Устройство памяти. Устройства образующие оперативную память

Основная память. Главным устройством памяти для компьютеров второго поколения и для многих больших компьютеров третьего поколения был магнитный сердечник – крохотное колечко магнитного материала размером с бусинку. С помощью тонких проводов, прошивающих колечки в вертикальном и горизонтальном направлениях, из этих сердечников вяжется сетка внутри компьютера. Каждый сердечник хранит магнитный заряд. Направление магнитного потока определяет состояние 1 или 0. Запоминающее устройство на сердечниках было изобретено в 1948 Э.Уонгом и широко использовалось в 1950–1960-х годах.

Запоминающее устройство на сердечниках является энергонезависимой памятью, т.е. оно сохраняет свое содержимое даже тогда, когда электроэнергия отключается. Сердечники выполняли функции появившихся ранее ламповых триггеров и привели к появлению термина «оперативная память». Позже память на сердечниках была вытеснена микроэлектронными устройствами, однако она все еще используется в армейском оборудовании, на космических кораблях и для других специальных применений.

Важным дополнением к микропроцессору является память на интегральных схемах. Существуют два основных класса этой памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10–20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. ОЗУ потребляют довольно мало энергии, если сравнивать их с другими интегральными схемами примерно тех же размеров и плотности упаковки. Некоторые ОЗУ расходуют так мало энергии, что достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или хотя бы поддерживать их память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах.

При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Кроме того, свой проигрыш в скорости реакции ПЗУ компенсируют плотностью упаковки.

Характеристика ОЗУ и ПЗУ, именуемая произвольным доступом, относится к способности микропроцессора или другого ЦП получать доступ к любому элементу памяти в любое время. Например, если телефонный номер хранится где-нибудь в ОЗУ или ПЗУ и ЦП (через свою программу) знает, где этот номер находится, то ЦП может набрать его почти мгновенно. Важно лишь, чтобы было известно, где он находится.

Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ-подобные устройства обладают, так сказать, полупостоянной памятью, т.е. они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности (например, в стираемом ПЗУ – СПЗУ) или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

Внешняя память. К внешней, или периферийной, памяти относятся магнитные ленты, магнитные диски и память на магнитных доменах. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

Магнитные ленты в качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудио- и видеомагнитофонным кассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяются непрерывно, – например, от пианиссимо скрипки до мажорного звука духового инструмента рок-группы. Для использования этих носителей в компьютерах необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровую форму, т.е. в сигналы, соответствующие двоичным цифрам 0 и 1. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель. Тем не менее в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты. Эти ленты удобны для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем (см. ниже).

По виду ленточные картриджи похожи на аудиокассеты, но предназначены для цифровой записи. Плотность записи в них выше, чем у аудиокассет, а ленты подвергаются специальному тестированию. Они используются при создании резервных копий для систем на жестких дисках. Цифровые аудиоленты также используются в качестве средства резервирования. При этом в кассете меньшего размера, чем аудиокассета, может храниться до миллиарда байт данных. Все типы ленточных запоминающих устройств имеют один основной недостаток – последовательный режим работы, т.е. лента должна прокручиваться до нужного элемента, что отнимает много времени. Требование экономии времени вынуждает пользователя обращаться к другому, более популярному средству хранения информации для небольших компьютеров, – гибкому диску, или дискете.

Гибкий магнитный диск является компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которого нанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт или оболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода.

Гибкие диски «проигрываются» аналогично грампластинке, но с помощью головки магнитной записи, а не иголки. Подобно магнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных; поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено.

Гибкий диск, в отличие от магнитной ленты, является средством произвольного доступа. Информация, записанная на диске, располагается концентрическими окружностями (дорожками) на его поверхности. Одна или две дорожки обычно используются для хранения оглавления. Чтобы найти конкретную запись на диске, компьютер дает указание магнитной головке переместиться к дорожке с оглавлением и найти координаты места нужной информации; при этом диск вращается под магнитной головкой. Как только нужная запись найдена в оглавлении, компьютер приказывает магнитной головке переместиться к соответствующему месту диска. Те же принципы действуют при записи информации. Чтобы изменить информацию на магнитной ленте, надо прочитать всю ленту, вставить изменения и перезаписать измененный вариант. Принцип гибкого диска позволяет исправить конкретный сегмент записей, не затрагивая остальной поверхности. Вот почему запись на диске может быть осуществлена частями, каждая из которых вставляется в любое подходящее место. Единственное дополнительное требование состоит в том, чтобы оглавление на диске изменялось в соответствии с изменениями, сделанными на этом диске.

