1.4. Запоминающие устройства и организация памяти

Для построения памяти могут использоваться устройства с различными физическими принципами хранения информации и различной организацией доступа к ней. Устройства, предназначенные для хранения информации и селективного доступа к ней, называются запоминающими устройствамиилинакопителями.

Основные характеристики запоминающего устройства (ЗУ) – емкость, быстродействие и удельная стоимость. Емкость ЗУопределяется предельным количеством информации, размещаемым в ЗУ, и исчисляется в кило-, мега- и гигабайтах.Быстродействие ЗУхарактеризуется затратами времени на чтение‑запись информации при обращении к ЗУ.Удельная стоимость– это затраты средств в денежном выражении на хранение единицы информации, например количеством долларов на один мегабайт. Удельная стоимость равна стоимости ЗУ деленной на емкость ЗУ.

Наиболее широкое применение получили следующие типы ЗУ:

полупроводниковые,

магнитные,

оптические и магнитооптические.

Полупроводниковые ЗУ. Полупроводниковые ЗУ строятся на основе интегральных схем памяти. Наиболее широко используются интегральные схемы емкостью до 256 Мбайт с длительностью цикла обращения (чтения‑записи) 10-12 нс и удельной стоимостью 0,5-2 доллара/Мбайт. Полупроводниковые ЗУ обеспечивают хранение слов заданной длины (обычно до 8 байт) и требуемую емкость (от десятков мегабайт до гигабайт). Функциональная организация полупроводниковых ЗУ представлена на рис 1.4.1.

Дешифратор	0
	1
	2
	.
	.
	.
	.
	А
	.
	М-1

О
бращение к ЗУ производится с указанием адреса слова. Дешифратор селектирует ячейку с указанным адресом, из которой по сигналу «Чтение» читается или в которую по сигналу «Запись» записывается слово. Промежуток времени от момента начала обращения к ЗУ до получения или записи слова данных называетсявременем доступак ЗУ. Промежуток времени, необходимый ЗУ для выполнения операции чтения или записи, называетсяциклом обращенияк ЗУ. Время доступа меньше длительности обращения. Длительность цикла обращения к полупроводниковому ЗУT_пзависит от быстродействия электронных элементов, на которых строятся интегральные схемы и емкости интегральной схемы и всего ЗУ, а также от используемой полупроводниковой технологии. Длительность циклаT_ппостоянна при обращении к ячейки с любым адресом и характеризует быстродействие полупроводникового ЗУ. За единицу времени можно прочитать или записатьV=1/T_пслов илиV=n/T_пбайтов, гдеn– длина слова в байтах. Так, при длине словаn=4 байта и длительности циклаT_п=10 нс производительность полупроводникового ЗУ составляетV=400 Мбайт/с.

Наиболее существенное свойство полупроводниковых ЗУ – независимость времени доступа от местоположения данных в памяти. В связи с этим ЗУ такого типа выделяются в особый класс ЗУ – ЗУ с произвольным доступом(RAM–RandomAccessMemory).

ЗУ на магнитных носителях. ЗУ на магнитных носителяхподразделяются на три основных типа:

ЗУ на магнитных дисках,

ЗУ на дискетах,

ЗУ на магнитной ленте.

ЗУ на магнитной ленте. ЗУ на магнитных дискахстроятся по схеме, представленной на рис.1.4.2.

Вкачестве носителя информации используется магнитная пленка, нанесенная на диск. Запись и чтение данных производится магнитной головкой. В одной точке диска может быть записан один бит информации (значения 0 или 1). Данные размещаются по дорожкам 0, 1,…,D-1, выделяемым фиксированными положениями механизма доступа, несущего головку. Каждая дорожка разделяется на секторы, в которых размещаются последовательности битов, образующие сегменты данных. Наименьшей адресуемой единицей данных является сегмент. Адрес сегмента состоит из номера дорожки и номера сектора. Обращение к сегменту данных с целью их записи или чтения разделяется на следующие этапы:

1. Перемещение механизма доступа на заданную дорожку. Длительность этого этапа D₁составляет от 0, если механизм доступа уже находится на заданной дорожке, до₁, если механизм должен переместиться между крайними дорожками, и является случайной величиной.

2. Ожидание подхода заданного сектора на позицию головки. Длительность этого этапа также случайная величина, лежащая в диапазоне от 0 до ₂=1/, где– скорость вращения диска (оборот/с).

3. Запись‑чтение сегмента данных. Длительность этого этапа зависит от числа секторов и скорости вращения диска. При записи‑чтении данные передаются со скоростью Vбайт/с, зависящей от плотности записи информации на диске, которая определяется свойствами системы «головка‑диск».

ЗУ на магнитных дисках имеют емкость несколько Гбайт, среднее время доступа составляет 5‑10 нс и скорость передачи данных 1‑10 Мбайт/с.

ЗУ на магнитных дискетахсостоят из дисковода, обеспечивающего вращение сменных дискет, перемещение магнитной головки на заданную дорожку и возможность установки на них сменных дискет. Наиболее широко используются дискеты диаметром 3,5'', емкость которых составляет 720 Кбайт. Время позиционирования между соседними дорожками составляет 3‑6 нс, максимальное время позиционирования – до 100 нс. Скорость вращения дискеты – 300 об/мин, в результате чего максимальное время ожидания перехода после окончания позиционирования составляет 200 мс. Скорость передачи данных обычно равна 250‑500 Кбайт/с.

