Компьютеры и любая электроника - сложные устройства, принципы работы которых не всегда понятны большинству обывателей. Что такое ПЗУ и зачем устройство необходимо? Большинство людей не смогут дать ответ на этот вопрос. Попробуем исправить это недоразумение.
Что такое ПЗУ?
Чем они являются и где используются? Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) представляют собой энергонезависимую память. Технологически они реализованы как микросхема. Одновременно мы узнали, какова аббревиатуры ПЗУ расшифровка. Предназначены устройства для хранения информации, введённой пользователем, и установленных программ. В постоянном запоминающем устройстве можно найти документы, мелодии, картинки - т.е. всё, что должно храниться на протяжении месяцев или даже лет. Объемы памяти, в зависимости от используемого устройства, могут меняться от нескольких килобайт (на простейших устройствах, имеющих один кристалл кремния, примером которых являются микроконтроллеры) до терабайтов. Чем больше объем ПЗУ - тем больше объектов может быть сохранено. Объем прямо пропорционален количеству данных. Если уплотнить ответ на вопрос, что такое ПЗУ, следует ответить: это которое не зависит от постоянного напряжения.
Жесткие диски как основные постоянные запоминающие устройства
На вопрос, что такое ПЗУ, уже дан ответ. Теперь следует поговорить о том, какие они бывают. Основным постоянным запоминающим устройством являются жесткие диски. Они есть в каждом современном компьютере. Используются они благодаря своим широким возможностям накопления информации. Но при этом существует ряд ПЗУ, которые используют мультиплексоры начальные загрузчики и прочие подобные электронные механизмы). При детальном изучении будет нужно не только понимать значение ПЗУ. Расшифровка других терминов тоже необходима, для того, чтобы вникнуть в тему.
Расширение и дополнение возможностей ПЗУ благодаря флеш-технологиям
Если стандартного пользователю не хватает, то можно воспользоваться дополнительным расширением возможностей предоставленного ПЗУ в сфере хранения данных. Осуществляется это посредством современных технологий, реализованных в картах памяти и USB-флеш-накопителях. В их основе лежит принцип многоразового использования. Другими словами, данные на них можно стирать и записывать десятки и сотни тысяч раз.
Из чего состоит постоянное запоминающее устройство
В составе ПЗУ находится две части, которые обозначаются как ПЗУ-А (для хранения программ) и ПЗУ-Э (для выдачи программ). Постоянное запоминающее устройство типа А является диодно-трансформаторной матрицей, которая прошивается с помощью адресных проводов. Этот раздел ПЗУ выполняет главную функцию. Начинка зависит от материала, из которого сделаны ПЗУ (могут применяться перфорационные и магнитные ленты, перфокарты, магнитные диски, барабаны, ферритовые наконечники, диэлектрики и их свойство накопления электростатических зарядов).
Схематическое строение ПЗУ
Этот объект электроники изображается в виде устройства, которое по внешнему виду напоминает соединение определённого числа одноразрядных ячеек. Микросхема ПЗУ, несмотря на потенциальную сложность и, казалось бы значительные возможности, по размеру мала. При запоминании определённого бита производится запайка к корпусу (когда записывается нуль) или к источнику питания (когда записывается единица). Для увеличения разрядности ячеек памяти в постоянных запоминающих устройствах микросхемы могут параллельно соединяться. Так и делают производители, чтобы получить современный продукт, ведь микросхема ПЗУ с высокими характеристиками позволяет им быть конкурентными на рынке.
Объемы памяти при использовании в различных единицах техники
Объемы памяти разнятся в зависимости от типа и предназначения ПЗУ. Так в простой бытовой технике вроде стиральных машинок или холодильников можно хватает установленных микроконтроллеров (с их запасов в несколько десятков килобайт), и в редких случаях устанавливается что-то более сложное. Использовать большой объем ПЗУ здесь не имеет смысла, ведь количество электроники невелико, и от техники не требуется сложных вычислений. Для современных телевизоров требуется уже что-то более совершенное. И вершиной сложности является вычислительная техника вроде компьютеров и серверов, ПЗУ для которых, как минимум, вмещают от нескольких гигабайт (для выпущенных лет 15 назад) до десятков и сотен терабайт информации.
