Оперативная память

Оперативная память, или оперативка – это один из главных элементов  компьютера. «Оперативная» память потому, что очень быстро работает и позволяет  процессору практически без какого-либо заметного ожидания читать информацию из памяти. Содержащиеся в оперативной  памяти данные сохранены и доступны только тогда, когда компьютер включен. При выключении компьютера содержимое стирается из оперативной памяти, поэтому перед выключением компа  все данные нужно сохранить. От объема оперативной памяти (кстати, еще  ее называют ОЗУ – оперативное  запоминающее устройство) зависит количество задач, которые одновременно может  выполнять компьютер.

 

Оперативная память - это  рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная  память часто рассматривается как  временное хранилище, потому что  данные и программы в ней сохраняются  только при включенном компьютере или  до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

 

Устройства оперативной  памяти иногда называют запоминающими  устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к  данным, хранящимся в оперативной  памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят  о памяти компьютера, обычно подразумевают  оперативную память, прежде всего  микросхемы памяти или модули, в  которых хранятся активные программы  и данные, используемые процессором.

 

За несколько лет определение RAM (Random Access Memory) превратилось из обычной аббревиатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM - DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную память, а во-вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Также существует так называемая статическая оперативная память (Static RAM - SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти только при включенном питании.

 

Под компьютерной памятью  обычно подразумевается ОЗУ (RAM), т.е. физическая память системы, которая  состоит из микросхем или модулей  памяти, используемых процессором для  хранения основных, запущенных в текущий  момент времени программ и данных. При этом термин "хранилище данных" относится не к оперативной памяти, а к таким устройствам, как  жесткие диски и накопители на магнитной ленте (которые, тем не менее, можно использовать как разновидность RAM, получившую название виртуальная  память).

 

Термин "оперативная память" часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие  понятия, как логическое отображение  и размещение. Логическое отображение - это способ представления адресов  памяти на фактически установленных  микросхемах. Размещение - это расположение информации (данных и команд) определенного  типа по конкретным адресам памяти системы.

 

Во время выполнения программы  в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой  памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были сохранены  на диске или другом устройстве внешней  памяти. Чтобы избежать этого, некоторые  приложения автоматически делают резервные  копии данных.

 

Файлы компьютерной программы  при ее запуске загружаются в  оперативную память, в которой  хранятся во время работы с указанной  программой. Процессор выполняет  программно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет  их результаты. Оперативная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также  величины математических операций. При  выполнении команды Сохранить (Save) содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске.

 

Физически оперативная память в системе представляет собой  набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти микросхемы или модули могут  иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются.

В современных компьютерах  используются запоминающие устройства трех основных типов:

ROM (Read Only Memory). Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ, не способное выполнять операцию записи данных.

DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.

SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память.

Память типа ROM

 

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), данные можно только хранить, изменять их нельзя. Именно поэтому такая память используется только для чтения данных. ROM также часто называется энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска ПК, т.е. программное обеспечение, которое загружает систему.

 

ROM и оперативная память - не противоположные понятия.  На самом деле ROM представляет  собой часть оперативной памяти  системы. Другими словами, часть  адресного пространства оперативной  памяти отводится для ROM. Это  необходимо для хранения программного  обеспечения, которое позволяет  загрузить операционную систему. 

 

Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются  аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпрограммы BIOS и  драйверы, необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, которые  должны быть активизированы на раннем этапе начальной загрузки, например видеоадаптер. Платы, не нуждающиеся  в драйверах на раннем этапе начальной  загрузки, обычно не имеют ROM, потому что  их драйверы могут быть загружены  с жесткого диска позже - в процессе начальной загрузки.

 

В настоящее время в  большинстве систем используется одна из форм Flash-памяти, которая называется электрически стираемой программируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Readonly Memory - EEPROM). Flash-память является по-настоящему энергонезависимой и перезаписываемой, она позволяет пользователям легко модифицировать ROM, программно-аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких, как видеоадаптеры, платы SCSI, периферийные устройства и т.п.).

Память типа DRAM

 

Динамическая оперативная  память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости.

 

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные  с памятью этого типа, вызваны  тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так  как в противном случае электрические  заряды в конденсаторах памяти будут  “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный  перерыв и обращается ко всем строкам  данных в микросхемах памяти. Большинство  систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем  системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную, например, 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128x15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

 

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации  могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных  системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию  составляют 1% (или меньше) процессорного  времени. Некоторые системы позволяют  изменить параметры регенерации  с помощью программы установки  параметров CMOS, но увеличение времени  между циклами регенерации может  привести к тому, что в некоторыхячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы определения последовательности в ПЗУ (serial presence detect - SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными.

 

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому  они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее  время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 1 Гбайт  и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда  транзисторов. В микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последователь но, обычно в узлах квадратной решетки, в  виде очень простых, периодически повторяющихся  структур.

 

Транзистор для каждого  одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет - записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению “синего” экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.

 

Динамическая оперативная  память используется в персональных компьютерах; поскольку она недорогая, микросхемы могут быть плотно упакованы, а это означает, что запоминающее устройство большой емкости может  занимать небольшое пространство. К  сожалению, память этого типа не отличается высоким быстродействием, обычно она  намного “медленнее” процессора. Поэтому существует множество различных  типов организации DRAM, позволяющих  улучшить эту характеристику