Устройство и принцип работы оперативной памяти

Оперативная память - это неотъемлемый компонент любой компьютерной системы, эта память хранит в себе данные, необходимые для работы всей системы в определённый момент времени. При создании чипов оперативной памяти используют динамическую память, которая медленнее, но дешевле чем статическая, которая используется при создании кеш памяти процессоров.

Из чего состоит ядро оперативной памяти

Ядро микросхемы оперативной памяти состоит из огромного количества ячеек памяти, которые объединены в прямоугольные таблицы - матрицы. Горизонтальные линейки матрицы называют строками , а вертикальные столбцами . Весь прямоугольник матрицы называться страницей , а совокупность страниц называется банком .

Горизонтальные и вертикальные линии являются проводником, на пересечении горизонтальных и вертикальных линий и находятся ячейки памяти .

Из чего состоит ячейка памяти

Ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора и одного конденсатора . Конденсатор выполняет роль хранителя информации, он может хранить один бит данных, то есть либо логическую единицу (когда он заряжен), либо логический ноль (когда он разряжен). Транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания.

Регенерация памяти

Конденсатор, который служит хранителем данных, имеет микроскопические размеры и как следствие маленькую ёмкость, и ввиду этого не может долго хранить заряд заданный ему, по причине саморазряда. Для борьбы с этой проблемой, используется регенерация памяти , которая, с определённой периодичностью считывает ячейки и записывает заново. Благодаря подобному явлению, эта память и получила название динамической.

Чтение памяти

Если нам нужно прочитать память, то на определённую строку страницы памяти, подаётся сигнал, который открывает транзистор и пропускает электрический заряд, который содержится (или не содержится) в конденсаторе на соответствующий столбец. К каждому столбцу подключен чувствительный усилитель, который реагирует на незначительный поток электронов выпущенных с конденсатора. Но тут есть нюанс - сигнал, поданный на строку матрицы, открывает все транзисторы данной строки, так как они все подключены на данную строку, и таким образом происходит чтение всей строки. Исходя из вышесказанного, становится ясно, что строка в памяти, является минимальной величиной для чтения - прочитать одну ячейку, не затронув другие невозможно.

Процесс чтения памяти является деструктивным, так как прочитанный конденсатор отдал все свои электроны, что бы его услышал чувствительный усилитель. И по этому, после каждого чтения строки, её нужно записать заново.

Интерфейс памяти

У интерфейсной части памяти следует выделить линии адреса и линии данных. Линии адреса указывают на адрес ячейки, а линии данных производят чтение и запись памяти.

Не забываем оставлять

Данные в ЭВМ - это наборы битов, байтов и записей, которые должны быть записаны в памяти машины.

В современных ЭВМ данные размещаются не только в оперативной, но и в долговременной памяти.

В долговременной памяти могут размещаться данные больших объемов, а также целые комплексы программ, используемых для управления работой ЭВМ и автоматизированных систем.

Как устроена память компьютера

Память компьютера лучше всего представить себе в виде последовательности ячеек. Количество информации в каждой ячейке – один байт.

Любая информация сохраняется в памяти компьютера в виде последовательности байтов. Байты (ячейки) памяти пронумерованы один за другим, причем номер первого от начала памяти байта приравнивается к нулю. Каждая конкретная информация, которая сохраняется в памяти, может занимать один или несколько байтов. Количество байтов, которые занимает та или иная информация в памяти, являются размером этой информации в байтах.

Например, целое плюсовое число от 0 до 2 8 -1=255 занимает 1 байт памяти. Для хранения целого плюсового числа от 2 8= 256 до 2 16 -1=65536 нужно уже два последовательных байта.

Основная задача при работе с памятью состоит в том, чтобы найти место в памяти, где находится необходимая информация.

Для того, чтобы найти человека в большом городе, необходимо знать его точный адрес. Так же, чтобы найти место той или иной информации в памяти, введено понятие адреса в памяти.

Например, если слово "информатика", которое состоит из 11 букв, занимает байты с номерами от 1234 до 1244 (всего 11 байтов), то адрес этого слова равняется 1234.

Чем больше объем памяти, тем больше файлов и программ она может вместить, тем больше задач можно развязать с помощью компьютера.

Чем же определяется объем доступной памяти компьютера или какое наибольшее число можно использовать для указания адреса?