Масочное ПЗУ
В случаях, когда запись ведётся при помощи процесса металлизации и используется маска, такое постоянное запоминающее устройство называется масочным. Адреса ячеек памяти в них подаются на 10 выводов, а конкретная микросхема выбирается с помощью специального сигнала CS. Программирование этого вида ПЗУ осуществляется на заводах, вследствие этого изготовление в мелких и средних объемах невыгодно и довольно неудобно. Но при крупносерийном производстве они являются самым дешевым среди всех постоянных запоминающих устройств, что и обеспечило им популярность.
Схематически от общей массы отличаются тем, что в запоминающей матрице соединения проводников заменены плавкими перемычками, изготовленные из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки, и компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Но во время подготовительного программирования подаётся повышенное напряжение, с помощью которого оставляют логические единицы. При подаче низких напряжений перемычки испаряются, и компьютер считывает, что там логический нуль. По такому принципу действуют программируемые постоянные запоминающие устройства.
Программируемые постоянные запоминающие устройства
ППЗУ оказались достаточно удобными в процессе технологического изготовления, чтобы к ним можно было прибегать при средне- и мелкосерийном производстве. Но такие устройства имеют и свои ограничения - так, записать программу можно только раз (из-за того, что перемычки испаряются раз и навсегда). Из-за такой невозможности использовать постоянное запоминающее устройство повторно, при ошибочном записывании его приходится выбрасывать. В результате повышается стоимость всей произведённой аппаратуры. Ввиду несовершенства производственного цикла эта проблема довольно сильно занимала умы разработчиков устройств памяти. Выходом из этой ситуации стала разработка ПЗУ, которое можно программировать заново многократно.
ПЗУ с ультрафиолетовым или электрическим стиранием
И получили такие устройства название «постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым или электрическим стиранием». Создаются они на основе запоминающей матрицы, в которой ячейки памяти имеют особую структуру. Так, каждая ячейка является МОП-транзистором, в котором затвор сделан из поликристаллического кремния. Похоже на предыдущий вариант, верно? Но особенность этих ПЗУ в том, что кремний дополнительно окружен диэлектриком, обладающим чудесными изолирующими свойствами, - диоксидом кремния. Принцип действия здесь базируется на содержании индукционного заряда, который может храниться десятки лет. Тут есть особенности по стиранию. Так, для ультрафиолетового ПЗУ-устройства необходимо попадание ультрафиолетовых лучей, идущих извне (ультрафиолетовой лампы и т.д.). Очевидно, что с точки зрения простоты эксплуатация постоянных запоминающих устройств с электрическим стиранием является оптимальным, так как для их активации необходимо просто подать напряжение. Принцип электрического стирания был с успехом реализован в таких ПЗУ, как флеш-накопители, которые можно увидеть у многих.
Но такая ПЗУ-схема, за исключением построения ячейки, структурно не отличается от обычного масочного постоянного запоминающего устройства. Иногда такие устройства называют ещё репрограммируемыми. Но при всех преимуществах имеются и определённые границы скорости стирания информации: для этого действия обычно необходимо около 10-30 минут.
Несмотря на возможность перезаписи, репрограммируемые устройства имеют ограничения по использованию. Так, электроника с ультрафиолетовым стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. Затем разрушающее влияние излучения становится настолько ощутимым, что они перестают функционировать. Увидеть использование подобных элементов можно в качестве хранилищ для программ BIOS, в видео- и звуковых картах, для дополнительных портов. Но оптимальным относительно перезаписи является принцип электрического стирания. Так, число перезаписей в рядовых устройствах составляет от 100 000 до 500 000! Существуют отдельные ПЗУ-устройства, которые могут работать и больше, но большинству пользователей они ни к чему.
В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF. Микросхема ПЗУ способна сохранять информацию при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" (или «прошиты») в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).
Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы, обеспечить начальную загрузку компьютера и запуск операционной системы. и предоставить операционной системе доступ к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам (клавиатуре, монитору, жестким и гибким дискам и т.д.).
