных байтов) и быстрое считывание, но при этом относительно медленные схемы записи и стирания. Кроме того, такая память имеет довольно крупные ячейки (к каждой необходимо подвести контакт), что вызывает сложности в изготовлении и повышении емкости.

Память типа NAND  обеспечивает блочный доступ, быстрые процедуры стирания и записи, дешевизну и простоту наращивания емкости модулей. Данные на Flash-памяти NAND считываются поблочно. Размер единичного блока варьируется от 256 байт до 256 Кбайт. Практически все современные микросхемы позволяют работать с блоками разного размера. Благодаря блочной организации Flash-памяти NAND она дешевле.

В простейшем случае одна ячейка Flash-памяти содержит один бит и может быть выполнена как на одном, так и на двух полевых транзисторах. Сам транзистор включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую "плавающим затвором", как показано на рис. 6.7.1. Этот термин возник из-за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны, то есть заряд, и именно здесь хранится информация. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит: логическая 1 – заряда нет, 0 – есть. Выше "плавающего" находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти.

Принцип хранения данных на Flash-памяти

В простейшем случае одна ячейка Flash-памяти содержит один бит и может быть выполнена как на одном, так и на двух полевых транзисторах. Сам транзистор включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую "плавающим затвором", как показано на рис. 6.7.1. Этот термин возник из-за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны, то есть заряд, и именно здесь хранится информация. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит: логическая 1 – заряда нет, 0 – есть. Выше "плавающего" находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти.

При программировании между истоком и стоком, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе создается канал – поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой диэлектрика и попадают на плавающий затвор, где могут храниться в течение нескольких лет. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

Процесс записи и стирания вызывает износ ячейки памяти, поэтому микросхемы Flash-памяти характеризуются временем хранения информации (несколько лет) и числом циклов чтения/записи (от 100 тысяч до нескольких миллионов).

Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, HardDiskDrive – HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа – поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер (скорость обращения) до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивньм эффектом (GMR – GiantMagneticResistance) еще более увеличило плотность записи – возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

Принципы хранения информации

В персональных компьютерах эта функция возложена на внешнюю память, которая по своим характеристикам в противоположность внутренней памяти, является медленной, энергонезависимой и практически неограниченной.

При изучении носителей важно иметь представление о физических принципах, положенных в основу записи и чтения данных. В современных технических средствах информатизации сочетаются три вида носителей, отличающиеся физическим принципом организации памяти: электрические, магнитные, оптические.

Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а также ее поиск, считывание и воспроизведение в опе­ративную память, называют накопителями. В основу записи, хра­нения и считывания информации положены два принципа —магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информа­ции и после выключения компьютера.

Накопители Flash-память с USB интерфейсом

Этот тип Flash-накопителей (рис. 6.9.1) появился в 2001 году и достаточно быстро завоевал популярность, вытеснив накопители на гибких магнитных дисках, поскольку при меньшем размере имеет больший объем памяти, обладает значительно большей скоростью передачи данных, отличается высокой надежностью. Для того чтобы использовать накопитель, не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно компьютера с ОС Windows и USB-портом, к которому подключается накопитель.

Накопители Flash-память с USB интерфейсом (Внутри корпуса)

Внутри корпуса накопителя находится контроллер интерфейса USB и Flash-памяти и, собственно, сама микросхема Flash-памяти. Основными характеристиками данного типа накопителей, так же как и карт памяти, являются: тип USB интерфейса (1.1 или 2.0); скорость чтения и записи данных; число циклов перезаписи; время хранения данных; габаритные размеры и вес. Кроме этого, возможность использования накопителя в качестве загрузочного диска.