Лекция 3. Память

Память

Определение

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) – часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени.

Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

Задачи памяти

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

Операции

Процесс доступа к памяти разбит на разделенные во времени процессы – операцию записи 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), жесткие диски (винчестеры), CDили DVD-диски, а также устройства флеш-памяти

Запоминающее устройство

Систему называют запоминающим устройством (ЗУ), если она обладает способностью воспринимать и сохранять информацию, а затем при определенных условиях частично или полностью адекватно воспроизводить ее, обеспечивая достаточно длинный временной интервал между моментами прихода и использования информации

Запоминающее устройство

Простейшая модель, обладающая свойством памяти, состоит из запоминающих элементов (ячеек памяти), связанных с каналом ввода/вывода информации.
Поскольку в вычислительной технике информация представлена в двоичном коде, то запоминающее устройство должно содержать набор элементов, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.
Каждый такой элемент называется ячейкой памяти и имеет собственный уникальный адрес.

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 большинства современных компьютеров общего назначения.
Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных
Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жестко заданных выполняемых последовательностей.

Функции памяти

Любое перепрограммирование требовало огромного объема 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, на каких принципах функционирует цифровой компьютер (а современные компьютеры, как правило, работают в двоичной системе счисления).
Числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить (с определенной точностью) последовательностями битовых строк или двоичными числами.

Функции памяти

Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной емкости системы хранения
К настоящему времени создано множество устройств, предназначенных для хранения данных, основанных на использовании самых разных физических эффектов.

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.

Физические основы функционирования

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

по доступным операциям с данными;
по энергозависимости;
по порядку выборки;
по назначению;
по организации программно доступного адресного пространства;
по удаленности и доступности для центрального процессора;
по факту доступности для центрального процессора;
по организации хранения данных и алгоритму доступа к ним;
по физическому принципу

Классификация по доступным операциям с данными

память только для чтения (read-only memory, ROM);
память для чтения/записи (random-access memory, RAM).
Память на программируемых и перепрограммируемых ПЗУ не имеет общепринятого места в этой классификации.
Ее относят либо к подвиду памяти «только для чтения», либо выделяют в отдельный вид.
Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной частоте ее перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых информация часто меняется в процессе работы, а к ROM – предназначенные для хранения относительно неизменных данных.

Классификация по энергозависимости

энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) – память, реализованная в 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 в ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания
К этому типу памяти относятся память 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 памяти, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить ее периодическое восстановление (регенерацию).

Классификация по порядку выборки

с последовательным доступом (SAM) – когда ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очередности их расположения.
Вариант такой памяти – стековая память;
c произвольным доступом (RAM) – когда вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу

Классификация по назначению

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.
управляющая память (англ. control storage) – память, содержащая управляющие программы или микропрограммы.

Классификация по организации программно доступного адресного пространства

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

Классификация по удалённости и доступности для центрального процессора

первичная память, доступна ЦП без какого-либо обращения к внешним устройствам.
Это регистры процессора(Процессорная или регистровая память) и кэш процессора (если есть);
вторичная память, доступна ЦП путем прямой адресацией через шину адреса (Адресуемая память) или через другие выводы.
Таким образом, доступна основная память (память, предназначенная для хранения текущих данных и выполняемых программ) и порты вводавывода (специальные адреса, через обращение к которым реализовано взаимодействие с прочей аппаратурой);

Классификация по удалённости и доступности для центрального процессора

третичная память, доступна только путем нетривиальных последовательностей действий.
Сюда входят все виды внешней памяти – доступной через устройства ввода-вывода.
Взаимодействие с третичной памятью ведется по определенным 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).

Классификация по факту доступности для центрального процессора:

непосредственно управляемая (оперативно доступная) память (англ. on-line storage) – память, непосредственно доступная в данный момент времени центральному процессору;
автономная память.

