Глава 4. Память.

1. Организация памяти.

   1. Основные принципы.

Память компьютера предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации – кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит – элементарная ячейка памяти - может принимать значения «0» или «1». Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно её идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой ячейкой хранения информация в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.

Существуют процессоры и компьютеры с разрядностью обрабатываемого слова не кратной 8 (например: 5, 7, 9 …), и их байты не восьмибитные. Обычно длина машинного слова составляет от 16 до 64 бит. Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т.д. при этом старшие байты слова имеют больший адрес, чем младшие (адресом слова является адрес его младшего байта). Это так называемый обратный порядок байтов, он стал использоваться в 8088 процессоре с шиной данных в один байт.

Со времени появления больших (по размеру) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевалась память, расположенная внутри процессорного «шкафа» (или плотно к нему примыкающая). Классификация памяти применительно к ПК:

• процессорная память – наиболее скоростной вид памяти (регистры, кэш-память первого уровня) обычно размещается на общем кристалле с центральным процессором, регистры общего назначения вообще считаются частью ЦП;

• внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или на платах расширения. К внутренней памяти относят основную память, кэш-память второго и последующих уровней;

• внешняя память – медленные запоминающие устройства большой емкости, реализованные в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями, называют внешней память, поскольку к ядру ВМ они подключаются аналогично устройствам ввода/вывода.

В настоящее время в состав внешней памяти входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти, память на звуковой плате, память у принтера и т.д., то есть память периферийных устройств. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Большинство компьютеров имеют линейное адресное пространство, которое простирается от адреса 0 до обычно 2³² байтов или 2⁶⁴ байтов. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности.

Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация которой может изменяться процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которую процессор может только считывать. Когда предполагается, что программа будет находиться в памяти постоянно, она обычно располагается в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ, ROM - Read Only Memory - память только для считывания). ПЗУ обычно является кристаллом интегральной микросхемы с неизменяемой программой.

Оперативная память - это основная часть внутренней памяти, служит для хранения информации и для дальнейшей ее передачи процессору, жесткому диску, другим внешним устройствам. Она располагается в специальных разъемах на материнской плате. В оперативной памяти хранятся программы и данные, с которыми работает центральный процессор. Оперативная память обозначают как RAM (Random Access Memory - память с произвольным доступом). Понятие произвольного доступа означает, что можно обращаться к ячейкам оперативной памяти, начиная с любого адреса в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи.

Оперативная память изготавливается в виде микросхем, крепящихся на специальных пластинах. При включении ВМ операционная система загружается в оперативную память, затем в нее загружаются программы приложения (например Word) и данные (например документы). Центральный процессор управляет загрузкой программы, данных в оперативную память и далее работает с данными, находящимися в оперативной памяти, а не на жестком диске. Если требуются данные с жесткого диска, то информация предварительно загружается в оперативную память, после обработки ЦП она вначале загружается в оперативную память и затем переносится на жесткий диск. То есть центральный процессор работает с инструкциями и данными, которые находятся в оперативной памяти, а все другие устройства (диски, магнитная лента, модемная связь и пр.) действуют через нее.

Внешняя память адресуется более сложным образом - каждая её ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций обмена данный блок может быть считан или записан только целиком. В случае одиночного дискового накопителя адрес блока будет трехмерным: номер поверхности (головки), номер цилиндра и номер сектора. В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером – логическим адресом блока, а его преобразованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя. Поскольку дисковых накопителей в компьютере может быть несколько, то в адресации дисковой памяти участвует и номер накопителя, и номер канала интерфейса. С такой сложной системой адресации процессор справляется только с помощью программного драйвера, в задачу которого в общем случае входит копирование некоторого блока данных из оперативной памяти в дисковую и обратно. Дисковая память является внешней памятью с прямым доступом, что подразумевает возможность обращения к блокам (но не ячейкам) в произвольном порядке. Память на ленточных носителях имеет последовательный способ доступа. В ней информация хранится в виде блоков фиксированной или переменной длины, в пределах одного носителя эти блоки имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку устройство должно найти маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить сами операции обмена данными.