Адрес, как и любая информация в компьютере, подается в двоичном виде. Значит, наибольшее значение адреса определяется количеством битов, которые используются для его двоичной подачи. В одном байте (8 битов) можно сохранять 2 8 (=256) чисел от 0 до 255, в двух байтах (16 битов) - 2 16 чисел от 0 до 65536, в четырех байтах (32 бита) – 2 32 чисел от 0 до 4294967295.

Виды памяти

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ или англ.RAM от Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстро запоминающее устройство не очень большого объема, которое непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, которые обрабатываются этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается то все, что находилось на ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это значит, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для не сложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за утечки токов такие конденсаторы быстро разряжаются и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют емкость от 16 до 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпусе и собираются в модули памяти. 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.

Сразу после включения компьютера начинают "тикать" электронные "часы" основной шины. Их импульсы расталкивают заспавшийся процессор, и тот может начинать работу. Но для работы процессора нужны команды.

Точнее говоря, нужны программы, потому что программы - это и есть упорядоченные наборы команд. Таким образом, где-то в компьютере должна быть заранее, заготовлена пусковая программа, а процессор в момент пробуждения должен твердо знать, где она лежит.

Хранить эту программу на каких-либо носителях информации нельзя, потому что в момент включения процессор ничего не знает ни о каких устройствах. Чтобы он о них узнал, ему тоже нужна какая-то программа, и мы возвращаемся к тому, с чего начали. Хранить ее в оперативной памяти тоже нельзя, потому что в ней в обесточенном состоянии ничего не хранится.

Выход здесь существует один-единственный. Такую программу надо создать аппаратными средствами. Для этого на материнской плате имеется специальная микросхема, которая называется постоянным запоминающим устройством - ПЗУ. Еще при производстве в нее "зашили" стандартный комплекс программ, с которых процессор должен начинать работу. Этот комплекс программ называется базовой системой ввода-вывода.

По конструкции микросхема ПЗУ отличается от микросхем оперативной памяти, но логически это те же самые ячейки, в которых записаны какие-то числа, разве что не стираемые при выключении питания. Каждая ячейка имеет свой адрес.

После запуска процессор обращается по фиксированному адресу (всегда одному и тому же), который указывает именно на ПЗУ. Отсюда и поступают первые данные и команды. Так начинается работа процессора, а вместе с ним и компьютера. На экране в этот момент мы видим белые символы на черном фоне.

Одной из первых исполняется подпрограмма, выполняющая самотестирование компьютера. Она так и называется: Тест при включении (по-английски - POST - Power-On Self Test). В ходе ее работы проверяется многое, но на экране мы видим только, как мелькают цифры, соответствующие проверенным ячейкам оперативной памяти.

Программных средств BIOS достаточно, чтобы сделать первичные проверки и подключить стандартные устройства, такие как клавиатура и монитор. Слово стандартные мы выделили специально. Дело в том, что монитор и клавиатура у вас могут быть очень даже нестандартными. Но на данном этапе это не имеет значения - просто компьютер пока рассматривает их как стандартные. Ему еще не ведомы все их свойства, и он полагает, что клавиатура и монитор у нас такие, какие были в ходу двадцать лет назад, во времена первых компьютеров. Этим обеспечивается гарантия того, что вы хоть что-то увидите на экране, вне зависимости от той модели монитора, какая имеется в вашем распоряжении. BIOS предполагает, что монитор у нас черно-белый - именно поэтому первые сообщения на экранет проходят в черно-белом режиме.

Однако долго работать лишь только со стандартными устройствами компьютер не может. Ему пора бы узнать о том, что у него есть на самом деле. Истинная информация об устройствах компьютера записана на жестком диске, но и его еще надо научиться читать. У каждого человека может быть свой жесткий уникальный диск, не похожий на другие. Спрашивается, откуда программы BIOS узнают, как работать именно с вашим жестким диском?

Для этого на материнской плате есть еще одна микросхема - CMOS-память. В ней сохраняются настройки, необходимые для работы программ BIOS. В частности, здесь хранятся текущая дата и время, параметры жестких дисков и некоторых других устройств. Эта память не может быть ни оперативной (иначе она стиралась бы), ни постоянной (иначе в нее нельзя было бы вводить данные с клавиатуры). Она сделана энергонезависимой и постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, тоже размещенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает, чтобы компьютер не потерял настройки, даже если его не включать несколько лет.