Начиная с 1996 года во всех компьютерах BIOS записывается в микросхему Flash ROM. Информацию в этой микросхеме можно стирать и перепрограммировать непосредственно в компьютере без специального оборудования. Для стирания и перепрограммирования старых микросхем PROM требовались специальный источник ультрафиолетового освещения и устройство программирования, а во Flash ROM данные могут быть удалены и перезаписаны даже без удаления их из системы.
Использование Flash ROM дает возможность загрузить новую версию BIOS из Internet или, имея ее на дискете, загрузить в микросхему Flash ROM на системной плате без удаления и замены микросхемы. Обычно эти обновления загружаются с Web-сервера изготовителя; затем используется прилагаемая программа для создания самозагружаемой дискеты с новым образом BIOS. Важно выполнить эту процедуру, воспользовавшись дискетой с программой начальной загрузки, так как никакое другое программное обеспечение или драйверы не должны мешать модификации. Этот метод обновления позволяет сэкономить время и деньги как изготовителя системы, так и конечного пользователя.
Иногда микросхема Flash ROM в системе защищена от записи; тогда, прежде чем приступить к модификации, вы должны отключить защиту. Обычно это делается с помощью переключателя, который управляет блокировкой модификации ROM. Без блокировки любая программа может перезаписывать ROM в вашей системе, а это опасно. Без защиты записи программы-вирусы могли бы записывать свои копии непосредственно в код ROM BIOS на вашем компьютере. Даже без физической защиты от записи современные BIOS в микросхемах Flash ROM имеют алгоритм защиты, который предотвращает несанкционированные модификации. Эту методику Intel использует на своих системных платах.
Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить работу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.
Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.
3.2. Внешняя память
Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме (рис. 2.) накопители на жестких (НЖМД) магнитных дисках (часто их называют просто жесткими дисками, а в персонадьных компьютерах такие накопители обычно называются жаргонным термином «винчестер»).
Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на лазерных оптических дисках (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory) и реже - запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры).
Жесткие диски
Жесткие диски (Hard Drive) являются основным видом компьютерных накопителей. Если отбросить крайности, любой компьютер бытового класса должен иметь хотя бы один жесткий диск. На жесткий диск устанавливают операционную систему и приложения. Там же хранят документы различного типа - от текстов до видеоклипов. Жесткий диск считается внутренним компонентом компьютера. Среди потребительских качеств жесткого диска выделим главные: емкость (объем), используемый интерфейс, скорость обмена данными, надежность, шумность и тепловыделение.
Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и “парящих” над ними головок, а номер его разработки - 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия - винтовки Winchester Model 1894, использующей патрон.30-30 Winchester., поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами (т.е. с оружием) ничего общего. В 90-х годах этот термин в США и Англии практически сошел на нет, в нашей же стране остался полуофициальным, сокращаемым на компьютерном сленге до термина «винт».
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Гермозона
Рис. 3.12. Конструкция накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера)
Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.
Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.
Рис. 3.13. Блок магнитных головок
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.
Рис. 3.14. Блок головок в сборе.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.
Блок электроники
Рис. 3.15. Блок электроники
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).
Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
Накопитель на жестких магнитных дисках содержит четыре основных элемента (блока): пакет дисковых пластин на вращающейся оси, головки чтения-записи, позиционер (актюатор), контроллер. Дисковая пластина состоит из основы и магнитного покрытия, на которое записываются данные. Основу изготавливают из алюминиевых сплавов, а в последнее время из керамики или стеклянных компонентов. Магнитное покрытие обычно выполняется из оксида железа. Современные технологии (например, с антиферромагнитной связью), требуют применения двух слоев магнитного покрытия с прослойкой из парамагнитного материала.
Данные хранятся на пластинах в виде концентрических дорожек, каждая из которых разделена на секторы по 512 байт, состоящие из горизонтально ориентированных доменов. Ориентация доменов в магнитном слое служит для распознавания двоичной информации (0 или 1). Размер доменов определяет плотность записи данных.
Освоить современные технологии производства жестких дисков могут только крупные фирмы, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь...компаний: Fujitsu, Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital.
Рис. 3.16. Схема хранения данных на жестком диске.