Промышленность выпускает гибкие диски в основном размера 3,5 дюйма (89 мм). Типичный гибкий диск может хранить до 1,5 млн. знаков (байтов), что эквивалентно 900 страницам машинописного текста, напечатанного через два интервала. Имеются также диски большей информационной емкости. Дисководами для гибких дисков оснащаются практически все персональные компьютеры.

Жесткий диск подобен гибкому, но сделан из прочных и жестких материалов. Он может вращаться быстрее и вмещает больше информации. Типичный дисковод жесткого диска для персонального компьютера почти не отличается размерами от дисковода гибкого диска, но емкость современного жесткого диска достигает 25–50 Гб, т.е. в тысячи раз больше, чем у гибкого. Кроме того, жесткие диски гораздо быстрее связываются со своим компьютером, чем дискеты. Поиск, который длится до нескольких секунд на дискете, занимает на жестком диске лишь сотые доли секунды. Жесткий диск в большинстве компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения.

Обычно жесткий диск заключается в прочный герметичный корпус. Если такой диск отказывает, то компьютер, не имеющий резервной памяти, становится бесполезным. Некоторые жесткие диски, подобно гибким, могут удаляться из дисковода. Жесткие диски дороже дискет, однако стоимость единицы емкости у них постоянно уменьшается.

СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ на компакт-диске. При записи твердотельный лазер «выжигает» информацию на диске в виде крошечных углублений. При поиске такой же лазер используется (но в режиме пониженной мощности) для «чтения» информации: отраженный свет лазера преобразуется в электрические сигналы, которые воспроизводят первоначальную информацию. Положение лазера в режиме записи и поиска задается линейными двигателем и оптическим датчиком. 1 – подложка; 2 – слой оксида; 3 – покрытие; 4 – деталь; 5 – лазерный луч; 6 – линейный оптический датчик положения; 7 – оптическая головка; 8 – диск; 9 – лазерный диод; 10 – фотоприемник; 11 – линейный двигатель.

Оптический диск имеет сходство как с магнитным диском, так и с граммофонной пластинкой. Существуют диски CD-ROM, диски с однократной записью и многократным чтением и стираемые диски. Компакт-диски и диски с однократной записью используются для хранения большого количества информации, не подлежащей изменению. Последние заполняются только один раз, и введенная информация не может быть стерта. Стираемые оптические диски могут использоваться аналогично жестким дискам. По размерам оптические диски варьируются от размеров видеодиска до диаметров 133 мм и менее, характерных для звуковых компакт-дисков. См. также ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОМПАКТ-ДИСК

Оптический диск, как и грампластинка, хранит информацию на спиральной дорожке. Как и в случае с магнитным диском, считывающая головка оптического плейера перемещается вдоль фиксированной направляющей радиально вперед-назад, а не на рычаге, вращающемся около некоторого центра, как в случае грампластинки. Для записи и чтения информации используется лазерный луч.

Оптический компакт-диск хранит информацию в форме маленьких поверхностных углублений, соответствующих двоичным числам. Вариации интенсивности лазерного луча, отраженного от этих углублений, распознаются фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы. Стираемые оптические диски имеют покрытие, которое реагирует на магнитное поле от записывающей головки дисковода изменением оптической поляризации. Затем эти изменения могут быть превращены считывающей головкой в электрические сигналы. Информация, записанная на магнитооптическом диске, стирается путем комбинированного действия магнитного поля и лазерного луча.

На диске CD-ROM диаметром 120 мм может храниться свыше 300 000 страниц печатного текста, или 650 Мб информации. Коммерческие CD-ROM используются для размещения многочисленных и разнообразных справочных материалов, клипов для компьютерной графики, анимации и комбинаций текста, звука и изображений. Они становятся незаменимыми в мультимедийных системах. Магнитооптические диски имеют такие же размеры, как и распространенные дискеты (89 и 133 мм).

Технология производства запоминающих устройств постоянно совершенствуется, что приводит к повышению быстродействия и надежности и снижению стоимости, а у пользователя появляется выбор, практически удовлетворяющий поставленной вычислительной задаче.