Комп'ютерна пам'ять. Типи та швидкодія. Лекція 3

1.

Лекція № 3
Тема: Комп'ютерна
пам'ять. Типи та
швидкодія.

2.

– Вступ;
-Функції пам'яті;
-Фізичні основи функціонування;
-Класифікація типів пам'яті;
-Швидкодія запам'ятовуючих пристроїв;
- Література.

3.

ВІС – велика інтегральна схема;
ІС – інтегральна схема;
ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій;
ПЗП – постійний запам'ятовуючий пристрій;
ПК – персональний комп'ютер;
ЕОМ - електронно-обчислювальна машина;
Рixel - picture element;

4.

Комп'ютерна пам'ять (пристрій зберігання інформації,
що запам'ятовує пристрій) - частина обчислювальної
машини,
фізичний
пристрій
або
середовище
для
зберігання даних, що використовуються в обчисленнях
протягом
певного
часу.
Пам'ять,
як
і
центральний
процесор, є постійною частиною комп'ютера з 1940-х.
Пам'ять у обчислювальних пристроях має ієрархічну
структуру і зазвичай передбачає використання декількох
пристроїв,
що
характеристики.
запам'ятовують,
що
мають
різні

5.

У персональних комп'ютерах "пам'яттю" часто називають один з
її видів - динамічна пам'ять з довільним доступом (DRAM), - яка в
даний час використовується як ОЗП персонального комп'ютера.
Завданням комп'ютерної пам'яті є зберігання у своїх осередках
стану зовнішнього впливу, запис інформації. Ці осередки можуть
фіксувати найрізноманітніші фізичні дії (див. нижче). Вони
функціонально аналогічні звичайному електромеханічному
перемикачу і інформація в них записується у вигляді двох чітко
помітних станів - 0 і 1 («вимкнено»/«включено»).

6.

Спеціальні механізми забезпечують доступ (зчитування,
довільне чи послідовне) до стану цих осередків.
Процес доступу до пам'яті розбитий на поділені в часі
процеси - операцію запису (сленг. прошивка, у разі запису ПЗП)
та читання, у багатьох випадках ці операції виконуються під
керуванням окремого спеціалізованого пристрою - контролера
пам'яті
Найбільш відомі пристрої, що використовуються в
персональних комп'ютерах: модулі оперативної пам'яті (ОЗП),
жорсткі диски (вінчестери), дискети (гнучкі магнітні диски), CDабо DVD-диски, а також пристрої флеш-пам'яті.

7.

Комп'ютерна пам'ять забезпечує підтримку однієї з
функцій сучасного комп'ютера, здатність тривалого зберігання
інформації. Разом з центральним процесором запам'ятовує
пристрій є ключовими ланками, так званої архітектури фон
Неймана, - принципу, закладеного в основу переважної
більшості сучасних комп'ютерів.
Перші комп'ютери використовували пристрої, що
запам'ятовують, виключно для зберігання оброблюваних
даних. Їхні програми реалізовувалися на апаратному рівні у
вигляді жорстко заданих виконуваних послідовностей.

8.

Будь-яке
перепрограмування
вимагало
величезного
обсягу ручної роботи з підготовки нової документації,
перекомутації, перебудови блоків і пристроїв і т. д. Будь-яка
інформація може бути виміряна в бітах і тому незалежно від
того, на яких фізичних принципах і в якій системі числення
функціонує
цифровий
комп'ютер,
числа,
текстова
інформація, зображення, звук, відео та інші види даних
можна
надати
послідовностями
двійковими числами.
бітових
рядків
або

9.

До теперішнього часу створено безліч пристроїв,
призначених для зберігання даних, заснованих на
використанні різних фізичних ефектів. Універсального
рішення не існує, у кожного є свої переваги і свої
недоліки, тому комп'ютерні системи зазвичай
оснащуються декількома видами систем зберігання,
основні властивості яких зумовлюють їх використання та
призначення.

10.