ЗУ на магнитных дисках и дискетах обеспечивают доступ к затребованной единице данных (сегменту данных) за постоянное в среднем время, ограниченное предельным временем позиционирования и временем ожидания. Такого рода ЗУ относятся к классу ЗУ с прямым доступом.

ЗУ на магнитной лентесостоят из лентопротяжного механизма (стримера) и кассет (картриджей) с магнитной лентой, обычно шириной 8 мм (рис. 1.4.3).

Запись‑чтение данных происходит при движении ленты и доступ к сегменту данных происходит при последовательном продвижении ленты из начала в конец или из конца в начало. ЗУ такого типа называются ЗУ споследовательным доступом. Типичная емкость картриджа – 500 Мбайт и скорость передачи данных – порядка 100 Кбит/с.

ЗУ на оптических дисках.ЗУ на оптических дисках(компакт‑дисках) относятся к классу ЗУ с последовательным доступом и функционируют подобно ЗУ с магнитными лентами. Компакт‑диски имеют емкость от 650 Мбайт. Дисководы для компакт‑дисков обеспечивают среднее время доступа порядка 20‑35 мс и скорость передачи данных порядка 0,9‑5,5 Мбайт/с. Стоимость хранения одного мегабайта информации от 0,003 долл./Мбайт для компакт дисков без перезаписи (CD‑R) до 0,125 долл./Мбайт для компакт‑дисков с перезаписью информации (CD‑RW). Оптические диски являются основными носителями для ввода в компьютер больших объемов информации: программных комплексов, справочной информации и т.д., а также для архивирования больших объемов данных.

С

Таблица 1.4.1

равнительные характеристики ЗУ. Типичные характеристики ЗУ сведены в таблицу 1.4.1.

Типичные характеристики ЗУ

Типы ЗУ и носителя	Емкость, МВ	Время доступа	Скорость передачи данных, МВ/с	Удельная стоимость, долл./МВ
Интегральная схема памяти	до 256	20‑40 нс	25‑200	0,5‑2,0
ЗУ на жестких магнитных дисках	1‑10 ГВ	8‑15 мс	5‑10	0,15
ЗУ на дискетах	1,44‑2,88	84 мс	0,25‑0,50 Кбайт/с	0,05‑0,10
ЗУ на оптических дисках	680	100‑400 мс	0,15‑3,6	0,05‑0,10
ЗУ на магнитной ленте	0,15‑13	—	0,25‑5	0,03‑0,07

Из таблицы можно сделать следующие выводы:

1. Только полупроводниковые ЗУ имеют малое время доступа, соответствующее темпу работы процессора. Однако удельная стоимость хранения данных в полупроводниковых ЗУ высока и ограничивает емкость полупроводниковой памяти.

2. Остальные типы ЗУ обеспечивают низкую удельную стоимость хранения данных, однако, имеют низкое быстродействие – значительное время доступа к данным и невысокую скорость передачи данных.

Многоуровневая организация памяти. Память компьютера должна обеспечивать:

1. емкость, соответствующую области применения компьютера, т.е. классу решаемых задач;

2. быстродействие, достаточное для обеспечения работы процессора и устройств ввода‑вывода;

3. минимальную стоимость.

В общем случае ни одно из вышеперечисленных ЗУ не удовлетворяет этим трем противоречивым требованиям. Так, полупроводниковое ЗУ для хранения большого объема данных, исчисляемого в гигабайтах, будет крайне дорогим. В связи с этим память компьютеров строится из ЗУ нескольких типов по двухуровневой схеме (рис. 1.4.4).

Для обеспечения высокого быстродействия процессора используется полупроводниковая память ограниченной емкости. Процессор имеет прямой доступ только к этой памяти, и ее называютоперативной (основной) памятью(ОП). Основная масса данных хранится вне ОП – в ЗУ на жестких дисках и оптических дисках. Эти ЗУ называютвнешними(ВЗУ), и их совокупность образуетвнешнюю памятькомпьютера. Обычно емкость внешней памяти в 10³‑10⁴раз больше емкости оперативной памяти.

Процессор имеет доступ к информации (командам и данным), хранимым только в ОП. При этом чтение и запись информации производится словами. Доступ к информации, хранимой во внешней памяти, организуется следующим образом. Для обращения к сегменту информации, хранимому во внешней памяти, необходимо сначала его передать в ОП, после чего информация из сегмента может обрабатываться процессором. Для разгрузки ОП сегмент информации, хранимой в ОП, передается в ВЗУ. На освободившееся в ОП место может быть передан из внешней памяти другой необходимый сегмент, который после этого становится доступным для процессорной обработки.

Важно отметить, что передача информации между ОП и ВП производится сегментами большого объема – 10²‑10⁴байт. Это позволяет снижать влияние большого времени доступа к ВЗУ на время решения задач.

Обмен информацией между ОП и ВП программируется командами ввода‑вывода. Таким образом, ВЗУ приравнивается по своему статусу к устройствам ввода‑вывода.

Внешняя память компьютера может комплектоваться ЗУ со сменными носителями информации: компакт‑дисками, картриджами с магнитной лентой и дискетами. Сменные носители используются для ввода и вывода программ и данных. Сменные носители хранятся вне компьютера и образуют архивную память. Доступ к информации, находящейся в архивной памяти, обеспечивается человеком, устанавливающим соответствующий носитель информации на ВЗУ.