Классификация по организации хранения данных и алгоритму доступа к ним

Повторяет классификацию структур данных
адресуемая память – память, в котором адресация осуществляется по местоположению данных
ассоциативная память (англ. associative memory, contentaddressable memory, CAM) – вид памяти, в котором адресация осуществляется на основе содержания данных, а не их местоположения
магазинная (стековая) память (англ. pushdown storage) – вид памяти, являющийся аппаратной реализацией стека

Классификация по организации хранения данных и алгоритму доступа к ним

матричная память (англ. matrix storage) – вид памяти, элементы (ячейки) которой имеют такое расположение, 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) – вид памяти, в которой данные размещаются и списываются в соответствии с некоторой структурой понятийных признаков

Классификация по физическому принципу

Полупроводниковая память (англ. semiconductor storage)
Магнитная память (англ. magnetic storage)
Оптическая память (англ. optical storage, laser storage)
Магнитооптическая память (англ magnetooptics storage)
Магниторезистивная память с произвольным доступом (англ. Spin Torque Transfer Random Access Memory, STT-RAM)

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимо учитывать при проектировании систем
Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет: 1024 бита, 4 кбит, 16 кбит, 64 кбит и т. п.
Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти M x N, где M – число слов, N – разрядность слова.
Например, кристалл емкостью 16 кбит может иметь различную организацию: 16 кбит x 1, 4 кбит x 4, 2 кбит x 8.
При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

Временные характеристики памяти

Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.
Время восстановления – это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША – адрес, с ШУ – сигнал "чтение" или "запись" и с ШД – данные.

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т. е. определяется стоимостью бита хранимой информации.
Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием.
Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме.
Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти

Основные характеристики полупроводниковой памяти

Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии.
Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием.

Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM — Read-Only Memory) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Классификация ПЗУ По типу исполнения

Массив данных совмещен с устройством выборки (считывающим устройством), в этом случае массив данных называется прошивка
микросхема ПЗУ;
один из внутренних ресурсов однокристальной микро ЭВМ (микроконтроллера), как правило FlashROM.
Массив данных существует самостоятельно:
компакт-диск;
перфокарта;
и др.

Классификация ПЗУ По технологии изготовления кристалла:

ROM — (англ. Read-Only Memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные
PROM — (англ. Programmable Read-Only Memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.
EPROM — (англ. Erasable Programmable Read-Only Memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)).
EEPROM — (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз
Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. Flash Memory).

Классификация ПЗУ По виду доступа

с параллельным доступом (Parallel mode или Random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ.
с последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др.

Классификация ПЗУ По способу программирования микросхем (записи в них прошивки)

непрограммируемые ПЗУ;
ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и довольно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.
внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)

Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.).
Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций.
Оперативная память передает процессору данные непосредственно, либо через кеш-память.
Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес

ОЗУ

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера

На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ

SRAM (Static RAM)
DRAM (Dynamic RAM)

Статическое ОЗУ

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM — Static Random Access Memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи.
Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только, пока есть питание, т.е. SRAM остается энергозависимым типом памяти.
Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрестно (кольцом) включенных инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке.
Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы.
Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

Преимущества SRAM:

Быстрый доступ. SRAM — это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.
Простая схемотехника — SRAM не требуются сложные контроллеры.
Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов

Недостатки SRAM:

Невысокая плотность записи (шесть элементов на бит, вместо двух у DRAM).
Высокое энергопотребление. Тем не менее, высокое энергопотребление не является принципиальной особенностью SRAM, оно обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора.
Энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM

Применение SRAM

SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объем ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счет отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.
В устройствах с большим объемом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM.
SRAM’ом же делают регистры и кэш-память.

Динамические ОЗУ

Динамическая память — Dynamic RAM — получила свое название от принципа действия ее запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем.
При отсутствии обращения к ячейке со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется, поэтому такая память требует периодической подзарядки конденсаторов (обращения к каждой ячейке) — память может работать только в динамическом режиме.
Этим она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на триггерных ячейках и хранящей информацию без обращений к ней сколь угодно долго (при включенном питании).

DRAM

Запоминающие ячейки микросхем DRAM организованы в виде двумерной матрицы.
Адреса строки и столбца передаются по мультиплексированной шине адреса MA (Multiplexed Address) и стробируются по спаду импульсов RAS# (Row Access Strobe) – строка и CAS# (Column Access Strobe) – столбец.
Совокупность ячеек DRAM образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов.
Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком.
Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.