В основі роботи пристрою може лежати будь-який фізичний
ефект, що забезпечує приведення системи до двох або більш
стійких станів. У сучасній комп'ютерній техніці часто
використовуються фізичні властивості напівпровідників, коли
проходження струму через напівпровідник або його відсутність
трактуються як наявність логічних сигналів 0 або 1.
Стійкі стани, що визначаються напрямом намагніченості,
дозволяють використовувати для зберігання даних різноманітні
магнітні матеріали.

11.

Наявність або відсутність заряду в конденсаторі може
бути покладено в основу системи зберігання. Відображення
або розсіювання світла від поверхні CD, DVD або Blu-ray
диска також дозволяє зберігати інформацію.

12.

Слід розрізняти класифікацію пам'яті та класифікацію
пам'яті
(ЗП).
Перша
класифікує
пам'ять
щодо
функціональності, друга ж — з технічної реалізації. Тут
розглядається перша — в такий спосіб, у неї потрапляють
як апаратні види пам'яті (реалізовані на ЗП), і структури
даних, реалізовані переважно програмно.

13.

Доступні операції з даними
Пам'ять лише для читання (read-only memory, ROM)
Пам'ять для читання/запису
Пам'ять на програмованих та перепрограмованих ПЗП не
має загальноприйнятого місця у цій класифікації. Її відносять або
до підвиду пам'яті "тільки для читання", або виділяють в окремий
вигляд.
Також пропонується відносити пам'ять до того чи іншого
виду за характерною частотою її перезапису на практиці: до RAM
відносити види, в яких інформація часто змінюється в процесі
роботи, а до ROM - призначені для зберігання відносно незмінних
даних.

14.

Енергозалежність
Енергонезалежна пам'ять (англ. nonvolatile storage) -
пам'ять, реалізована ЗУ, записи в яких не стираються при
знятті електроживлення.
Енергозалежна пам'ять (англ. volatile storage) - пам'ять,
реалізована ЗУ, записи в яких стираються при знятті
електроживлення. До цього типу пам'яті належать пам'ять,
реалізована на ОЗУ, кеш-пам'ять.
Статична пам'ять (англ. static storage) - енергозалежна
пам'ять, якої для зберігання інформації достатньо
збереження напруги живлення;

15.

Динамічна пам'ять (англ. dynamic storage) -
енергозалежна пам'ять, в якій інформація з часом
руйнується (деградує), і, крім подачі електроживлення,
необхідно проводити її періодичне відновлення
(регенерацію)).
Метод доступу
Послідовний доступ (англ. sequential access memory,
SAM) - осередки пам'яті вибираються (зчитуються)
послідовно, одна за одною, в чергу їх розташування.
Варіант такої пам'яті – стікова пам'ять.

16.

Довільний доступ (англ. random access memory, RAM) -
обчислювальний пристрій може звернутися до довільного
осередку пам'яті за будь-якою адресою.
Призначення
Буферна пам'ять (англ. buffer storage) - пам'ять,
призначена для тимчасового зберігання даних при обміні
ними між різними пристроями або програмами.
Тимчасова (проміжна) пам'ять (temporary (interme-diate)
storage) — пам'ять для зберігання проміжних результатів
обробки.

17.

Кеш-пам'ять (англ. cache memory) - частина архітектури
пристрою або програмного забезпечення, що зберігає часто
використовуваних даних для надання їх у більш швидкий доступ,
ніж пам'ять, що кешується.
Коригуюча пам'ять (англ. patch memory) - частина пам'яті
ЕОМ, призначена для зберігання адрес несправних осередків
основної пам'яті. Також використовуються терміни "relocation
table" та "remap table".
Керуюча пам'ять (англ. control storage) - Пам'ять, що містить
керуючі програми або мікропрограми. Зазвичай реалізується як
ПЗУ.

18.

