Оперативная память

Содержание

 

Введение________________________________________________3

1. Оперативная память. Её свойства и функции___________________4
2. Система памяти персонального компьютера___________________6
3. КЭШ-память______________________________________________7
4. Оперативное запоминающее устройство______________________10
5. Физические виды ОЗУ_____________________________________11
1. Статическая память__________________________________11
2. Динамическая память________________________________12
6. Перспективы развития оперативной памяти
1. MRAM_____________________________________________13
2. Память на основе графеновой наноленты________________16
3. Оперативная память на нанотрубках____________________17

Заключение______________________________________________19

Список использованной литературы_________________________20

 

 

 

 

Введение

Оперативная память является одним из важнейших элементов  компьютера. Именно из нее процессор  берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная»  эта память получила потому, что  она работает очень быстро, так  что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен или до нажатия кнопки сброса (reset). При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается. Поэтому перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые во время работы изменениям, необходимо сохранить на запоминающем устройстве. При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Часто для оперативной  памяти используют обозначение RAM (Random Access Memory, то есть память с произвольным доступом). Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в памяти. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором.

 

 

 

 

 

1. Оперативная память. Её свойства и функции

Операти́вная па́мять (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом; комп. жарг. Память) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой, исходя из названия, временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти.¹

Обмен данными между процессором  и оперативной памятью производится:

• непосредственно,
• либо через сверхбыструю память, 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии кэша — через него.

Содержащиеся в оперативной  памяти данные доступны только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение, то есть, компьютер включен. Пропадание на модулях памяти питания, даже кратковременное, приводит к искажении либо полному пропаданию содержимого ОЗУ.

Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют  переводить его в режим «сна», что значительно сокращает уровень  потребления компьютером электроэнергии. Для сохранения содержимого ОЗУ в таком случае, применяют запись содержимого оперативной памяти в специальный файл (в системе Windows XP он называется hiberfil.sys)

В общем случае, оперативная  память содержит данные операционной системы и запущенных на выполнение программ, поэтому от объёма оперативной  памяти зависит количество задач, которые  одновременно может выполнять компьютер.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной  памяти.

ОЗУ может изготавливаться  как отдельный блок или входить  в конструкцию, например однокристальной  ЭВМ или микроконтроллера.

 

 

 

 

 

 

 

2. Система памяти ПК

Хранение данных в персональных компьютерах осуществляется в различных  устройствах и их компонентах  в зависимости от целей использования  информации. Они включают в себя:

• регистры центрального микропроцессора (используются в процессе выполнения инструкций исполнительными блоками микропроцессора);
• кэш-память 1-го уровня (L1, компонент центрального микропроцессора, в который параллельно с выполнением текущей инструкции считываются  следующие инструкции и данные для их исполнения);
• кэш-память 2-го уровня (L2, память, выполняющая роль буфера между центральным микропроцессором и оперативным запоминающим устройством; реализуется в одном конструктиве с микропроцессором);
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, основная память, в которой размещаются исполняемые программы и необходимые для них данные);
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, хранящее базовую систему ввода-вывода и стартовые программы, запускаемые при включении компьютера);
• энергонезависимое ОЗУ (устройство памяти, хранящее значение системного времени и данные о конфигурации компьютера);
• видеопамять (устройство памяти видеоподсистемы персонального компьютера);
• накопители информации (массовая долговременная память персонального компьютера, реализованная  в виде устройств хранения данных на гибких и жестких магнитных дисках, магнитной ленте, оптических дисках, флэш-памяти и т.п.).
• Оперативное запоминающее устройство

3. Кэш-память

Кэш — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной и быстрее внешней памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит  из набора записей. Каждая запись ассоциирована  с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет  идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и  их копиями в основной памяти.

Если  кэш ограничен в объёме, то при  промахе может быть принято решение  отбросить некоторую запись для  освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации  элементов данных в кэше выполняется  их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3.

Самой быстрой  памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 384 Кбайт.

Вторым  по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

Иногда  существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высокопроизводительных серверов².