Настройки CMOS, в частности, необходимы для задания системной даты и системного времени, при установке или замене жестких дисков, а также при выходе из большинства аварийных ситуаций. Настройкой BIOS можно, например, задать пароль, благодаря которому посторонний человек не сможет запустить компьютер. Впрочем, эта защита эффективна только от очень маленьких детей.

Для изменения настроек, хранящихся в CMOS-памяти, в ПЗУ содержится специальная программа - SETUP. Чтобы ее запустить, надо в самый первый момент после запуска компьютера нажать и удерживать клавишу DELETE. Навигацию в системе меню программы SETUP выполняют с помощью клавиш управления курсором. Нужные пункты меню выбирают клавишей ENTER, а возврат в меню верхнего уровня - клавишей ESC. Для изменения установленных значений служат клавиши Page Up и Page Down.

Кэш-память

Кэш-память - это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды "ближе" к процессору, откуда их можно быстрей получить.

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Представьте себе массив информации, используемой в вашем офисе. Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, скажем список телефонов подразделений, висят на стене над вашим столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим проектам. Реже используемые справочники, к примеру, городская телефонная книга, лежат на полке, рядом с рабочим столом. Литература, к которой вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа. Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа, откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память играет роль КЭШа для жесткого диска. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или 80486sx размер кэш-памяти в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе intel-80486dx и dx2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.

Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный, т. е. отличный от всех других, адрес. При этом основная память имеет для оперативного и постоянного запоминающих устройств единое адресное пространство. Адресное пространство определяет максимально возможное количество ячеек основной памяти, которое может быть адресовано непосредственно. Оно зависит от разрядности адресных шин, т. к. максимальное количество разных адресов определяется разнообразием двоичных чисел, с помощью которых эти адреса представляются. В свою очередь, это разнообразие зависит от количества разрядов. Таким образом, адресное пространство равно , где – разрядность кодовой шины адреса.

Пример 3.5. Процессор Intel 8086 (1978 г.) имел кодовую шину адреса разрядности 20 бит. В этом случае может быть непосредственно адресовано 2 20 ячеек емкостью 1 байт каждая. Следовательно, адресное пространство будет равно 2 20 байт = 1 Мб.

Процессор Intel 80486 (1989 г.) имел кодовую шину адреса разрядности 32 бита. Его адресное пространство было равным 2 32 байт = 2 2 ·2 30 байт = 2 2 Гб = 4 Гб.

Начиная с процессора Intel Pentium Pro (1995 г.) появилась возможность использования режима Physical Address Extension (PAE), в котором для адресации используется 36 бит. В этом случае может быть адресовано 2 36 байт = 2 6 ·2 30 байт = 2 6 Гб = 64 Гб.

В компьютерах существуют два способа адресации памяти – реальный режим и защищенный режим. Реальный режим применялся в операционной системе MS DOS. Вычисление физического адреса в реальном режиме выполняется по правилу

CS 16 · 10 16 + IP 16 ,

где CS, IP – значения сегмента и смещения, заданные в соответствующих регистрах процессора.

Таким образом, максимальный физический адрес равен

FFFF 16 ·10 16 + FFFF 16 = FFFF0 16 + FFFF 16 = 10FFEF 16 = 1114095 10 ,

а адресное пространство – 1114096 байт = 1 Мб + 64 Кб – 16 байт.

Кроме того, это адресное пространство может быть ограничено разрядностью кодовой шины адреса процессора Intel 8086, т. е. числом 2 20 байт = 1Мб.

Та часть оперативной памяти, которая не может быть адресована непосредственно, называется расширенной памятью .

Пример 3.6. Компьютер на базе процессора Intel 80486 имеет оперативную память емкостью 16 Мб. Процессор может непосредственно адресовать 1 Мб + 64 Кб – 16 байт оперативной памяти. Тогда расширенная память будет составлять 16 Мб –
–(1 Мб + 64 Кб – 16 байт) = 15 Мб – 64 Кб + 16 байт.

Таким образом, соотношение между непосредственно адресуемой и расширенной памятью будет следующим:

1 114 096 байт: 15 663 120 байт или 6,64: 93,36.

Следовательно, в реальном режиме работы более 90% оперативной памяти компьютера будут недоступны.

Существуют два способа доступа к расширенной памяти в реальном режиме работы компьютера. Однако они возможны лишь при использовании специальных программ – драйверов по спецификациям XMS и EMS.

Драйвер – специальная программа, управляющая работой оперативной памяти или внешнего устройства компьютера и организующая обмен информацией между процессором, оперативной памятью и внешними устройствами.

