Оперативное запоминающее устройство
Лекция № 3 Система памяти ПК
Память, как же, как процессор и устройства ввода-вывода, является одним из основных блоков компьютера. Система памяти ПК включает в себя оперативное запоминающее устройство ОЗУ, постоянное запоминающее устройство ПЗУ (вместе они часто называются основной памятью компьютера или внутренне памятью) и память на внешних устройствах (внешние ЗУ и накопители), которая также называется внешней памятью.
3.1. Основная память
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.
ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Оперативное запоминающее устройство.
ОЗУ компьютера собственно и является его основной памятью, принимающей непрерывное участие в его работе. В оперативной памяти хранятся промежуточные (временные) данные, получаемые в результате работы микропроцессора. В ОЗУ переписывается с любого внешнего носителя, программа, которая затем исполняется компьютером. В ОЗУ хранятся и копии отдельных модулей операционной системы, необходимых компьютеру в данный момент. Таким образом, вся работа компьютера сопровождается записью данных в ОЗУ и чтением из него. Объем и быстродействие ОЗУ определяют производительность компьютера не в меньшей, а зачастую и в большей степени, нежели быстродействие микропроцессора. Название RAM (или ЗУ с произвольной выборкой – ЗУПВ) связано с тем, что при чтении или записи данных, микропроцессор (или другое устройство) может обратиться непосредственно к любой ячейке ОЗУ, задав адрес этой ячейки. Все доступные адреса памяти, присутствующей в компьютере образует адресное пространство ПК.
Все адресное пространство памяти компьютера разделяется на несколько областей, что связано, в первую очередь, с необходимостью обеспечения совместимости с первыми компьютерами семейства. В компьютере IBM PC XT на процессоре i8088 процессор мог адресовать 1 Мбайт памяти (20 адресных разрядов). Но все программные и аппаратные средства строились исходя из предположения, что доступное адресное пространство — только младшие 640 Кбайт (тогда это казалось вполне достаточным). Данная область памяти получила название стандартной памяти (Conventional memory). Именно в пределах этих 640 Кбайт (адреса 0…9FFFF) работает операционная система MS DOS и все ее прикладные программы.
Первые 1024 байта (адреса 0…3FF) хранят таблицу векторов прерывания (Interrupt Vectors) объемом 256 двойных слов, формируемую на этапе начальной загрузки. Однако если процессор работает в защищенном режиме, таблица векторов может располагаться в любом другом месте памяти.
Адреса 400…4FF отводятся под область переменных BIOS (BIOS Data Area). Подробнее о BIOS будет рассказано в следующем разделе.
Адреса 500…9FFFF включают в себя область операционной системы DOS (DOS Area) и память пользователя (User RAM).
Оставшиеся от 1 Мбайта памяти 384 Кбайта (адреса A0000…FFFFF), зарезервированные под другие системные нужды, называются UMA (Upper Memory Area) — область верхней памяти или UMB (Upper Memory Blocks) — блоки верхней памяти или High DOS Memory.
Пространство видеопамяти (адреса A0000…BFFFF) содержит области для хранения текстовой и графической информации видеоадаптера.
Пространство памяти с адресами E0000…FFFFF отведено под системную постоянную память компьютера ROM BIOS.
В этой же области выделено окно размером в 64 Кбайта (page frame) с адресами D0000…DFFFF, через которое программы могли получать доступ к дополнительной (отображаемой) памяти (Expanded memory) объемом до 32 Мбайт, оставаясь в пределах того же 1 Мбайта адресуемой памяти. Это достигается путем поочередного отображения четырех страниц по 16 Кбайт из дополнительной памяти в выделенное окно. При этом положение страниц в дополнительной памяти можно изменять программным путем. Понятно, что работать с дополнительной памятью менее удобно, чем с основной, так как в каждый момент компьютер «видит» только окно в 64 Кбайт. Поэтому сейчас она применяется довольно редко.
В настоящее время область памяти с адресами C0000…DFFFF чаще используется для оперативной и постоянной памяти, входящей в состав различных адаптеров и плат расширения компьютера.
Начиная с введения 32-разрядной архитектуры, микропроцессоры развили сложные схемы управления памятью, которые более интересны не с точки зрения аппаратных средств, а с точки зрения программного управления памятью, поэтому более подробно рассматриваться не будут.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).
По физическому принципу, заложенному в основу хранения информации, ОЗУ разделяются на статические и динамические.
Статические ОЗУ (Static RAM, SRAM) хранят информацию в неизменном виде с момента ее записи до стирания, перезаписи, или выключения питания. Элементом хранения информации в статических ОЗУ является аналог цифрового триггера (устройства с двумя устойчивыми состояниями).
Динамическое ОЗУ (Dynamic RAM, DRAM) требуем периодического обновления (регенерации) записанной в него информации. Это связано с тем, что принцип работы ячейки динамического ОЗУ подобен конденсатору (см. рис. 3.1.), который может некоторое время сохранять занесенную в него информацию (заряд), но со временем этот заряд уменьшается за счет утечек. Таким образом, чтобы не потерять информацию, конденсатор надо периодически подзаряжать.
Динамические ЗУ характеризуются относительно невысокой стоимостью и большей информационной емкостью, именно поэтому они чаще всего используются в качестве основной памяти ПК. К недостаткам динамической памяти следуют отнести меньшее быстродействие и большое, по сравнению со статическим ОЗУ, энергопотребление, особенно в статическом режиме (при хранении информации).