Иерархическая структура памяти ПК. Регистровая память. Кэш-память.

Любое упоминание о компьютерной памяти ассоциируется с основной ее составляющей — ОЗУ. Между тем, в систему памяти ПК входят кэш-память и СОЗУ (сверхоперативное ОЗУ, или регистровая память), расположенные в центральном процессоре, а также флэш-память BIOS и память RТС CMOS, встроенные в системную плату.

Основная память. Предназначена для оперативного хранения и обмена информацией процессора с прочими блоками машины. Основная память содержит: ОЗУ, ПЗУ, кэш-память, регистры процессора.

Внешняя память используется для долговременного хранения любой информации, в частности, программное обеспечение. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ. Различаются устройства конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации. В качестве устройств внешней памяти используются НЖМД, НГМД, НМЛ (стримеры), накопители на оптических дисках (СD-Rom) и др.

Таким образом, память ПК хранит не только команды и текущие данные, но и сведения о конфигурации ПК, его настройки, драйверы устройств и множество прочей служебной информации.

Характеристики ОЗУ и кэш-памяти существенным образом влияют на быстродействие и надежность системы. BIOS и RТС никакого влияния на производительность ПК не оказывают. Вместе с тем, они содержат очень важные для нормального функционирования ПК сведения.

К наиболее важным показателям относятся:

- Информационная емкость, определяемая максимальным объемом хранимой информации, выраженная в битах или байтах. Этот параметр зависит также от организации памяти.

- Быстродействие, характеризуемое временем выборки информации из ОЗУ и временем цикла обращения к ОЗУ с произвольным доступом.

КЭШ-память – высокоскоростная память сравнительно небольшой емкости, являющаяся буфером между ОП и микропроцессором. Позволяет значительно увеличить скорость выполнения операций, т.к. в КЭШ-памяти хранятся данные, которые процессор будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в КЭШ-память. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает "тайник".

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (Dynamic Random Ассеss Memory — DRАМ) или статического (Static Random Ассеss Memory — SRАМ) типа. Статический тип памяти обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. Для регистровой памяти (МПП и КЭШ-память) используются SRАМ, а ОЗУ основной памяти строится на базе DRАМ-микросхем. Запоминающим элементом статической памяти является триггер, состоящий из 6-8 транзисторов, который быстро переключается из состояния «логической единицы» в состояние «логического нуля» и обратно. Запоминающим элементом динамической памяти является полупроводниковый конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1, если разряжен — логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, т. к. конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Динамическая память представляет собой матрицу запоминающих элементов, каждый из которых хранит один бит информации (заряжен или разряжен). Для считывания и записи служат буферы объемом в одну строку матрицы. При обращении к ячейке памяти по адресной шине передаются последовательно номера строки и столбца, синхронизируемые сигналами RАS (Row Address Strobe) и САS (Columns Address Strobe). Затем в буфер считывается нужная строка. При этом заряженные конденсаторы, естественно, разряжаются и теряют информацию. Если выполняемой операцией будет запись, то нужный бит в буфере (в соответствии с номером столбца) изменяется, и вся строка записывается обратно, восстанавливая содержимое памяти. При чтении нужный бит выбирается из строки и подается на выход, а строка записывается обратно без изменений.