Примечание. Драйвер, управляющий работой памяти, называется диспетчером памяти.

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS (eXtended Memory Specification ) организуется при использовании драйверов типа XMM (например, HIMEM.SYS). Согласно спецификации EMS (Expanded Memory Specification ) доступ к расширенной памяти реализуется путем отображения по мере необходимости отдельных ее полей в определенную область непосредственно адресуемой памяти. При этом хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к ней. Для организации памяти по спецификации EMS используются драйверы EMM386.EXE или Quarterdeck EMM.

В защищенном режиме работы компьютера может быть непосредственно адресована память большей емкости, чем в реальном, за счет изменения механизма адресации. Благодаря защищенному режиму, в памяти может храниться только та часть программы, которая необходима в текущий момент времени. Остальная часть может храниться во внешней памяти компьютера, например, на жестком диске. При обращении к той части программы, которой в данный момент нет в памяти, операционная система приостанавливает работу программы, загружает из внешней памяти требуемый фрагмент программного кода, а затем возобновляет выполнение программы. Эта процедура называется подкачкой данных с жесткого диска. Таким образом, в защищенном режиме становится доступным выполнение программ, размер кода которых превосходит объем оперативной памяти компьютера.

Физический адрес в защищенном режиме формируется следующим образом. В сегментном регистре процессора хранится двухбайтовый селектор , который содержит следующую информацию:

■ индекс дескриптора (13 бит) в таблице дескрипторов;

■ флаг (1 бит), определяющий, к какой из двух таблиц дескрипторов (локальной или глобальной) будет выполняться обращение;

■ запрашиваемый уровень привилегий (2 бита).

В соответствии со значением селектора происходит обращение к нужной таблице дескрипторов и находящемуся в ней дескриптору. Из дескриптора извлекается адрес сегмента, его размер и права доступа. Затем адрес сегмента складывается со смещением из регистра IP процессора. Полученная сумма и будет являться физическим адресом ячейки оперативной памяти.

Использование защищенного режима позволило адресовать процессором Intel 80286 (1982 г.) 2 24 байт = 2 4 · 2 20 байт = 16 Мб памяти, в то время как в реальном режиме адресное пространство по-прежнему ограничивалось 1 Мб.

Кроме увеличения адресного пространства, в защищенном режиме возможно параллельное исполнение нескольких программ (многозадачный режим ). Многозадачный режим организуется с помощью многозадачной операционной системы (например, Microsoft Windows), которой процессор предоставляет мощный и надежный механизм защиты задач друг от друга с помощью четырехуровневой системы привилегий (рис. 3.7).

В защищенном режиме возможна также страничная организация памяти . Она сводится к формированию таблиц описания памяти, которые определяют состояние отдельных ее сегментов (страниц). При нехватке памяти операционная система записывает часть данных во внешнюю память, а в таблицу описаний вносит информацию об отсутствии этих данных в оперативной памяти.

Рис. 3.7. Уровни привилегий при использовании многозадачного режима

микросхемы ОП

Память (memory) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК»

Всю память ЭВМ можно разделить на:

1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
3. РОН (регистры общего назначения) внутренняя память процессора – его регистры.
4. CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплементарные пары метал-оксид-полупроводник указывает на технологию изготовления данной памяти) – память системных установок(конфигурации).
5. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство)
6. Видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте, используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

1,2,3,6 – электронная память, 5 – электромеханическая память.

Характеристики оперативной памяти

Внутренняя память ПК обладает двумя основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность – память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная цифра).

Бит – наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память – это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.
1Кб = 210 байт =1024б
1Мб = 210 Кбайт =1024Кб
1Гб = 1024Мб

Ячейка памяти – группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти пронумерованы. Нумерация начинается с 0.
Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.
Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

Структура оперативной памяти

Оперативная память(ОП) (ОЗУ)

Из ОП ЦП берет исходные данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» память получила потому что работает быстро.
Является энергозависимой, данные и программы сохраняются в ней только до тех пор, пока ПК включен, при выключении ПК содержимое ОП стирается.
ОЗУ предназначена для хранения текущей, быстроменяющейся информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений.
Используется два основных типа оперативной памяти: статическая память (SRAM-Static RAM — КЭШ) и динамическая память (DRAM-Dynamic RAM — ОЗУ).
Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации.

Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа(access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).
Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем больше эти величины, тем больше быстродействие памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).
Длительность цикла определяется минимальным допустимым временим между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После
записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).
Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую плотность размещения хранящихся данных. Этот вид памяти дорог и энергоемок, следовательно, может происходить перегрев,
что снижает надежность система, поэтому вся ОП не может быть построена по статическому принципу.

В динамической памяти элементы памяти построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо более меньшую площадь, чем триггеры в статической памяти.
Для построения динамического элемента памяти требуется 1-2 транзистора. Каждый бит ОП представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, образованном в структуре
полупроводникового кристалла. Ячейки динамической памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически (приблизительно 1000 раз в сек.)
выполняется автоматическое восстановление информации в каждой ячейке. Это снижает скорость работы динамической памяти и является основным ее недостатком.

ОП часто обозначают RAM (Random Access memory) – память с произвольным доступом (тип доступа к памяти при котором ячейки памяти пронумерованы, т.е. адресуемы и, следовательно, обращение к ним может производиться в произвольном порядке).

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любой ячейки.

Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой прежде чем считать нужную информацию нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

От объема ОП, установленным на ПК напрямую зависит с каким ПО Вы сможете на нем работать. При недостатке ОП программы не запускаются, выдается сообщение: “Out of memory”, либо работают крайне медленно.

Чем больше ОП в ПК, тем лучше. При необходимости объем ОП можно нарастить (ограничивается параметрами ОП, поддерживаемой конкретной материнской платы, внимательно см.спецификацию к системной плате).

Распределение памяти в ПК (Разделы ОЗУ)

RAM устроена довольно сложно, она иерархична (многоэтажна). ОП разделяют на несколько типов. Деление это обусловлено историческими причинами.
Первые компьютеры были выполнены так, что они могли работать максимально с 640Кб памяти. Выделяют 4 вида памяти:

• Стандартная (conventional memory area)
• Верхняя (upper memory blocks(area))
• Дополнительная (expanded memory specification)
• Расширенная (extended memory specification)

Стандартная (conventional memory area) – базовая, первые 640 Кб, также его часто называют lower.
В мл. адреса этой памяти загружается ОС и драйверы устройств. Оставшуюся свободную часть памяти занимают пользовательские программы.
Резидентные программы так же остаются в этой памяти.

Верхняя (upper memory аrea) – 640Кб — 1Мб используется для хранения служебной информации: памяти видеоадаптера,BIOS.
Спец. драйвер Himem.sys позволяют загружать в свободные участки этой области резидентные программы и драйвера устройств.

High memory – первые 64 Кб после 1Мб. ОС MS DOS позволяет загрузить часть резидентной DOS в эту область, освобождая при этом существенную часть
базовой памяти для работы прикладных программ. Особенно это полезно для программ, использующих всю ОП. Используя спец. утилиты (для DOS emm386.exe)
в верхние разделы памяти можно загружать также и резидентные программы (команды LH для autoexec.bat и DEVICEHIGT для config.sys).

Вся память свыше 1 Мб может быть рассмотрена как дополнительная(expanded) или как расширенная (extended ). В ОС менеджер памяти позволяет использовать память и как расширенную и как дополнительную, автоматически обеспечивая тот тип взаимодействия с данными, который нужен прикладным программам. Т.е. пользователю новых современных ПК (от Pentium) нет необходимости распределять память «в ручную», менеджер выделить память таким образом, как это требует прикладная программа.

Дополнительная(expanded) память – постраничная, т.е. ОП разбивается на страницы, каждой странице ставится в соответствие определенный адрес в основной памяти. При обращении к такому адресу EMM(expanded memory manager) драйвер расширенной памяти(менеджер памяти) позволяет компьютеру считать информацию с соответствующей страницы памяти.

Расширенная (extended) память построчной организации (Smartdrv — драйвер расширенной памяти) используется для создания временного логического диска (виртуального диска), как буфер обмена с жестким диском.

Распределение ОП в ПК с ОС MS-DOS

1Mб+ 64Кб	High	High Расширенная или дополнительная память
		Резидентные программы и драйверы устройств
		Часть ОС
1Mб	Upper	Верхняя память ПЗУ BIOS
		Видеопамять (текстовый буфер)
		Видеопамять (графический буфер)
640Кб	Convertional Memory Area (base)Стандартная (базовая память)	Свободная часть (command.com) транзитная часть
		Свободная часть для программ пользователя
		Command.com (резидентная часть)
		Программы DOS, драйверы
		Файлы io.sys msdos.sys
		Данные для DOS и BIOS и другая служебная информация

Микросхемы ОП (модули ОП)

Производительность ПК зависит от типа и размера ОП, а это в свою очередь зависит от набора интегральных схем на материнской плате.

