Память компьютера: виды, классификация, предназначение.
Для работы компьютерной системы требуется память. Память — один из важных компонентов компьютерной системы. Поэтому необходимо иметь базовые знания о том, что такое память и какие виды памяти существуют.
В этой статье мы кратко расскажем о компьютерной памяти, а также о том, какие типы памяти используются в компьютерных системах. Начнём с определения компьютерной памяти:
Что такое компьютерная память?
Память — неотъемлемая часть компьютерной системы, поскольку без неё компьютер не может выполнять ни одну задачу. Память используется для хранения данных и инструкций по выполнению определённых задач в компьютерной системе. Компьютерная память — это, как правило, пространство для хранения данных, способное сохранять и извлекать информацию.
Память — это набор из нескольких ячеек памяти, которые называются строительными блоками памяти. Каждая ячейка памяти имеет уникальный порядковый номер или идентификационный номер, который называется уникальным адресом этой конкретной ячейки памяти. Центральный процессор отвечает за выбор ячеек памяти для чтения или записи данных.
Производительность компьютерной системы зависит от памяти и центрального процессора. Центральный процессор не может постоянно хранить программы или большие объёмы данных. Он способен хранить только базовые инструкции, необходимые для работы компьютера. Поэтому для правильной работы компьютерной системы обязательно нужна память.
Типы компьютерной памяти
По сути, существует два типа компьютерной памяти:
• Внутренняя память
• Внешняя память
Давайте подробно рассмотрим оба типа памяти.
Внутренняя память
Под внутренней памятью обычно подразумеваются микросхемы или модули, напрямую подключённые к материнской плате.
Ниже перечислены доступные виды внутренней памяти, используемые в компьютерной системе:
ОЗУ
Оперативная память — это аббревиатура от «Оперативная память’. Он представляет собой внутреннюю память центрального процессора (Central Processing Unit) для хранения заданных инструкций и немедленных результатов. Он также известен как память чтения-записи. Оперативная память — это первичная энергозависимая память, поскольку данные теряются, когда мы выключаем компьютер или происходит сбой питания.
Оперативная память имеет небольшой размер и работает сравнительно быстрее, чем большинство доступных видов компьютерной памяти. Но она не такая быстрая, как регистры.
ОЗУ можно разделить на две подкатегории:
SRAM
SRAM расшифровывается как статическая оперативная память. Она хранит данные в статической форме, то есть данные остаются в памяти до тех пор, пока включена компьютерная система. SRAM быстрее и дороже, чем DRAM. В ней используется матрица из шести транзисторов и нет конденсаторов. Поскольку транзисторам не нужно питание для предотвращения утечки, нет необходимости постоянно обновлять SRAM.
DRAM
DRAM расшифровывается как «динамическая оперативная память’. DRAM широко используется в компьютерных системах. Раньше в компьютерах использовалась DRAM с одной скоростью передачи данных (SDR). В настоящее время в компьютерах используется DRAM с двойной скоростью передачи данных (DDR). DDR также доступна в различных версиях, таких как DDR2, DDR3 и DDR4, которые более энергоэффективны и обеспечивают более высокую производительность.
DRAM-память дешёвая, компактная и потребляет меньше энергии, чем другие виды оперативной памяти. DRAM-память состоит из транзистора и конденсатора в каждой ячейке. Из-за наличия конденсатора возникает проблема утечки. Поэтому DRAM-память требует постоянного обновления.
ПЗУ
ROM — это сокращение от «Память только для чтения». Как следует из названия, данные в нее обычно не могут быть записаны. Однако данные могут быть считаны из памяти этого типа. ПЗУ является первичной энергонезависимой памятью, что означает, что оно способно сохранять данные в памяти даже при отсутствии источника питания.
ПЗУ — это очень быстрый тип компьютерной памяти, в котором хранятся инструкции, необходимые для запуска компьютера сразу после подключения к источнику питания. Когда компьютер подключен к источнику питания, центральный процессор начинает считывать инструкции, хранящиеся в ПЗУ. Для загрузки необходимых компонентов операционной системы в оперативную память не требуется поддержка драйверов или какого-либо другого сложного программного обеспечения.
После этого компьютерная система загружается и становится готовой к использованию. Вся эта операция называется «загрузкой», а инструкции, содержащиеся в ПЗУ, — «загрузочным кодом».
ПЗУ можно разделить на следующие подкатегории:
МРОМ
MROM расшифровывается как маскированная память только для чтения. MROM — это тип памяти, содержимое которой предварительно запрограммировано производителем интегральной схемы с использованием определённых функциональных данных.
