2.2.2. Память эвм

Память компьютера предназначена для хранения информации и характеризуется следующими основными параметрами:

• объемом (емкостью), т.е. максимально возможным числом блоков данных, размещаемых в памяти;

• быстродействием, характеризуемым средним временем обращения к памяти (средним временем поиска, чтения и/или записи одного блока данных);

• ценой, отнесенной к одному блоку хранимых данных.

Память компьютера имеет иерархическую структуру в связи с тем, что в едином запоминающем устройстве не удается одновременно в должной мере удовлетворить требования большого объема памяти и высокого быстродействия. Поэтому обычно в состав процессора включают быстродействующую кэш-память сравнительно малого объема (часто также разделяемую на два или три уровня), далее по мере роста объема и времени обращения к памяти выделяют оперативную память и внешнюю память.

Оперативная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Физически кэш и оперативная память в современных компьютерах, как правило, являются полупроводниковыми.

Для реализации внешней памяти используют магнитные и оптические принципы записи и чтения информации. Внешнюю память можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти.

В зависимости от состава выполняемых операций различают несколько типов памяти. Память с произвольным доступом (операциями как чтения, так и записи) обычно обозначают RAM (Random Access Memory), время доступа и, следовательно, цикл обращения к любой ячейке RAM для записи или считывания информации не зависят от места расположения (адреса) ячейки в накопителе. В ЗУ с прямым доступом, к которым относятся ЗУ на дисках, обращение производится также в произвольном порядке, но не к ячейкам, а к блокам данных (файлам), обрамляемых специальными символами начала и конца. В ЗУ с последовательным доступом, характерным примером которого является ЗУ на магнитных лентах, информация хранится так же, как и в ЗУ на дисках, в виде блоков, которые в пределах одного носителя имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку по его заданному адресу последовательно ищется нужный том и далее просматриваются все номера блоков, пока не будет найден нужный блок.

В отличие от RAM, постоянная память ROM (Read Only Memory) предназначена только для чтения.

В качестве элементов оперативной памяти используют ячейки, представляющие собой конденсаторы. Заряженный конденсатор хранит "1", разряженный — "0". Во время считывания информации конденсаторы разряжаются. Кроме того, заряд в конденсаторе из-за утечки хранится ограниченное время (несколько миллисекунд). Поэтому необходима подзарядка, которая выполняется в процессе регенерации информации. Это обстоятельство обусловило название памяти подобного типа — динамическая память или DRAM (Dynamic RAM). Малые размеры и простота элементов DRAM позволяют получить довольно большую емкость памяти, но из-за затрат времени на регенерацию снижается быстродействие.

С целью повышения быстродействия DRAM разработано несколько модификаций этого типа памяти. Синхронная память типа SDRAM (Synchronous DRAM) отличается от асинхронной памяти типа DRAM тем, что такты работы памяти засинхронизированы с тактами работы процессора. Это позволяет исключить циклы ожидания, имеющие место в DRAM.

По сравнению с обычной SDRAM в памяти типа DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) при одной и той же частоте шины памяти быстродействие удалось увеличить вдвое за счет того, что обращения к памяти происходят дважды за такт — как по переднему, так и по заднему фронту тактовых сигналов. В памяти типа DDR2 в отличие от DDR возможна работа на больших тактовых частотах. Например, в памяти DDR2-1066 при частоте шины 266 обеспечивается частота обращений к памяти 1066 МГц. Память типа DDR3 имеет меньшее потребление энергии по сравнению с DDR2.

В более быстрой статической памяти SRAM (Static RAM) элементами памяти являются бистабильные ячейки, при считывании информация не теряется и регенерация не требуется. Поэтому SRAM более быстродействующая память и используется в качестве кэш-памяти. Однако SRAM значительно дороже DRAM.

Память ROM может быть однократно программируемой, т.е. позволять лишь однократную первоначальную запись информации, или быть перепрограммируемой памятью. В последнем случае различают виды памяти EPROM (Electrically Programmable ROM) и EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), которая называется также флеш-памятью. Свойство репрограммируемости основано на использовании МОП-транзисторов с двумя затворами — основным и скрытым в слое диэлектрика (рис. 1). Подача импульса повышенного напряжения на МОП-транзисторы в ячейках, которые должны хранить нули, приводит к появлению на скрытом затворе электрического заряда, препятствующего образованию проводящего канала, что и отождествляется как хранение нуля. Состояние нуля сохраняется практически неограниченное время, но при перепрограммировании заряд ликвидируется с помощью внешнего ультрафиолетового облучения (в EPROM) или электрического импульса, подаваемого на затворы (в EEPROM). Ультрафиолетовое облучение приводит к постепенному изменению свойств полупроводника, поэтому память EPROM допускает лишь ограниченное число перепрограммирований, кроме того, перезапись происходит с сравнительно большими затратами времени. Поэтому в настоящее время основное внимание уделяется развитию памяти типа EEPROM.

Рис. 1.  МОП-транзистор с плавающим затвором

Примером использования ROM может служить память ROM BIOS (ROM Basic Input Output System) в ПК, хранящая данные для управления стандартными внешними устройствами.

Иногда говорят о памяти типа ECC. Это тип памяти, в которой реализован режим ECC (Error Control Correction) контроля функционирования памяти с восстановлением ошибок. В этом режиме исправляются одиночные ошибки в группах из 8 байтов.

Внешняя память, реализуемая на магнитных носителях, представлена накопителями на магнитных дисках и магнитных лентах. Различают накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры) и накопители на гибких магнитных дисках. В них хранят многократно используемые программы и файлы данных. Накопители на магнитных лентах, имеющие низкую стоимость хранения, но сравнительно большое время поиска информации, в основном используют для архивов данных.

Для повышения быстродействия внешней памяти и отказоустойчивости ВС применяют подсистемы внешней памяти с высокой готовностью, реализующие технологию избыточных массивов дисков RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks), объединенных в один блок с общим интеллектуальным контроллером. RAID есть способ организации работы нескольких физических дисков аналогично одному логическому диску, при котором дисковый массив представляется прикладной задаче как один диск. Как правило, массивы RAID используются в серверах для обеспечения надежности за счет дублирования данных.

Существует восемь уровней реализаций RAID (от 0 до 7) , которые отличаются друг от друга степенью избыточности, методом доступа и пр. Стандарт седьмого уровня отличается собственной операционной системой и высокой производительностью.

Различают несколько уровней RAID. Так, на уровне зеркальных дисков (RAID1) все массивы данных записываются на два разных диска. В случае RAID уровней 2 и 3 надежность повышается за счет использования избыточных кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Введение параллелизма в операции считывания в RAID4 позволяет увеличить быстродействие дисковой памяти. В RAID5 хранимая и контрольная информация распределяется по нескольким дискам так, что при отказе одного из них, оставшиеся работоспособные диски обеспечивают считывание необходимых данных.