История и перспективы развития устройств хранения информации

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из важнейших  функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации. центральным процессором и запоминающее, являются ключевыми звеньями так называемой архитектуры фон Неймана, - принципа заложенного в основу большинства современных компьютеров общего назначения.

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

 Система хранения информации  в современном цифровом компьютере  основана на двоичной системе  счисления. числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие формы данных представляются в виде последовательностей битовых строк или бинарных чисел, каждое из которых состоит из значений 0 и 1. Это позволяет компьютеру легко манипулировать ими при условии достаточной емкости системы хранения. Например, для хранения небольшого рассказа достаточно иметь устройство памяти общим объемом всего лишь около 8 миллионов битов (примерно 1 Мегабайт ).

 К настоящему времени  создано множество разнообразных  устройств, предназначенных для  хранения данных, многие из которых  основано на использовании различных  физических эффектов. Универсального  решения не существует, каждое  имеет те или иные недостатки. Поэтому компьютерные системы  обычно имеют несколько видов  систем хранения, основные свойства  которых обусловливают их использования  и назначения.

План:

 Введение.

 Общий обзор видов  памяти.

 Назначение и характеристика.

 Логическая организация  памяти.

 Дополнительная (expanded) память.

 Расширенная (extended) память.

 Кэш-память.

 Адресация памяти процессором.

 ОЗУ ПЭВМ IBM PC: взгляд со стороны.

 Список используемой литературы.

 Введение.

 Одним из самых важным  элементов компьютера является  память. Все персональные компьютеры  используют три вида памяти: оперативную,  постоянную и внешнюю (различные  накопители). Оперативная память  предназначена для хранения переменной  информации, так как она допускает  изменение своего содержимого  в ходе выполнения микропроцессором  соответствующих операций.

 Поскольку в любой  момент времени доступ может  осуществляться к произвольно  выбранной ячейке, то этот вид  памяти называют также памятью  с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory). Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only

 Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

 В данной работе  мы рассмотрим работу и устройство оперативной памяти.

 Общий обзор видов  памяти ЭВМ.

 Запоминающие устройства  можно классифицировать по следующим критериям:

1. По типу запоминающих  элементов: полупроводниковые, магнитные, конденсаторные, оптоэлектронные, голографические, криогенные.

2. По функциональному  назначению: ОЗУ, БЗУ, СОЗУ, ВЗУ,  ПЗУ, ППЗУ,

 РГПЗУ.

3. По типу/способу организации  обращения: с последовательным  поиском, с прямым доступом(большинство современных ОЗУ), адресные, ассоциативные, стековые, магазинные.

4. По характеру считывания: с разрушением информации, без разрушения информации.

5. По способу хранения: статические, динамические.

6. По способу организации:  однокоординатные, двухкоординатные, трехкоординатные, двух-трехкоординатные.

 Назначение и характеристика.

 Название "оперативная"  эта память получила потому, что  она работает очень быстро, так  что процессору не приходится  ждать при чтении данных из  памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней  данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается.

 ОЗУ служит для хранения  программ которыми занят процессор в данное время. Так же в ОЗУ хранятся данные этих самых программ. Именно из ОЗУ процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. С усовершенствованием компьютеров стали усложняться форматы данных. Но в своей основе данные не изменились.

 Они так и остались  упорядоченной последовательностью  логических единиц и нулей.  По сути, именно так хранятся  данные в ОЗУ. Каждый разряд  памяти(ячейка, хранящая «1» или «0») называется – бит. Информация

 «разбивается» на блоки  по 8 бит, называемые байтами. Каждый  байт может хранить целое натуральное  значение от 0 до 255 путём записи  его в двоичной системе счисления.  В одном байте может кодироваться  три вида информации: код команды  микропроцессора, число и символ. Вид информации не конкретно  нигде(в байте) не задаётся, а зависит от хода программы. Если процессор считывает байт как команду то это команда; если программа(или процессор) считывает байт как числовые данные то это числовые данные; если программа считывает байт как символьные данные то это символьные данные.

 Последовательность из  двух байт называется – «машинное  слово». Машинное слово тоже может  являться командой(т. к. у процессора их больше 256 штук и в одном байте они не «умещаются»), но чаще всего это адрес ячейки из адресного пространства от 0 до 65535 байт(именно столько значений можно записать в два байта), либо число от 0 до 65535.

 Каждые 1024 байта называются  килобайтом(1Кб=1024 байта), каждые 1024 килобайта  – мегабайтом(1Мб=1024Кб=1048576 байт), каждые 1024 мегабайта – гигабайтом(1Гб=1024Мб=1048576Кб=1073741824 байта). Дальнейшей названия в  наше время ещё не актуальны  в связи с ненадобностью больших  объёмов памяти.

 От количества памяти  прямо пропорционально зависят  возможности компьютера.

 Вот приблизительная  оценка возможностей компьютера:

1Мб и менее – возможна работа только в среде DOS;

4Мб – возможна работа  в Windows 3.1 с большими неудобствами;

8Мб – возможна комфортная  работа в Windows 3.1, реально работать в

 Windows 95 и OS/2 Warp но не очень быстро;

16Мб – возможна комфортная  работа в Windows 95 и OS/2 Warp, не полноценная работа в Windows NT;

32Мб и более – возможна  комфортная работа в Windows NT. В основном такие объёмы используются для серверов локальных сетей и для работы с фото-

, видео- и аудиоинформацией.

 Логическая организация  памяти.

 Как известно, используемый  в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через  свои 20 адресных шин предоставляет  доступ всего к 1-Мбайтному  пространству памяти. Первые 640 Кбайт  адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют  обычно стандартной памятью (conventional memory).

 Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS

 Memory или UM Area - UMA). Эта область памяти резервируется для служебных целей:

1. Для хранения части  операционной системы DOS, которая  обеспечивает тестирование компьютера, начальную загрузку операционной  системы, а также выполнение  основных низкоуровневых услуг ввода-вывода;

2. Для передачи изображения на экран;

3.для хранения различных  расширений операционной системы,  которые поставляются вместе  с дополнительными устройствами компьютера.

 Дополнительная (expanded) память.

 Почти на всех персональных  компьютерах область памяти UMB редко  оказывается заполненной полностью.  Пустует, как правило, область  расширения системного ROM BIOS или  часть видеопамяти и области  под дополнительные модули ROM. На  этом и базируется спецификация  дополнительной памяти EMS

(Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus

 Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM- cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое

64-Кбайтное "окно", которое  разбито на страницы. Программные  и аппаратные средства позволяют  отображать любой сегмент дополнительной  памяти в любую из выделенных  страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор  всегда обращается к данным, хранимым  в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт (см. рис. 1). В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.

 Расширенная (extended) память.

Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. В отличие от i80286 микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно просто, именно поэтому для них в составе MS-DOS имеется специальный драйвер - менеджер памяти ЕММ386 (см. рис. 2).

 Кстати, при наличии  соответствующего драйвера расширенную  память можно эмулировать как  дополнительную. Аппаратную поддержку  в этом случае должен обеспечивать  микропроцессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies).

 Следует заметить, что  многие платы памяти, поддерживающие  стандарт LIM/EMS, могут использоваться  также и в качестве расширенной памяти.

| |Expanded- память | | | | |

| |Область HMA | | | |Область  НМА - память |

|1024 | |1000| | | |

|K | |0 h | | | |

| |Системный ROM BIOS | | | |ROM BIOS |

|960 K| |F000| | | |

| | |h | | | |

| |Расширение ROM BIOS | | | | |

|896 K| |E000| | |" Окно EMS " |

| | |h | | | |

| |... | | | | |

| |... | | | | |

| |Hard Disk ROM BIOS | | | |I/O ROM BIOS |

| | |C800| | | |

| | |h | | | |

|784 K|EGA/VGA ROM BIOS |C000| | | |

| | |h | | | |

| | | | | |Видеопамять |

|768 K|Дисплей CGA | | | | |

| | | | | |ОЗУ |

|736 K|Монохромный дисплей |B000| | | |

| | |h | | | |

| |Дисплей EGA/VGA | | | | |

| |... |A000| | | |

| |... |h | | |Драйвер ЕМM.SYS |

| |... | | | | |

| |TSR-программы | | | | |

| |DOS | | | |DOS |

|0 K | | | | | |

|Рис. 1 Дополнительная | | |Рис. 2 Расширенная |

|память | | |память |

 Кэш-память.

 Для достаточно быстрых  компьютеров (например, на основе intel-80386 с тактовой частотой более  25 мгц или intel-80486) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или

80486sx размер кэш-памяти  в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт

- вполне достаточным.  Компьютеры на основе intel-80486dx и  dx2 обычно оснащаются кэш-памятью  емкостью 256 кбайт.

Адресация памяти процессором.

 Микропроцессору i80x86 в  процессе своей работы постоянно  приходится адресовать адресное  пространство своей памяти. Остановимся подробнее на этом процессе.

 Основная проблема  сложности адресации в том  что двоичное слово(стандартный размер адресных регистров процессора) способно адресовать лишь 64Кб а в распоряжении процессора в 16 раз больше памяти, т. е. 1Мб.

 Разработчики процессора  нашли оригинальное решение проблеме.

 Решили записывать  каждый адрес не 2-мя а 4-мя байтами. Эти 4 байта разделяются на 2 слова(по 2 байта). Первое слово содержит абсолютный адрес а второе – относительное смещение.

 Теперь конкретнее. Абсолютный  адрес, записанный в первом  слове, это есть реальный адрес разделённый на 16. То есть первое слово адресует одну из кратных 16 часть памяти, называемую параграфом. Т. о. Абсолютное значение адреса это содержимое первого слова, умноженное на 16.

Относительный адрес представляет собой смещение относительно абсолютного  адреса до реально адресуемой ячейки.

 

 Вывод: реальный искомый  адрес это сумма относительного  смещения(второго слова) и умноженного на 16 абсолютного(первого слова).

 Именно этим способом  адресуется первый 1Мб ячеек памяти.

 Способ адресации "верхней"  памяти принципиально не отличается  и был частично рассмотрен в предыдущих главах.

 ОЗУ ПЭВМ IBM PC: взгляд со стороны.

 Память представляет  собой модули(платы с контактами) с несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в слоты – разъёмы на материнской плате компьютера. Модули памяти бывают нескольких видов. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды.

 По типу микросхем память подразделяют на 2 вида:

 SIMM(single in-line memory module) –наиболее часто используемый тип;

 DIMM(dual in-line memory module) – наиболее быстродействующий но и наиболее дорогой тип.

 По стабильности :

DRAM(dinamic RAM) – динамическая, наиболее часто используемая, наиболее дешёвая, но есть и недостаток: записанные данные из-за емкостной структуры памяти хранятся считанные доли секунды и поэтому память нуждается в периодической регенерации, что понижает удобство и скорость доступа к подобной памяти;

SRAM(static RAM) – статическая, лишена недостатков DRAM, из-за этого значительно дороже, используется в устройствах с критической скоростью доступа, в Кэш-памяти.

 Список используемой литературы:

I. П. Нортон. "Персональный  компьютер фирмы IBM и ОС MS-DOS", М.,

1991 г.

II. П. Нортон. "Программно-аппаратная  организация персонального компьютера IBM PC", М., 1991 г.