Внешний вид микросхем ОП: пластиковая полоска, на ней расположены кремневые «черепашки» – чипы-микросхемы (то есть используется полупроводниковая технология) и имеются «ножевые» контактные разъемы.

Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

1. временем доступа (быстродействием). Время доступа – промежуток времени, за который может быть записано (прочитано) содержимое ячейки памяти.
2. емкостью (определяет количество ячеек (битов) в устройстве памяти).
3. стоимостью.
4. потребляемой мощностью (электропотреблением).

Существует 2 модуля памяти, отличающиеся формой, внутренней архитектурой, скоростью работы: SIMM и DIMM.
I. SIMM (SINGLE IN-LINE MEMORY MODULES) (SRAM)
бывают двух типов (отличающихся количеством контактов).

1. 30-контактные модули SIMM. Бывают 1 и 4 Мб. Практически сегодня исчезли из продажи для компьютеров 386, 286-процессором. Сегодня им нашлось интересное применение – в качестве ОП, устанавливаемой в некоторые звуковые платы, например, Greafive Sound Blaster 32 (AWE-32) Gravis UltraSound PnP. Однако новая карта AWE-64 уже содержит свои модули ОП, эта память не нужна.

2. 72-контактные SIMM (на 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мб, редко 128 Мб). Внешний вид неизменный, а вот тип устанавливаемой на них памяти меняется (тип памяти указывается на микросхеме).

a) самый старый (редко сейчас встречающийся) – FPM DRAM (или просто DRAM – Dynamic Random Access Memory – динамическая ОП). Работала на 486 и первых Pentium.

b) модифицированный тип EDO DRAM (или EDO – Extended data output).

Микросхемы SIMM выпускаются одинарной и двойной плотности, с контролем четности и без (использование контроля четности позволяет парировать одиночную ошибку памяти). Модули отличаются и по скорости доступа 60 и 70 наносекунд, чем скорость меньше, тем быстрее доступ. 60 наносекунд быстрее 70 наносекунд. Модули SIMM в материнской плате Pentium и Pentium MMX устанавливаются только попарно, образуя так называемый банк.

Пример необходимо 32 Мб => 2 модуля SIMM по 16 Мб.
необходимо 64 Мб => 4 модуля SIMM по 16 Мб или 2 модуля SIMM по 32Мб.

В рамках одного банка можно использовать только одинаковые по емкости и скорости доступа модули SIMM. Если на вашей материнской плате 4 слота для модулей памяти SIMM, то можно сформировать два банка различной емкости.

II. DIMM (SDRAM DUAL IN-LINE MEMORY MODULES).

Появился впервые у MMX- компьютеров, стал основой для PII., поэтому у PII редко бывают SIMM-разъемы. DIMM не обязательно должно быть четное число. Модули DIMM бывают емкостью 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб

1. EDO SD RAM (Synchronous DRAM) – синхронизируемая динамическая ОП)
   SD RAM (SINGLE DATA RATE RANDOM ACCESS MEMORY).ЗУПВ с одинарной скоростью передачи данных, которая в зависимости от тактовой частоты называется памятью PC100 и PC133. Микросхема на 168 контактов, является сегодня самой «медленной» из семейства DIMM-модулей памяти, Время доступа = 10-20 наносекунд. Верхний предел ее тактовой частоты 133 МГц. И все же этот тип ОП вполне подходит для большинства офисных и
   домашних ПК. Пропускная способность 1Гб/с.
   SPD – это небольшая микросхема, установленная в модуле памяти SD RAM DIMM и содержащая подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие устройства. РС133 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory) самая быстрая из класса классической ОП. (были и РС66, РС100). Теперь это самый медленный тип ОЗУ. Физически представляет собой массив микроскопических конденсаторов, «упакованных» в микросхемы памяти. Логически каждый конденсатор есть не что иное, как элементарная однобитовая информационная ячейка с 2-мя состояниями: 0 – если конденсатор не заряжен, 1 – если заряжен. Эти ячейки объединяются в двумерную матрицу, где каждая ячейка адресуется номерами строки и столбца, на пересечении которых она находится. К микросхеме подводятся шины командная (передает команды, управляющие работой микросхем ОП), адресная (адреса строк и столбцов), и данных. Все три синхронизируются импульсами одной и той же частоты. (133). SDRAM – синхронная память и логика работы микросхем памяти этого типа жестко синхронизируется с тактовым сигналом. Например, контроллер памяти точно знает, в течение скольких тактов микросхемы памяти будут готовить запрошенные данные для передачи и на каком такте начнется собственно их передача. Сегодня данная микросхема встречается редко.
2. Rambus (RD RAM) Двухканальная ОП (микросхема фирмы Intel). Direct Rambus – это новая шина памяти, в которой управление адресацией отделено от работы с данными. Система состоит из контроллера Direct Rambus, подсоединенного к одному или нескольким модулям Direct Rambus DRAM, которые называются RIMM, в отличии от обычных микросхем памяти, соединяемых параллельно, RIMM соединяются последовательно. Канал Direct Rambus включает двунаправленную шину данных и шину адреса, т.е. адреса памяти передаются одновременно с данными. Каждая микросхема RDRAM может содержать до 32 независимых банков, SD RAM – от 2 до 8. Свободно работает на высоких тактовых частотах.
   Микросхема на 184 контакта Микросхемы ОП с тактовой частотой от 600 до 800 МГц. Когда используется микросхема PC800 (частота синхронизации 400 МГц), пропускная способность шины «память-процессор» достигает 3,2 Гб/с. При использовании PC600 (300 МГц) этот параметр = 2,6 Гб/с.
   В свободные гнезда памяти Rambus необходимо устанавливать заглушки Continuity Rimm (CRIMM). Без них система не станет работать, поскольку модули в обоих каналах Rambus включаются каскадно, то есть тактовые и управляющие сигналы проходят через разъемы Rimm последовательно. Емкость ОЗУ может быть до 3 Гб.
   Обеспечивают значительное быстродействие при выполнении сложных приложений на ПК и рабочих станциях. Вопрос о быстродействии ОП сегодня очень спорный.
3. DDR SDRAM (Double Data Rate) – двойная скорость передачи данных – это по сути модификации обычной SDRAM и отличается от нее тем, что в ней запись и чтение данных происходят и по переднему и по заднему фронту тактового импульса. Поэтому за один такт по шине передается вдвое больше данных, и ее эффективная частота оказывается вдвое больше физической.
   2х канальная память DDR266 DDR333 и DDR400 и системы с ней не уступают памяти RDRAM. ОП с удвоенной скоростью передачи данных, а иначе называется PC200 и PC266 в зависимости от тактовой частоты системной шины. Не столь дорогая, чем (3) и явно способствует повышению быстродействия ПК в отличие от (2). В основном благодаря использованию этой памяти ПК на базе Athlon 1,2 Ггц обошел на многих тестах 1,5 Ггц Р-IV с памятью RD RAM.
   Сегодня, пока, покупатель не может просто выбрать желательный для него тип ОП, так как она связана с интегральной схемой на системной плате, а та с ЦП. Так, пока, Р-IV работает с набором ИС- 850 компании Intel и дорогостоящей памятью RD RAM. (В середине 2001 года планируется появление микросхем, совместимых с устройствами SD RAM и DDR). Если вы хотите приобрести Р-IV, то автоматически будете вынуждены приобрести и дорогую ОП. Наборы интегральных схем семейства Athlon используют ОП SD RAM и DDR, но не могут RD RAM.

Модуль памяти Kingston DDR PC3200

В ПЗУ информация остаётся неизменной.
Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПК
программы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Часто ее называют ROM (Read Only Memory) – память только для чтения. В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнение базовых
функций по обслуживанию устройств ПК. Часто содержимое постоянной памяти называют BIOS(Basic Input Output System) – базовая система ввода/вывода.
BIOS – это система контроля и управления устройствами, подключёнными к ПК (жёсткий диск, ОП, часы, календарь). Это часть программного обеспечения ПК, поддерживающая управление адаптерами
внешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку OS. BIOS находится на материнской плате (отдельная микросхема с автономным питанием от батарейки в ПК).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.
Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний.

Прерывания могут быть:

• аппаратные (инициируются аппаратными средствами),
• логические (инициируются микропроцессором – нестандартные ситуации в работе микропроцессора),
• программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

При включении ПК автоматически загружается и выполняется спец.программа POST(Power-On Self-Test) из состава BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

• проверка переключателей и CMOS-памяти на системной (материнской) плате (определение оборудования, которое подключено к ПК),
• тестирование ОЗУ,
• выполнение действий по загрузке OС (загрузка в ОЗУ и запуск Блока Начальной Загрузки OС),
• выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительно-го оборудования к работе.

