Внутренние запоминающие устройства ЭВМ

Внутренние запоминающие устройства (внутренние ЗУ) непосредственно взаимодействуют с процессором. К ним относятся:

• • оперативная память (ОП) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• • кэш-память;
• • регистровая память процессора.

Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами, — это запись и считывание информации, которые в совокупности называются обращением к памяти.

Наиболее важные характеристики памяти — это ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа. Все внутренние ЗУ являются электронными устройствами и имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.

Оперативная память (ОП) называется памятью с прямым доступом (RAM — Random Access Memory), т. е. при обработке информации процессором может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти независимо от порядка расположения ячеек.

Назначение оперативной памяти — временное хранение и передача данных и команд, необходимых для выполнения операций процессором в данный момент. ОП является энергозависимой памятью, информация в ней сохраняется только при включенном компьютере. Поэтому перед выключением компьютера всю нужную информацию необходимо сохранить на каком-либо устройстве внешней памяти, иначе она будет потеряна.

Физически ОП в ПК представлена набором микросхем или модулей памяти, вставляемых в разъемы системной платы. Обычно используется память динамического типа (DRAM), которая, являясь недорогой, позволяет размещать в небольшом пространстве достаточно большое, но емкости ЗУ. На сегодняшний день в качестве модулей памяти предлагается использовать оперативную память типа DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая намять с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Она выпускается в виде 184-контактных модулей, емкость достигает 8 Гбайт, а частота — 2400 МГц и больше. Ведущими производителями являются фирмы Transcend, Kingston, Western Digital, A-DATA и др.

Скорость обработки данных в компьютере существенно зависит от времени доступа к ОП. Чем больше время задержки сигнала (тайминг или латентность) при передаче данных из ОП в процессор, тем ниже производительность компьютера. Так как цикл работы динамической памяти больше цикла работы процессора, обращение к ОП может существенно замедлить обработку данных. Поэтому в современных компьютерах используется промежуточный буфер между процессором и ОП — кэш-память, которая выполнена на базе более быстрых статических модулей памяти.

В общем случае иод кэш-памятью понимается быстродействующая память, предназначенная для ускорения доступа к данным, размещенным в памяти, обладающей меньшим быстродействием. Принцип ее работы состоит в том, что по мере работы устройства кэш-память заполняется блоками данных из памяти, обладающей меньшим быстродействием, и при последующих обращениях к медленной памяти сначала проверяется наличие этих данных в кэш-памяти. Если нужные данные уже размещены в ней, то их загрузка осуществляется существенно быстрее. Если нужных данных в кэш-памяти нет, то происходит обращение к медленно действующей памяти и считанные из нее блоки данных загружаются в кэш-память вместо неиспользуемого в данный момент фрагмента данных кэш-памяти. Разработаны различные механизмы, позволяющие так спланировать загрузку-выгрузку данных из кэш-памяти, чтобы обеспечить оптимизацию времени доступа к данным медленно действующей памяти.

В современных компьютерах кэш-память разделена на несколько уровней. Кэш-память первого уровня (L1) является самой быстрой, расположена внутри процессора на том же кристалле и функционирует со скоростью процессора. Во многих случаях L1 разделена на две части: кэш команд и кэш данных. Емкость L1 обычно небольшая (от 64 до 384 Кбайт).

Второй уровень кэш-памяти (L2) обычно существенно больше по емкости (от сотен килобайт до 12 Мбайт) и может располагаться также внутри процессора на кристалле (в более старых процессорах — отдельно в виде микросхем на системной плате). Емкость L2 имеет большое значение для процессора, оказывая существенное влияние на его производительность.

Кэш-память третьего уровня (L3) больше по емкости (может превышать 24 Мбайт), еще медленнее, чем кэш второго уровня, но значительно быстрее, чем ОП.

В некоторых высокопроизводительных ЭВМ имеется кэш-память четвертого уровня, которая выполняется в виде отдельной микросхемы.

Помимо процессора, собственную кэш-память имеют различные внешние устройства (например, накопители на дисках). Она не относится к внутренним ЗУ и является специализированной памятью конкретного устройства. Кроме того, в современных операционных системах всегда используется кэширование дисков. Для этого выделяется область оперативной памяти, через которую происходит обмен данными с накопителем.

Регистровая память процессора — внутренняя память процессора,? которой собственно и происходит преобразование данных, получаемых из ОП или кэш-памяти. Это самая быстродействующая память, но и самая малая по емкости (несколько регистров по 32 и 64 бита).

К внутренним ЗУ относится также постоянная память (ПЗУ), которая предназначена для хранения неизменяющейся информации: содержащихся в базовой системе ввода-вывода — BIOS — программ, необходимых для запуска работы компьютера. Она обеспечивает хранение информации и выполняет только операцию считывания, поэтому называется постоянной (ROM — Read Only Memory). Постоянная память является энергонезависимой и сохраняет информацию после отключения электропитания. Информация записывается в микросхему ПЗУ при ее изготовлении и остается неизменной, но при необходимости содержимое BIOS можно перезаписать с целью обновления.