Компоненты внутренней памяти

Внутренняя память является хранилищем программного кода и данных и включает в себя оперативную память (ОЗУ) и некоторые виды специальной памяти. Все виды внутренней памяти обычно присутствуют на материнской плате в качестве ее электронных компонентов.

Оперативная память (ОЗУ, RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ. За полувековую историю сменилось не одно поколение элементной базы, на которой была основана оперативная память компьютеров. Исторически первой была энергонезависимая память, которая позволяла при отключении питания машины хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца). В основном в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Один ферритовый сердечник мог хранить 1 бит информации. Банки памяти на ферритовых сердечниках были очень сложными в изготовлении. Память работала медленно, на перемагничивание сердечников требовалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой, полупроводниковой памятью, более быстрой, экономной по габаритам и дешевой.

Оперативная память характеризуется тремя величинами — типом, объемом и быстродействием. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти типа SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из–за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически подзаряжают, примерно через каждые 2 миллисекунды. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Вид памяти, с которым может работать компьютер, зависит от используемой материнской платы. Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual–In–line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM. Модули памяти характеризуются такими параметрами: паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184).

Специальная память. К устройствам специальной памяти относятся: CMOS– память, видеопамять и некоторые другие виды.

Кэш–память. При работе компьютера все вычисления происходят в процессоре, а данные для этих вычислений и их результаты хранятся в оперативной памяти. Скорость работы процессора в несколько раз превосходит скорость обмена информацией с оперативной памятью. Учитывая, что между двумя операциями процессора может выполняться одна или несколько операций с более медленной памятью, получаем, что процессор должен время от времени простаивать, общая производительность компьютера от этого падает.

Оперативная память с повышенным быстродействием стоит намного дороже памяти со стандартными характеристиками. Поэтому в конфигурацию компьютера была введена специальная кэш–память, так называемая «сверхоперативная» память. В кэш–памяти хранится информация, копируемая из оперативной памяти или с внешних носителей. Каждый раз при обращении процессора к памяти контроллер кэш–памяти проверяет наличие данных в кэше. Если эти данные в кэше имеются, то процессор получает данные из кэша. В противном случае выполняется обычный цикл обращения к оперативной памяти.

Процитируем доклад академика С. А. Лебедева:

«Помимо быстродействия арифметического устройства, существенным фактором является время обращения к запоминающему устройству. Одним из решений уменьшения времени обращения к запоминающему устройству является создание дополнительной «сверхбыстродействующей оперативной памяти» сравнительно небольшой емкости. Создание такой «памяти» позволит сократить время стандартных вычислений… Для более полного использования арифметических устройств требуется, чтобы заполнение «сверхбыстродействующей памяти» на общей «памяти» машины осуществлялось одновременно с выполнением вычислений».

В этом фрагменте доклада оперативная память с повышенным быстродействием кэш–памятью не называется, но таковой является.

Существует три типа кэш–памяти. Кэш–память I–го уровня встроена непосредственно в сам процессор. Ее размер может достигать 64 Кбайт и более в зависимости от типа процессора. Кэш–память II–го уровня размещена между процессором и оперативной памятью. Ее размер обычно равен 256 или 512 Кбайт. В кэш–памяти хранится только наиболее часто используемая информация. Ее отбором заведуют специальные программы. Кэш–памятью III–го уровня называют ту часть оперативной памяти, которую отводят для кэширования устройств внешней памяти. Размер кэш–памяти III–го уровня на современных компьютерах достигает 1–2 Мбайт.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Информация в ПЗУ записывается на заводе–изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ (ППЗУ) отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будет невозможно удалить до следующей операции стирания информации.

CMOS–память (Сomplementary Мetal Oxode Semiconductor –комплиментарный металл – оксид – полупроводниковый). CMOS–память – энергозависимая, перезаписываемая память, которая при своей работе почти не потребляет энергии. Достоинства этой памяти – низкое потребление энергии, высокое быстродействие; питается от небольшого аккумулятора, встроенного в материнскую плату. В CMOS–памяти компьютера находятся важные для его работы настройки, устанавливаемые с помощью программы Setup.