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory, RAM) является основной памятью персонального компьютера, в которой размещаются исполняемые программы и необходимые для них данные.

Отличительной особенностью RAM-памяти является ее быстродействие, которое очень важно для современных  микропроцессоров. По принципам действия RAM-память можно разделить на динамическую и статическую. Различие между этими типами памяти заключается в принципе хранения информации.

Поскольку элементарной единицей информации является бит, то оперативную память можно  рассматривать как некий набор  ячеек, каждая из которых может хранить  один информационный бит. Различие между  динамической и статической памятью заключается в конструктивных особенностях элементарных ячеек для хранения отдельных битов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Физические виды ОЗУ

ОЗУ большинства  современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые БИС  ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим массовую оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

 

1. Статическая память

В статической памяти ячейки построены на различных вариантах  триггеров – транзисторных схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в одном из этих состояний и сохранять записанный бит сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти – статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии.

Достоинством  статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление  и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит  из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает немало места на кристалле. К примеру, микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы более чем из 24 млн транзисторов, потребляя соответствующую мощность.

 

2. Динамическая  память

В динамической памяти элементарная ячейка памяти представляет собой конденсатор, выполненный по КМОП-технологии. Такой конденсатор способен в течение некоторого, хотя и очень малого, промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом.

Упрощая, можно сказать, что при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля – разряжается. При считывании данных каждый конденсатор разряжается (через схему считывания), и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение.

Кроме того, поскольку при считывании конденсатор  разряжается, то его необходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания (обращения к ячейке) сочетается с подзарядкой конденсаторов, то есть с регенерацией заряда. К тому же, если обращения к ячейке не происходит в течение длительного времени, то со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается (неизбежный физический процесс) и информация теряется. Вследствие этого память на основе массива конденсаторов требует постоянного периодического подзаряда конденсаторов.

Для компенсации  утечки заряда применяется регенерация (Memory Refresh), основанная на периодическом циклическом обращении к ячейкам памяти, так как каждое такое обращение восстанавливает прежний заряд конденсатора.

К достоинствам динамической памяти относятся высокая удельная плотность размещения данных и низкое энергопотребление, а к недостаткам – низкое быстродействие по сравнению со статической памятью.

6. Перспективы развития оперативной памяти
1. MRAM

MRAM (Magneto-Resistive RAM -- «Магниторезистивная RAM» или «Магниторезистивное ОЗУ») -- однокристальная полупроводниковая оперативная память, при производстве которой используются магнитный материал (часто применяемый в магнитных считывающих головках) и переход с магнитным туннелированием -- MTJ (Magnetic Tunnel Junction). В основу современной конструкции MRAM положена концепция, разработанная немецким физиком Андреасом Нейем (Andreas Ney) и его коллегами из Института твердотельной электроники им. Пауля Друде, которая была опубликована в октябрьском номере 2003 журнала Nature. Авторы предложили использовать так называемые «программируемые логические элементы» на основе MRAM-памяти. Вычислительное устройство состоит из логических элементов «и», «или», «и-не» и «или-не». Устройство памяти состоит из элементов, у каждого из которых есть два независимых входа и возможны четыре начальные состояния. Элемент MRAM-памяти содержит два разделенных промежутком магнитных слоя. Если магнитные моменты обоих слоев параллельны, электрическое сопротивление всего элемента небольшое, это отвечает состоянию «1». Если антипараллельны -- сопротивление велико и это соответствует состоянию «0». Направления магнитных моментов можно менять на противоположные, пропуская электрический ток по каждой из линий. Независимость входов для каждого из магнитных слоев дает возможность иметь четыре начальных состояния: «00», «01», «10» и «11», гдe «00» отвечает состоянию с отрицательной величиной тока через оба магнитных слоя, а «01» -- отрицательному току через слой А и положительному через слой В и т.д. Этим можно осуществлять логические операции «и» и «или». Если добавить еще один вход по току, то появится возможность выполнения логических операций «и-не» и «или-не».