Практически все современные жесткие диски (в просторечии традиционно именуемые «винчестерами») выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект (магниторезистивные головки производятся с 1991 г.). Благодаря этому емкость дисков росла быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации. Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR - Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях. Плотность записи и емкость диска тесно связаны между собой. Поверхностная плотность записи зависит от расстояния между дорожками (поперечная плотность) и минимального размера магнитного домена (продольная плотность). Обобщающим критерием выступает плотность записи на единицу площади диска или емкость пластины. Чем выше плотность записи, тем больше скорость обмена данными между головками и буфером (внутренняя скорость передачи данных). Постепенно резервы роста, обусловленные отмеченным выше технологическим скачком, пошли на убыль. К 2003 г. типовая емкость пластин жестких дисков достигла 80 Гбайт. В 2004 г. появились диски с пластинами емкостью 100 Мбайт, в 2005 г. - 133 Мбайт. Производители всеми силами пытаются выжать последние соки из существующих технологий магнитной записи, дружно переходя на адаптивное форматирование пластин в зависимости от характеристик каждой конкретной пары «головка-пластина». Индустрия также возвращается к проверенному годами способу наращивания объема накопителей - путем увеличения количества магнитных пластин и головок. В 2006 году в коммерческие дисководы пришел принцип перпендикулярного метода записи и объемы памяти дисководов сразу же «подросли». В 2007 году фирма Hitachi представила первый коммерческий накопитель объемом 1 Тб, в 2008 году Seagate Technology LLC выпустила накопитель объемом 1,5 Тб.
В последнее время активно развивается тенденция увеличения объемов и скорости накопителей системы хранения данных за счет внедрения RAID-массивов. Простейшие контроллеры RAID уровней 0 и 1 уверенно прописались даже в дешевых чипсетах системных плат. При нынешних ценах на винчестеры выгоднее купить два диска по 80 Гбайт и собрать на них RAID 0, увеличив при этом и быстродействие, и емкость, чем ставить один диск на 160 Гбайт. 2004 год стал стартовым для технологии Matrix Storage, примененной Intel в чипсетах 925Х/915. Эта технология позволяет всего на двух SATA-дисках организовывать два независимых RAID-массива для увеличения скорости и зеркальный для увеличения надежности. Кроме того, появились дешевые четырехдисковые SАТА-массивы RAID уровня 10 (сочетающих в себе надежность зеркалки и высокую скорость и объем Strip). Например, встроенные контроллеры RAID 10 имеются в чипсетах SiS, VIA и nVidia.
Важным этапом развития систем хранения стало широкое внедрение интерфейса Serial ATA. Цены на SATА и ATА модели винчестеров почти сравнялись, появилось более производительное поколение контроллеров и дисков с поддержкой интерфейса Serial ATA II с удвоенной скоростью передачи данных (3 Гбит/с). С 2009 года появились накопители с поддержкой интерфейса SATA 3 (6 Гбит/с).
RAID-массивы
Дисковые массивы с избыточностью данных, которые принято называть RAID (Redundant Arrays of Independent Disks - избыточный массив независимых дисков) известны с 1988 г. Действительно массовыми они стали с развитием IDE RAID-контроллеров. В современных адаптерах обычно реализована поддержка трех уровней (спецификаций): RAID 0, RAID 1 и RAID 0+1.
RAID 0. Дисковый массив без гарантии отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance).
Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки и каждый блок записывается (считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно. Обеспечивает наивысшую производительность при интенсивной обработке запросов ввода/вывода и данных большого объема, но отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива. В контроллерах IDE RAID, как правило, можно создавать S t r i p e d - м а с с и в ы из двух или четырех дисков. Объем массива равен объему наименьшего диска, умноженному на число дисков. При создании массива желательно использовать одинаковые диски.
RAID 1. Дисковый массив с дублированием, или «зеркалка» (mirroring).
Зеркальное дублирование данных является традиционным способом повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используются два диска, на которые записываются одинаковые данные. В случае отказа одного из дисков остается его копия (дубль), которая продолжает работать в прежнем режиме. Преимущества заключаются в надежности, основной недостаток - удвоение стоимости хранения данных. В контроллерах IDE RAID, как правило, можно создавать зеркальные массивы из двух дисков. Объем массива равен объему наименьшего диска. В этом случае также желательно использовать одинаковые диски. Большинство современных контроллеров позволяют подключать «запасной» диск, на который в случае отказа одного из основных дисков массива вся информация пишется в фоновом режиме. В принципе, такая конфигурация выдерживает отказ двух дисков из трех.