PROM
PROM расшифровывается как «программируемая постоянная память». Как следует из названия, эти типы памяти являются программируемыми, то есть пользователь может их закодировать или запрограммировать. PROM поставляется в виде пустой памяти. Пользователь приобретает пустую PROM и вводит набор программ или кодов с помощью программатора PROM. После записи данные или инструкции нельзя изменить или удалить.
EPROM
EPROM расшифровывается как «Стираемая программируемая постоянная память». Это обновленная версия PROM. В отличие от PROM, EPROM позволяет пользователям стирать сохраненные данные, а также перезаписывать их. Данные, хранящиеся в EPROM, могут быть стерты пропусканием ультрафиолетового света в течение определенного периода времени с помощью ластика EPROM.
EEPROM
EEPROM расшифровывается как «Программируемая постоянная память с электрическим стиранием’. Как следует из названия, этот тип памяти программируется и стирается электрическим способом. Как программирование, так и стирание данных занимает от 4 до 10 миллисекунд. EEPROM можно стирать и перепрограммировать около десяти тысяч раз. EEPROM можно стирать по 1 байту за раз, вместо того чтобы стирать всю память сразу. Таким образом, весь процесс является гибким, но медленным.
Примечание: ОЗУ и ПЗУ известны как первичная или основная память.
Кэш — память
Кэш-память — это высокоскоростная полупроводниковая память, которая используется для хранения экземпляров программ и данных, к которым часто обращается центральный процессор. Она обеспечивает более быстрое хранение данных и доступ к ним для центрального процессора. Поэтому, когда центральный процессор запрашивает данные и программы, они быстро передаются из кэш-памяти, и центральный процессор может мгновенно получить к ним доступ. Центральному процессору не нужно обращаться к основной памяти или жёсткому диску, чтобы получить данные.
Кэш-память обычно располагается между центральным процессором и основной памятью (ОЗУ) и служит буфером между ними. Кэш-память дороже основной памяти, но она экономит время и повышает эффективность.
Существуют следующие типы кэш-памяти:
Уровень 1 или кэш регистров
Кэш первого уровня, или L1-кэш, определяется как первичный кэш, поскольку он представляет собой регистр в микропроцессоре компьютера. Его также называют кэшем процессора или регистровым кэшем. В зависимости от процессора размер L1-кэша может составлять от 2 до 64 КБ. Контроллер кэша сначала проверяет наличие инструкций в L1-кэше, когда процессор запрашивает информацию из памяти.
Уровень 2 или кэш
Кэш второго уровня, или L2, способен хранить больше данных, чем кэш первого уровня. Но он не такой быстрый, как кэш первого уровня. Кэш второго уровня может хранить от 64 КБ до 2 МБ данных. Он расположен на центральном процессоре или между центральным процессором и DRAM (оперативной памятью). Если центральный процессор не получает необходимые инструкции из кэша первого уровня, он начинает искать их в кэше второго уровня.
Уровень 3 или кэш основной памяти
Кэш третьего уровня, или L3-кэш, — это расширенный тип памяти, доступный на материнской плате компьютера. L3-кэш способен хранить больше данных, чем L1- и L2-кэши, но работает медленнее. L3-кэш — это дополнительный кэш, встроенный в материнскую плату между процессором и основной памятью для ускорения всей операции обработки.
В многоядерных процессорах каждое ядро может иметь собственные кэш-память L1 и L2, но все ядра используют общую кэш-память L3. Объём кэш-памяти L3, которая используется в современных процессорах, составляет от 1 до 8 МБ. Она почти в два раза быстрее оперативной памяти.
Уровень 4 или кэш вторичной памяти
Кэш 4-го уровня, или L4-кэш, — это часть внешней памяти, которая работает не так быстро, как другие типы кэш-памяти. Однако данные, хранящиеся в L4-кэше, остаются там навсегда. Он также известен как аппаратный кэш или дисковый кэш, то есть зарезервированная часть диска используется для хранения часто запрашиваемых данных или инструкций. Размер дискового кэша варьируется от 128 МБ на стандартных дисках до 1 ГБ на твердотельных дисках.
Примечание — в зависимости от типа используемой кэш-памяти она может называться первичной или вторичной.
Виртуальная память
Виртуальная память — это область вторичной памяти (например, жёсткого диска или твердотельного накопителя), которая настроена так, чтобы работать как часть оперативной памяти компьютера. Основное преимущество этого метода заключается в том, что программы могут занимать больше места, чем физическая память.
Например, когда пользователь запускает приложение на компьютере, данные сохраняются в оперативной памяти (ОЗУ). Поскольку оперативная память работает быстро, центральный процессор быстро получает доступ к данным и запускает приложение. Когда пользователь запускает ресурсоёмкое приложение или когда одновременно запущено много приложений, оперативная память системы может оказаться заполненной. В таких случаях данные, хранящиеся в оперативной памяти и не используемые в данный момент, временно переносятся в виртуальную память. Это освобождает место в оперативной памяти, которое затем используется системой для обеспечения бесперебойной работы.
Виртуальная память служит двум целям:
• Это позволяет нам увеличить объем физической памяти за счет использования диска.
• Это позволяет нам обеспечить защиту памяти, поскольку каждый виртуальный адрес преобразуется в физический.
Память с последовательным доступом
Память с последовательным доступом (также называемая SAM) — это класс устройств хранения данных, которые считывают данные последовательно. Другими словами, система должна искать нужные данные в устройствах хранения, начиная с начальной ячейки памяти или адреса памяти. Она также известна как память с последовательным доступом. Это отличает её от оперативной памяти (ОЗУ), в которой данные можно запрашивать в любом порядке. Барабанная память — пример памяти с последовательным доступом.
Внешняя память
Внешняя память — это, как правило, вид памяти, который подключается к компьютерной системе отдельно. Внешняя память также известна как «вторичная память» или «вспомогательная память». Она используется для постоянного хранения данных. Центральный процессор не обращается напрямую к этим типам памяти. Сначала данные передаются в оперативную память, а затем центральный процессор может получить к ним доступ. Это связано с тем, что вторичная память не такая быстрая, как оперативная.
Примечание: использование вторичного хранилища не является обязательным. Встроенные компьютеры, например те, что используются в стиральных машинах или системах центрального отопления, не требуют сохранения данных при отключении питания. Инструкции, необходимые для работы таких компьютеров, хранятся в постоянной памяти (ПЗУ).
Ниже перечислены доступные внешние накопители, используемые в компьютерной системе:
Магнитные запоминающие устройства
Магнитные запоминающие устройства покрыты магнитным материалом. Данные кодируются на магнитном материале в виде электрического тока. В магнитных устройствах используются магнитные поля для намагничивания крошечных отдельных участков вращающегося металлического диска. Каждый крошечный намагниченный участок представляет собой двоичную единицу (1), а каждый размагниченный участок — двоичный ноль (0). Эти крошечные участки могут содержать терабайты (ТБ) данных. Эти устройства дешёвые, производительные, ёмкие и долговечные. Жёсткий диск, магнитная лента и дискеты — это широко используемые магнитные устройства хранения данных.
Твёрдотельные запоминающие устройства
Твердотельные накопители состоят из кремниевых микрочипов. Это энергонезависимые устройства хранения данных, в которых в качестве памяти используются интегральные схемы для постоянного хранения любой информации. Они могут сохранять данные даже после выключения компьютера. Такие накопители используются в качестве внешнего вторичного хранилища.
Главное преимущество твердотельных устройств в том, что в них нет движущихся частей. Благодаря этому они портативны, выделяют меньше тепла и служат дольше. Твердотельные накопители работают быстрее традиционных жёстких дисков, поскольку данные хранятся в электрическом виде в кремниевых микросхемах, называемых ячейками. Двоичные данные хранятся в ячейках за счёт поддержания электрического тока в транзисторе в режиме «включено/выключено». В оперативной памяти используется тот же принцип, однако данные не сохраняются после отключения питания. В отличие от оперативной памяти, твердотельные устройства способны сохранять данные даже после отключения питания. Это возможно благодаря использованию технологии, известной как флэш-память.
Твердотельные накопители (SSD) и USB-накопители (универсальная последовательная шина) или USB-флешки — это примеры твердотельных запоминающих устройств. В большинстве современных устройств используются твердотельные запоминающие устройства, обеспечивающие более высокую и стабильную производительность.
Оптические запоминающие устройства
Данные, хранящиеся на оптических носителях, можно считывать и записывать с помощью лазерного луча. Эти устройства содержат вращающийся диск из металла и пластика. Поверхность вращающегося диска сканируется лазерным лучом. Поверхность разделена на дорожки, каждая из которых содержит несколько плоских участков и углублений. Плоские участки называются «землями», а углубления — «ямами». На оптических носителях можно хранить большой объём данных.
К оптическим устройствам хранения данных относятся CD-ROM (компакт-диск, постоянная память), DVD-ROM (цифровой универсальный диск, постоянная память), WORM (одноразовая запись, постоянная память) и т. д.
Как мы уже говорили, у компьютеров есть несколько преимуществ и недостатков, и компьютерная память — одна из самых важных составляющих. Благодаря компьютерной памяти мы можем хранить столько данных, сколько захотим. Кроме того, это один из важных факторов, влияющих на общую скорость работы компьютерной системы.