Пам'ять або пам'ять колективного доступу, що
розділяється (англ. shared memory, shared access memory)
— пам'ять, доступна одночасно кільком користувачам,
процесам або процесорам.
Організація адресного простору
Реальна чи фізична пам'ять (англ. real (physical)
memory) - пам'ять, спосіб адресації якої відповідає
фізичному розташуванню її даних;
Віртуальна пам'ять (англ. virtual memory) - Пам'ять,
спосіб адресації якої не відображає фізичного
розташування її даних;

19.

Оверлейна пам'ять (англ. overlayable storage) - пам'ять, в
якій присутні кілька областей з однаковими адресами, з яких
у кожний момент доступна тільки одна.
Віддаленість та доступність для процесора
Первинна пам'ять (надоперативна, СОЗП) доступна
процесору без будь-якого звернення до зовнішніх пристроїв.
Ця пам'ять відрізняється вкрай малим часом доступу і тим, що
неадресна для програміста.
регістри процесора (процесорна або регістрова пам'ять) -
регістри, розташовані безпосередньо в АЛП;

20.

Кеш процесора — кеш, що використовується
мікропроцесором для зменшення середнього часу доступу до
пам'яті комп'ютера. Поділяється на кілька рівнів, що
відрізняються швидкістю та об'ємом (наприклад, L1, L2, L3).
Вторинна пам'ять – доступна процесору шляхом прямої
адресації через шину адреси. Таким чином доступна основна
пам'ять (пам'ять, призначена для зберігання поточних даних і
програм, що виконуються) і порти введення/виведення
(спеціальні адреси, через звернення до яких реалізована
взаємодія з іншою апаратурою).

21.

Третинна пам'ять доступна тільки шляхом нетривіальної
послідовності дій. Сюди входять усі види зовнішньої пам'яті –
доступною через пристрої введення/виведення. Взаємодія з
третинною пам'яттю ведеться за певними правилами
(протоколом) і вимагає присутності в пам'яті відповідних
програм. Програми, що забезпечують мінімально необхідну
взаємодію, містяться в ПЗП, що входить у вторинну пам'ять.
Положення структур даних, розміщених у основній
пам'яті, у цій класифікації неоднозначно. Як правило, їх
взагалі до неї не включають, виконуючи класифікацію з
прив'язкою до видів ЗУ, що традиційно використовуються..

22.

Управління процесором
Безпосередньо керована (оперативно доступна) пам'ять
(англ. on-line storage) - пам'ять, безпосередньо доступна в
даний час центральному процесору.
Автономна пам'ять - пам'ять, реалізована, наприклад за
допомогою служби зовнішніх носіїв у Windows 2000, що
передбачає оперативне управління бібліотеками носіїв і
пристроями з автоматичною подачею дисків, що полегшує
використання знімних носіїв типу магнітних стрічок і знімних
дисків, магнітних або оптичних.

23.

Організація зберігання даних та алгоритми доступу до
них
Повторює класифікацію структур даних:
Пам'ять, що адресується — адресація здійснюється за
місцезнаходженням даних.
Асоціативна пам'ять (англ. associative memory, content-
addressable memory, CAM) - адресація здійснюється за змістом
даних, а не за їх місцезнаходженням.
Магазинна (стекова) пам'ять (англ. pushdown storage) -
реалізація стека.

24.

Матрична пам'ять (англ. matrix storage) - осередки
пам'яті розташовані так, що доступ до них здійснюється за
двома або більше координатами.
Об'єктна пам'ять (англ. object storage) - Пам'ять,
система управління якої орієнтована на зберігання
об'єктів. При цьому кожен об'єкт характеризується типом
та розміром запису.
Семантична пам'ять (англ. semantic storage) - дані
розміщуються та списуються відповідно до деякої
структури понятійних ознак

25.

Швидкодія процесора виявляється у мегагерцах (МГц),
а швидкодія запам'ятовуючого пристрою та її ефективність
— в наносекундах.

26.

Таблиця 1 - Залежність між тактовою частотою в мегагерцах і
тривалістю циклу в наносекундах

27.