Важно знать разницу между ОЗУ и ПЗУ. Если вы понимаете эту разницу вы сможете лучше понять, как работает компьютер. ОЗУ и ПЗУ, как различные типы запоминающих устройств, и они оба хранят данные в компьютере. В этой статье мы расскажем вам об основных различиях между этими двумя воспоминаниями, а именно ОЗУ и ПЗУ.
Random Access Memory (RAM)
Оперативная память представляет собой тип памяти , которая позволяет получить доступ к хранимым данным в любой последовательности и из любого физического расположения в памяти. RAM могут быть считаны и записаны с новыми данными. Основное преимущество оперативной памяти является то, что она занимает почти такое же время в доступе в него любые данные, независимо от места нахождения данных. Это делает RAM очень быстрой памяти. Компьютеры могут читать из памяти очень быстро, а также они могут записывать новые данные в оперативной памяти очень быстро.
Как RAM выглядит?
Коммерчески доступные обычные чипы памяти могут быть легко подключен в и подключен выход материнской платы компьютера. На следующем рисунке показаны чипы памяти.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Как следует из названия, данные записываются в ПЗУ только один раз и навсегда. После этого, данные могут быть прочитаны только с помощью компьютеров. Только для чтения памяти часто используется, чтобы установить постоянные инструкции в компьютер. Эти инструкции никогда не изменится. Чипы ROM хранить базовую систему ввода / вывода (BIOS) компьютера. На следующем рисунке показан коммерчески доступный чип ROM BIOS.
Разница между ОЗУ и ПЗУ
В следующей таблице перечислены основные различия между произвольным доступом и только для чтения памяти.
| ОЗУ | ПЗУ | |
|---|---|---|
| 1. | Подставки для RANDON-доступа памяти | Подставки для памяти только для чтения |
| 2. | RAM для чтения и записи в память | Обычно ПЗУ постоянное запоминающее устройство и оно не может быть перезаписана. Тем не менее, СППЗУ может быть перепрограммирован |
| 3. | RAM быстрее | ROM относительно медленнее, чем RAM |
| 4. | Оперативная память представляет собой энергонезависимое запоминающее устройство. Это означает, что данные в оперативной памяти будут потеряны, если блок питания отсечку | ROM является постоянной памяти. Данные в ПЗУ будет оставаться как есть, даже если мы удалим источника питания |
| 5. | Есть в основном два типа оперативной памяти; статическая оперативная память и динамическое ОЗУ | Есть несколько типов ROM; Стираемое программируемое ПЗУ, программируемом ПЗУ, СППЗУ и т.д. |
| 6. | RAM хранит все приложения и данные, когда компьютер работает в нормальном режиме | ROM обычно хранятся инструкции, необходимые для запуска (загрузки) компьютера |
| 7. | Цена ОЗУ сравнительно высока | чипы ROM сравнительно дешевле |
| 8. | чипы памяти больше по размеру | микросхемы ROM меньше по размеру |
| 9. | Процессор может непосредственно получить доступ к содержимому памяти | Содержание ROM, как правило, сначала переносится в оперативную память, а затем доступ к процессору. Это делается для того, чтобы иметь возможность получить доступ к содержимому диска с более высокой скоростью. |
| 10. | RAM часто устанавливается с большим объемом памяти. | Емкость запоминающего устройства ПЗУ, установленного в компьютере намного меньше, чем RAM |
ОЗУ и ПЗУ являются неотъемлемой частью современной компьютерной системы. Вы хотите знать, когда диск работает и когда RAM находится в игре? Ну, когда вы переключаетесь на вашем компьютере, вы можете увидеть черный экран с каким-то белым текстом. Этот текст из ПЗУ. Инструкции ПЗУ управления компьютером для первого несколько секунд, когда вы включить его. В этот период, как инструкции " , как читать с жесткого диска", "как печатать на экране" загружаются из ПЗУ. После того, как компьютер способен делать эти основные операции, операционная система (Windows / Linux / OSX и т.д.) для чтения с жесткого диска и загружается в оперативную память. Следующее видео объясняет RAM против концепции ROM дополнительно.
