Какие типы памяти применяются в цифровых устройствах

Обновлено: 05.07.2024

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами ( ЗУ ) того или иного типа [7].

Термин " запоминающее устройство " обычно используется, когда речь идет о принципе построения некоторого устройства памяти (например, полупроводниковое ЗУ , ЗУ на жестком магнитном диске и т.п.), а термин " память " - когда хотят подчеркнуть выполняемую устройством памяти логическую функцию или место расположения в составе оборудования ЭВМ (например, оперативная память - ОП, внешняя память и т.п.). В тех вопросах, где эти отличия не имеют принципиального значения, термины " память " и " запоминающее устройство " мы будем использовать как синонимы.

Запоминающие устройства играют важную роль в общей структуре ЭВМ. По некоторым оценкам производительность компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.

К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства , относятся емкость и быстродействие .

Емкость памяти - это максимальное количество данных, которое в ней может храниться.

Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически все запоминающие устройства в качестве минимально адресуемого элемента используют 1 байт (1 байт = 8 двоичных разрядов ( бит )). Поэтому емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=2 10 байт ), мегабайтах (1Мбайт = 2 20 байт ), гигабайтах (1Гбайт = 2 30 байт ) и т.д.

За одно обращение к запоминающему устройству производится считывание или запись некоторой единицы данных, называемой словом, различной для устройств разного типа. Это определяет разную организацию памяти. Например, память объемом 1 мегабайт может быть организована как 1М слов по 1 байту, или 512К слов по 2 байта каждое, или 256К слов по 4 байта и т.д.

В то же время, в каждой ЭВМ используется свое понятие машинного слова, которое применяется при определении архитектуры компьютера, в частности при его программировании, и не зависит от размерности слова памяти, используемой для построения данной ЭВМ. Например, компьютеры с архитектурой IBM PC имеют машинное слово длиной 2 байта.

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной информации, и на ее запись :

где t_{обр сч} - быстродействие ЗУ при считывании информации; t_{обр зп} - быстродействие ЗУ при записи.

Классификация запоминающих устройств

Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и признаков. На рис.5.1 представлена классификация по типу обращения и организации доступа к ячейкам ЗУ .

По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записанных в них данных ( ROM - read only memory ). ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ , как правило, хранятся системные программы , необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы . В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ .

В ЗУ с произвольным доступом ( RAM - random access memory ) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ ).

В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск - МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.

В ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).

Как отмечалось выше, основные характеристики запоминающих устройств - это емкость и быстродействие . Идеальное запоминающее устройство должно обладать бесконечно большой емкостью и иметь бесконечно малое время обращения. На практике эти параметры находятся в противоречии друг другу: в рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению значения другого. К тому же следует иметь в виду и экономическую целесообразность построения запоминающего устройства с теми или иными характеристиками при данном уровне развития технологии. Поэтому в настоящее время запоминающие устройства компьютера, как это и предполагал Нейман, строятся по иерархическому принципу (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Иерархическая организация памяти в современных ЭВМ

Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.

На нижнем уровне иерархии находится регистровая память - набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцессора (центрального процессора - CPU ). Регистры CPU программно доступны и хранят информацию, наиболее часто используемую при выполнении программы: промежуточные результаты, составные части адресов, счетчики циклов и т.д. Регистровая память имеет относительно небольшой объем (до нескольких десятков машинных слов). РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально. Например, при частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.

Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет несколько сотен мегабайт . Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени обращения в настоящее время используется кэш-память , которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая) статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш ), а часть - вне его (внешняя кэш-память ). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает десятков гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.

Следует отметить, что электронная вычислительная техника развивается чрезвычайно быстрыми темпами. Так, согласно эмпирическому "закону Мура", производительность компьютера удваивается приблизительно каждые 18 месяцев. Поэтому все приводимые в данном пособии количественные характеристики служат по большей части только для отражения основных соотношений и тенденций в развитии тех или иных компонентов и устройств компьютеров.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

последовательный доступ (магнитные ленты)
произвольный доступ (оперативная память)
прямой доступ (жесткие магнитные диски);
ассоциативный;

по типу электропитания:

буферная;
временная;
кэш-память;
корректирующая;
управляющая;
коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

акустическая;
голографическая;
емкостная;
криогенная;
лазерная;
магнитная;
магнитооптическая;
молекулярная;
полупроводниковая;
ферритовая;
фазоинверсная;
электростатическая.

Оперативная память компьютера

Оперативная память современного компьютера разделена на несколько типов. Хотя в основе всех типов памяти лежит обычная ячейка памяти, представляющий собой комбинацию из транзистора и конденсатора, благодаря различным внешним интерфейсам и устройствам взаимодействия с компьютером модули памяти они все же отличаются друг от друга.

Это наиболее дешевый способ производства ячеек памяти. Состояние конденсатора определяет, содержит ячейка «0» или «1», но само наличие конденсатора является причиной некоторых ограничений динамической памяти.

Таким образом, каждый раз при считывании информации должна проводиться и его запись. В результате увеличивается время циклического доступа, и повышается латентность.

Массовое распространение получили следующие виды оперативной памяти DDR (уже не пользуется большим спросом), DDR2, DDR3, DDR4.

Внешний вид модулей памяти DDR, DDR2, DDR3

В каждом модуле оперативной памяти содержится также специальная микросхема SPD. В этой микросхеме хранятся данные о модуле памяти: дата изготовления модуля, основные характеристики модуля и тому подобное.

Кэш память

Персональные компьютеры также имеют скрытую память. Фактически, из-за разницы в скорости процессоров и схем основной памяти, большинство персональных компьютеров имеют два разных типа кэша, известных как «Уровень 1» (уровень 1 или L1) и «Уровень 2». Уровень 2 или L2 кэш).

L1 кэш-память

Кэш L1 содержит адреса памяти, которые соответствуют данным и машинным командам. Он часто делится на два раздела для этих двух типов адресов. