Методическая разработка учебного материала по дисциплине "Основы информационных технологий". Тема: "Организация и основные характеристики памяти компьютера"

Организация и основные характеристики памяти

 

Оглавление

 

Введение. 2

Общие характеристики и понятия для всех видов памяти. 3

Внутренняя память. 4

Внешняя память. 8

Заключение. 18

Литература. 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В процессе развития вычислительной техники люди пытались проектировать и создавать различные технические устройства хранения информации.

Компьютерная память является одним из наиболее главных вопросов устройства компьютера, так как является важнейшей частью его устройства, а именно, компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейшей функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации.

     Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями.

В процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в составе компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называют памятью. Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, представляет собой закодированные с помощью цифр 0 и 1 различные символы (цифры, буквы, знаки), звуки, изображения.

Память компьютера — совокупность устройств для хранения информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общие характеристики и понятия для всех видов памяти

У компьютера есть два вида памяти: внутренняя и внешняя (долговременная) память.

Классификация видов компьютерной памяти по назначению показана на рисунке 1.

 

Рис. 1. Виды памяти компьютера

 

Рассмотрим общие для всех видов памяти характеристики и понятия.

Существует две распространенные операции с памятью — считывание (чтение) информации из памяти и запись ее в память для хранения. Для обращения к областям памяти используются адреса.

При считывании порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия: числа участвуют в вычислениях, слова используются при создании текста, из звуков создается мелодия и т. д. После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.

    Чтение (считывание) информации из памяти — процесс получения информации из области памяти по заданному адресу.

    Запись (сохранение) информации в памяти — процесс размещения информации в памяти по заданному адресу для хранения.

При записи (сохранении) порции информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.

Способ обращения к устройству памяти для чтения или записи информации получил название доступа. С этим понятием связан такой параметр памяти, как время доступа, или быстродействие памяти — время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации. Для числового выражения этого параметра используются единицы измерения времени: миллисекунда, микросекунда, наносекунда.

    Время доступа, или быстродействие памяти — время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации.

Важной характеристикой памяти любого вида является ее объем, называемый также емкостью. Этот параметр показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в памяти. Для измерения объема памяти используются следующие единицы: байты, килобайты (Кбайт), мегабайты (Мбайт), гигабайты (Гбайт).

    Объем (емкость) памяти — максимальное количество хранимой в ней информации. 

 

Внутренняя память

Внутренние запоминающие устройства (электронные устройства) непосредственно взаимодействуют с процессором.

Характерными особенностями внутренней памяти по сравнению с внешней являются высокое быстродействие и ограниченный объем. Физически внутренняя память компьютера представляет собой интегральные микросхемы (чипы), которые размещаются в специальных подставках (гнездах) на материнской плате. Чем больше размер внутренней памяти, тем более сложную задачу и с большей скоростью может решить компьютер.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: регистровой памяти (составная часть процессора), оперативной, постоянной и кэш-памяти.

 Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования.

Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти и кэш-памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внутренней памяти полностью очищается.

Регистры - внутренняя память процессора, в которой хранятся промежуточные результаты обрабатываемых процессором данных. Она имеет высокое быстродействие, сопоставимое с быстродействием процессора, и малую емкость (сотни байтов). Данные загружаются в регистры из оперативной памяти, обрабатываются в них процессором, а потом опять переписываются в оперативную память.

 Другая часть внутренней памяти, называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера.

 

Постоянная память хранит очень важную для нормальной работы компьютера информацию. В частности, в ней содержатся программы, необходимые для проверки основных устройств компьютера, а также для загрузки операционной системы. Очевидно, что изменять эти программы нельзя, так как при любом вмешательстве сразу станет невозможным последующее использование компьютера. Поэтому разрешено только чтение хранимой там постоянно информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое ее английское название Read Only Memory (ROM) — память только для чтения. 

Вся записанная в постоянную память информация сохраняется и после выключения компьютера, так как микросхемы являются энергонезависимыми. Запись информации в постоянную память происходит обычно только один раз — при производстве соответствующих чипов фирмой-изготовителем.

    Постоянная память — устройство для долговременного хранения программ и данных.

Существует две основные разновидности микросхем постоянной памяти: однократно программируемые (после записи содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые. Изменение содержимого многократно программируемой памяти производится путем электронного воздействия.

Оперативная память хранит информацию, необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные, команды, промежуточные и конечные результаты. Эта память работает только при включенном электропитании компьютера. После его выключения содержимое оперативной памяти стирается, так как микросхемы являются энергозависимыми устройствами.

    Оперативная память — устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.

Устройство оперативной памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой ячейке памяти. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory — память с произвольным доступом).

Если необходимо хранить результаты обработки длительное время, то следует воспользоваться каким-нибудь внешним запоминающим устройством.

    При выключении компьютера вся находящаяся в оперативной памяти информация стирается.

Оперативная память характеризуется высоким быстродействием и относительно малой емкостью.

Микросхемы оперативной памяти монтируются на печатной плате. Каждая такая плата снабжена контактами, расположенными вдоль нижнего края, число которых может быть 30, 72 или 168 (рисунок 2). Для подключения к другим устройствам компьютера такая плата вставляется своими контактами в специальный разъем (слот) на системной плате, расположенной внутри системного блока. Системная плата имеет несколько разъемов для модулей памяти, суммарный объем которых может принимать ряд фиксированных значений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Микросхемы (чипы) оперативной памяти

 

Кэш-память (англ. cache — тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера.

Кэш-память используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью. Алгоритм ее работы позволяет сократить частоту обращений микропроцессора к оперативной памяти и, следовательно, повысить производительность компьютера.

Существует два типа кэш-памяти: внутренняя (2-16 Мбайт), которая размещается в процессоре, и внешняя (от 4 Мбайт до 64 Мбайт), устанавливаемая на системной плате.  

В современных компьютерах оперативная память, а также кэш и постоянно запоминающее устройство реализованы на интегральных схемах, которые отличаются от больших схем еще большей плотностью монтажа и, соответственно, заменяют миллионы транзисторных элементов.

Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти, в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS (КМОП)-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для нее электропитания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера SETUP.

 

Внешняя память

 

Назначение внешней памяти компьютера заключается в долговременном хранении информации любого вида. Выключение питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Объем этой памяти в тысячи раз больше объема внутренней памяти.

Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени, чем к оперативной.

Необходимо различать понятия носителя информации и устройства внешней памяти.

    Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.

    Устройство внешней памяти (накопитель) — физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель.

Носителями информации во внешней памяти современных компьютеров являются магнитные или оптические диски, магнитные ленты и некоторые другие.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа.

В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует.

Дополнительно к введенным ранее общим характеристикам памяти для внешней памяти используют понятия плотности записи и скорости обмена информацией.

Плотность записи определяется объемом информации, записанным на единице длины дорожки. Единицей измерения плотности записи служат биты на миллиметр (бит/мм). Плотность записи зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, то есть числа дорожек на поверхности диска.

    Плотность записи — объем информации, записанной на единице длины дорожки.

 

Скорость обмена информации зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что, в свою очередь, определяется скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. По способу записи и чтения устройства внешней памяти (накопители) подразделяются в зависимости от вида носителя на магнитные, оптические и электронные (флэш-память). Рассмотрим основные виды внешних носителей информации. 

 

 

Гибкие магнитные диски

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В настоящее время в некоторых случаях ещё используются гибкие магнитные диски (дискеты) или флоппи-диски (от англ. floppy disk) диски с внешним диаметром 3,5" (дюйма), или 89 мм, называемые обычно 3-дюймовыми. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — конце 1990-х годов.

Диски называются гибкими, потому что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. 

Поверхность диска покрывается специальным магнитным слоем. Именно этот слой обеспечивает хранение данных, представленных двоичным кодом. Наличие намагниченного участка поверхности кодируется как 1, отсутствие — как 0. Информация записывается с двух сторон диска на дорожках, которые представляют собой концентрические окружности (рисунок 3). Каждая дорожка разделяется на секторы. Дорожки и секторы представляют собой намагниченные участки поверхности диска.

 

Рис. 3. Разметка поверхности гибкого диска

 

Для работы с гибкими магнитными дисками предназначено устройство, называемое дисководом, или накопителем на гибких магнитных дисках (НГМД). Дисковод для гибких дисков относится к группе накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока.

Для обращения к диску, установленному в дисководе, используются специальные имена в виде латинской буквы с двоеточием. Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличить имя дисковода от буквы, поскольку это общее правило. Дисководу для считывания информации с 3-дюймового диска присваивается имя А: или иногда В:.

 

 

 

 

 

 

 

Жесткие магнитные диски

 

Одним из обязательных компонентов персонального компьютера являются жесткие магнитные диски. Они представляют собой набор металлических либо керамических дисков (пакет дисков), покрытых магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри герметичного корпуса накопителя, обычно называемого винчестером. Накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) относится к накопителям с прямым доступом.

 

Основные особенности жестких дисков:

           ♦          жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;

           ♦          для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;

           ♦          для доступа к информации один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в месте считывания/записи информации;

           ♦          наиболее распространенные размеры жесткого диска — 5,25 и 3,5 дюйма в наружном диаметре.

Жесткий магнитный диск представляет собой очень сложное устройство с высокоточной механикой чтения/записи и электронной платой, управляющей работой диска. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов, резких толчков.

Производители винчестеров сосредоточили свои усилия на создании жестких дисков большей емкости, надежности, скорости обмена данными и меньшей шумности.

Для обращения к жесткому диску используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D: и т. д..  Для удобства работы в операционной системе предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один физический диск на несколько независимых частей, называемых логическими дисками. В этом случае каждой части одного физического диска присваивается свое логическое имя, что позволяет независимо обращаться к ним: С:, D: и т. д. 

 

Оптические диски

 

Оптические, или лазерные носители — это диски, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Эти диски изготовлены из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Такие диски часто называют компакт-дисками у или CD (англ. Compact Disk — компакт -диск).

Лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация на дорожке-спирали записывается мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как единица (1), впадины поглощают луч и, соответственно, воспринимаются как ноль (0). 

Бесконтактный способ считывания информации с помощью лазерного луча определяет долговечность и надежность компакт-дисков. Как и магнитные, оптические диски относятся к устройствам с произвольным доступом к информации. Оптическому диску присваивается имя — первая свободная буква латинского алфавита, не использованная для имен жестких дисков.

Различают два типа накопителей (оптических дисководов) для работы с лазерными дисками:

♦ устройство для чтения с компакт-дисков, которое позволяет только читать информацию, ранее записанную на диск. Этим обусловлено название оптического дисковода CD-ROM (от англ. Compact Disk Read Only Memory — компакт-диск только для чтения). Невозможность записи информации в этом устройстве объясняется тем, что в нем установлен источник слабого лазерного излучения, мощности которого хватает только для считывания информации; 
♦ оптический дисковод, который позволяет не только считывать, но и выполнять запись информации на компакт-диск. Он называется CD-RW (Rewritable). Устройства CD-RW обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска и прожигать микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, производя тем самым запись непосредственно в дисководе компьютера.

Диски DVD, также как и CD, хранят данные за счет расположенных выпуклостей (насечек) вдоль спиральных дорожек на отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в устройствах записи/чтения DVD дисков лазер создает насечки более мелкого размера, что позволяет увеличить плотность записи данных. 

Внедрение полупрозрачного слоя, который прозрачен для света с одной длиной волны и отражает свет другой длины волны, позволяет создавать двухслойные и двухсторонние диски и, следовательно, увеличить емкость диска при прежних размерах. При этом геометрические размеры DVD и CD одинаковые, что позволило создать устройства, способные воспроизводить и записывать данные как на CD, так и на DVD. Но оказалось, что это не предел. Для записи видео и звука на DVD применяется сложная технология сжатия данных, обеспечивающая возможность разместить еще большие объемы информации в меньшем пространстве. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитные ленты

 

Магнитные ленты представляют собой носитель, аналогичный используемому в аудиокассетах бытовых магнитофонов. Устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации с магнитных лент, называется стримером (от англ. stream — поток, течение; струиться). Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информации и характеризуется гораздо меньшей скоростью записи и считывания информации по сравнению с дисководами.

Основное назначение стримеров — создание архивов данных, резервное копирование, надежное хранение информации. Многие большие банки, коммерческие фирмы, торговые предприятия в конце плановых периодов переносят важные сведения на магнитные ленты и убирают кассеты в архивы. Кроме того, на кассеты стримеров периодически записывается информация с винчестера, чтобы воспользоваться ею в случае непредвиденного сбоя жесткого диска, когда необходимо срочно восстановить хранившуюся на нем информацию. 

 

 

 

Флэш-память

Флэш-память относится к электронному энергонезависимому типу памяти. Принцип работы флэш-памяти аналогичен принципу работы модулей оперативной памяти компьютера.