Слід зазначити, що при збільшенні тактової частоти
тривалість циклу зменшується, а швидкодія, що відповідає
60 нс пам'яті DRAM, що використовується у звичайному
комп'ютері, мізерно порівняно з процесором, що працює
на частоті 400 МГц і вище. Донедавна більшість мікросхем
DRAM, що використовуються в персональних комп'ютерах,
мали час доступу 60 нс, що рівнозначно тактовій частоті
16,7 МГц.

28.

Оскільки транзистори для кожного біта в мікросхемі
пам'яті розміщені у вузлах ґрат, найбільш раціонально
адресувати кожен транзистор, використовуючи номер
стовпця та рядки. Спочатку вибирається рядок, потім
стовпець адреси і, нарешті, надсилаються дані. Початкова
установка рядка та стовпця адреси займає певний час,
який зазвичай називають часом затримки або очікуванням.
Час доступу для пам'яті дорівнює часу затримки для
вибірки стовпця та рядка адреси плюс тривалість циклу.

29.

Наприклад, пам'ять з часом доступу 60 нс зазвичай
має час затримки 25 нс (щоб вибрати рядок та стовпець
адреси) та тривалість циклу 35 нс (щоб фактично передати
дані). Таким чином, справжня тактова частота пам'яті з
часом затримки 60 нс становила б близько 285 МГц (35 не
= 285 МГц). Навіть у цьому випадку для однієї-єдиної
передачі даних потрібно 60 нс, так що послідовні передачі
даних могли б здійснюватися тільки на частоті 16,7 МГц
через додатковий час очікування.

30.

Що ж відбувається, коли процесор, що працює на частоті
300 МГц, багато разів зчитує байти даних із пам'яті, що
працює на частоті 16 МГц? Виникає велика серія станів
очікування.
Якщо тривалість циклу пам'яті дорівнює 60 нс (16 МГц), а
тривалість циклу процесора — З нс (300 МГц), то процесор має
у стані очікування приблизно 19 циклів — до 20-го циклу,
тобто. до надходження даних. Таким чином, стан очікування
уповільнює роботу процесора настільки, що він цілком може
функціонувати на частоті 16 МГц.

31.

Таблиця 2 - Порівняння швидкодії системної плати та
оперативної пам'яті

32.

Як видно з таблиці 2, один тип пам'яті використовувався
протягом 15 років, тоді як процесори за цей же час зробили
гігантський ривок у продуктивності від 5 до 200 МГц. Нині цей
недолік починає виправляти пам'ять RDRAM (Rambus DRAM).

33.

Комп'ютерна пам'ять — це частина обчислювальної машини,
фізичний пристрій або середовище для зберігання даних, що
використовуються в обчисленнях протягом певного часу.
Завданням комп'ютерної пам'яті є зберігання у своїх осередках
стану зовнішнього впливу, запис інформації.
Процес доступу до пам'яті розбитий на розділені в часі процеси операцію запису та операцію читання, у багатьох випадках ці операції
відбуваються під управлінням окремого спеціалізованого пристрою контролера пам'яті.
Найбільш відомі пристрої, що використовуються в персональних
комп'ютерах: модулі оперативної пам'яті (ОЗП), жорсткі диски
(вінчестери), дискети (гнучкі магнітні диски), CD- або DVD-диски, а
також пристрої флеш-пам'яті.

34.

1. Наведіть основні функції пам'яті.
2. Розкажіть про фізичні основи функціонування ОЗП.
3. Наведіть класифікацію типів пам'яті.
4. Які параметри впливають на швидкодію пристроїв, що
запам'ятовують.

35.

Основна література
1. Модернизация и ремонт ПК/ Скотт Мюллер.Вильямс,2019.-991с..
2. Основы теории
вычислительных
систем/ Под
ред. С.А.Майорова.-М.: Высшая школа,2012.-408 с.
3. IBM PC для пользователя/ В.Э.Фигурнов – М.:
ИНФРА-М,2008.-480с.
4. Электронные вычислительные машины и
системы/ Б.М.Коган.-М:Энергоатомиздат,2011.-592 с.