BIOS

Является своеобразной программной оболочкой вокруг аппаратных средств ПК (самого нижнего уровня), реализуя доступ к аппаратным средствам ПК через механизм прерываний.
CMOS-память – ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.
«Вход» в редактирование CMOS-памяти, как правило, по нажатию клавиши DELETE (DEL) (на клавиатуре) сразу после включения ПК в процессе работы POST-программы (загрузка программы Setup).

• системные часы,
• информация по результатам диагностики POST-программы,
• информация по наличию и типу FDD,
• информация по наличию и типу HDD,
• размер ОЗУ,
• наличие дополнительного оборудования.
  

Архитектура компьютера

Основные элементы компьютера.

Компьютер состоит из 4-х структурных компонентов:

1) Процессор.

Осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функции обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (CPU – central processing unit)

2) Основная память.

Здесь хранятся данные и программы. Эта память является временной. Часто её называют реальной или оперативной памятью.

3) Устройства ввода-вывода.

Служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входит вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.

4) Системная шина. Определённые структуры и механизмы, обеспечивающие взаимодействие между процессором, основной памятью и устройствами ввода-вывода.

Основная память

PC – программный счетчик

IR – регистр команд

MAR – регистр адреса памяти

MBR – регистр буфера памяти

I/O AR – регистр адреса ввода-вывода

I/O BR – регистр буфера ввода-вывода

Рисунок 1. Компоненты компьютера: общая структура.

Одной из функций процессора является обмен данными с памятью. Для этого он обычно использует два внутренних (по отношению к процессору) регистра: регистр адреса памяти (memory address register – MAR), куда заносится адрес ячейки памяти, в которой будет производиться операция чтения – записи, и регистр буфера памяти (memory buffers register – MBR), куда заносятся данные, предназначенные для записи в память, или те, которые были прочитаны из неё. Аналогично, номер устройства ввода-вывода задается в регистре адреса ввода-вывода (I/O address register – I/O AR). Регистр буфера ввода-вывода (I/O buffer register – I/O BR) служит для обмена данными между устройством ввода-вывода и процессором.

Модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек. В каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные. Модуль ввода-вывода служит для передачи данных от внешних устройств как в процессор и память, так и в обратном направлении. Для временного хранения данных в нем есть свои внутренние буферы.

Регистры процессора

В процессоре имеется набор регистров, представляющих собой область памяти быстрого доступа, но намного меньшей емкости, чем основная память.

Регистры процессора (выполняют две функции) делятся на 2 группы:

Регистры, доступные пользователю. Эти регистры позволяют программисту сократить число обращений к основной памяти, оптимизируя использование регистров с помощью машинного языка или ассемблера.

Регистры управления и регистры состояния. Используются в процессоре для контроля над выполняемыми операциями; с их помощью привилегированные программы операционной системы могут контролировать ход выполнения других программ.

Регистры, доступные пользователю:

Регистры данных. Могут использоваться любой машинной командой для операций с данными. Часто при этом накладываются определённые ограничения. Например, некоторые регистры предназначены для операций над числами с плавающей точкой, в то время как остальные – для хранения целых чисел.

Адресные регистры. В них заносятся адреса команд и данных в основной памяти; в этих регистрах может быть записана только часть адреса, использующаяся при вычислении полного или эффективного адреса.

Управляющие регистры и регистры состояния.

Для контроля над работой процессора используются различные регистры. В большинстве машин эти регистры в основном недоступны пользователю.

Кроме упомянутых регистров MAR, MBR, I/O AR, I/O BR, важными для выполнения команд, являются следующие:

Программный счетчик (program counter – PC). Содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.

Регистр команд (instruction register – IR). Содержит последнюю выбранную из памяти команду.

В состав всех процессоров входит также регистр, известный под названием регистра слова состояния программы (program status word – PSW). В нем, как правило, содержатся коды условий и другая информация о состоянии, например, бит разрешения/запрещения прерываний или бит режима системный/пользовательский.

Коды условий (известные как флаги) – это последовательность битов, устанавливаемых или сбрасываемых процессором в зависимости от результата выполненных операций. Например, в результате выполнения арифметического действия может получиться положительное число, отрицательное, ноль, или может произойти переполнение.