Главное отличие состоит в том, что она энергонезависима, то есть хранит данные до тех пор, пока вы их сами не удалите. При работе с флэш-памятью используются такие же операции, что и с другими носителями: запись, чтение, стирание (удаление).

Флэш-память имеет ограниченный срок службы, который зависит от объема перезаписываемой информации и от частоты ее обновления. 

Современные компьютеры, как правило, имеют внешнюю память в составе: винчестер, дисковод для 3,5-дюймовых дискет, CD-ROM, флэш-память. Следует помнить, что магнитные диски и ленты чувствительны к воздействию магнитных полей. В частности, размещение поблизости с ними сильного магнита может разрушить информацию, хранимую на перечисленных носителях. Поэтому, используя магнитные носители, необходимо обеспечить их удаленность от источников магнитных полей.

 

 

 

Заключение

 

Современный компьютер – это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации ещё очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Ещё ни одно государство на Земле не создало информационного общества. Ещё много потоков информации, не вовлеченных в сферу действия компьютеров. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые, докомпьютерные технологии обработки информации. Текущий этап завершится построением в индустриально развитых странах  глобальных всемирных сетей для хранения и обмена информацией, доступных каждой организации и каждому члену общества.

Для хранения информации в компьютере предусмотрены устройства памяти. Внутренняя память должна быть быстродействующей, однако будет ограничена по объему. Внешняя память предназначена для дли­тельного хранения большого объема информации. Сравнивая способ организации и способ доступа к информации в устройствах внутрен­ней и внешней памяти, можно увидеть, что они различны. Внутренняя память представляет собой совокупность ячеек, обращение к которым осуществляется по адресам. Обращение к накопителям внешней памя­ти значительно сложнее. Поэтому для того, чтобы эффективно с точки зрения затрат времени использовать программы и данные с внешних накопителей, необходимо предварительно считать их во внутреннюю память.

В данной методической разработке была изложена информация о классификации основных видов памяти ПК. Были приведены основные принципы работы отдельных видов памяти. Становится понятно, что различных видов памяти в современном персональном компьютере достаточно много.

 

Литература

 

1.     Бройдо В.Л. Теория информации. Учебное пособие.- 2-е изд.- СПб: Питер, 2005

2.     Под ред. А.Д.Хомоненко Основы современных компьютерных технологий: Учебник/ — СПб: Корона принт, 2009

3.     Соломенчук В.Г. Соломенчук П.В. Железо ПК 2005. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005

4.     Угринович Н.Д. «Информатика и информационные технологии» / Учебник

5.     Радченко Н.П. Школьная информатика: впереди экзамены. – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008

6.     Громов, Ю.Ю., Дидрих, В.Е. Информационные технологии. Тамбов: ТГТУ, 2011.

7.     Есипов, А.С. Информатика. Учебник по базовому курсу. СПб.: Наука и Техника, 2001.

8.     Липенков, А.Д. Информатика: учебное пособие. / А.Д. Липенков. Челябинск: ЧелГУ, 2006.

9.     Степанов, А.Н. Информатика. СПб.: Питер, 2006.

10. Информатика. Базовый курс. / Под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005.

11.  Дангул А.Н. Информатика: Учебник - М.: Изд-во РАГС, 2004.

12. Макарова Н.В. Информатика: Учебник, 3-е изд. - М.: Финансы и статистика, 2004.

13. Кушниренко А.Г., Лебедев Г.В., Сворень Р.А. Основы информатики и вычислительной техники: Учеб. для средн. учеб. заведений. - М.: Просвещение, 1993.

14. Петров Ю.П. Оперативная память. / Ю.П.Петров.- СПб: БХВ-Петербург, 2005

15. Угринович Н. Информатика и информационные технологии. Учебное пособие для общеобразовательных учреждений. - М.: БИНОМ, 2001

16. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб: БХВ-СПб, 2010

17. Большие интегральные микросхемы запоминающих устройств: справочник. М.: Радио и связь, 2009

18. Под ред. А.Д.Урсула. История Прикладная теория информации Учебное пособие. СПб: РАГС, 2006

Интернет ресурсы:

19. Алексеев Е.Г., Богатырев С.Д. Информатика. Мультимедийный электронный учебник http://inf.e-alekseev.ru/text/Memory.html

20. http://citforum.ru/pp/pc03.shtml - Накопители на магнитных дисках

 

Скачано с www.znanio.ru