При открытии программы, как Microsoft Word , программа загружается с жесткого диска компьютера в оперативную память.
Мы надеемся, что эта статья помогла вам понять основные различия между ОЗУ и ПЗУ. Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные с этой темой, пожалуйста, не стесняйтесь задавать в разделе комментариев. Мы постараемся помочь вам. Благодарим Вас за использование TechWelkin!
Оперативная память (RAM – random access memory, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК.
Для того чтобы какая-либо программа начала свое выполнение, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память является энергозависимой, т.е. хранит информацию, пока компьютер включен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оперативную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким образом, загрузить программу означает прочесть ее из файла, находящегося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение.
Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся сей момент программу и данные, которые с ее помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (это может быть и текстовой документ, и графическое изображение, и табличные данные, и звук), то копию этого документа из оперативной памяти можно записать на одном из устройств внешней памяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ.
Как технически осуществить процесс загрузки нужной программы в оперативную память? Для этого нужна программа-посредник, посредник между “железом” и человеком. Такой программой является операционная система.
Операционная система (ОС) тоже должна быть загружена в оперативную память, но ОС загружается автоматически при включении компьютера (обычно с жесткого диска, но не обязательно с него). После ее загрузки можно использовать инструменты, предназначенные для загрузки других программ (например, в MS Windows – ярлыки программ или программа для работы с файлами Проводник).
Основными характеристиками памяти являются объем, время доступа и плотность записи информации. Объем памяти определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память, и выражается в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах. Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Плотность записи информации (бит/см 2) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т.е. возможность обрабатывать большие объемы информации. Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.
Оперативная память изготавливается в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на которых размещаются интегральные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстродействию, по объему.
Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является быстродействие – частота, с которой считывается или записывается информация в ячейки памяти. Современные модули памяти имеют частоту 133 МГц и выше.
Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (десятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная информация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли компьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно. Типичный современный компьютер имеет 256 или 512 Мб оперативной памяти.
Оперативная память энергозависима – при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации).
Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Емкость модулей памяти кратна степени числа 2: 128, 256, 512, 1 024 Mb.
Кэш-память
Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память - очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.
Энергонезависимая память (CMOS-память, Complementary Metal-Oxid-Semicondactor)
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.
Различные параметры конфигурации компьютера, например количество и тип дисковых накопителей, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и некоторые другие данные, хранятся в так называемой CMOS-памяти. Микросхема CMOS-памяти также содержит обыкновенные электронные часы. Благодаря ним в любой момент можно узнать текущую дату и время. Чтобы при отключении питания компьютера содержимое CMOS-памяти не стиралось, и часы продолжали отсчитывать время, микросхема CMOS-памяти питается от специальной маленькой батарейки или аккумулятора, которые также находятся на системной плате.
Постоянная память (ПЗУ , англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (BIOS - Basic Input/Output System)
Видеопамять (VRAM) - разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам - процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
Похожая информация.
Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:
микропроцессорная память;
основная память;
регистровая кэш-память;
внешняя память.
Микропроцессорная память рассмотрена выше. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:
прием информации от других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Основная память содержит два вида запоминающих устройств:
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся:
программа управления работой процессора;
программа запуска и останова компьютера;
программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.
ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.
В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.
Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом рключении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP.
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.
В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.
Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Реntium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт. Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранятся все программное обеспечение компьютера.
Устройства внешней памяти - внешние запоминающие устройства - весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.
Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
накопители на оптических дисках (CD-ROM).
Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте - стримеры.
Накопители на дисках - это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.
НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.
В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра - совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни, находилась головка записи и чтения накопителя.
Все диски - и магнитные, и оптические - характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Из гибких магнитных дисков наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5(89 мм). Емкость этих дисков составляет 1,2 и 1,44 Мбайт.
Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.
В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках - ZIP-диске - переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.
В последние годы самое широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках - от 640 Мбайт и выше.
Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.
Кроме основной своей характеристики - информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:
временем доступа;
скоростью считывания подряд расположенных байтов.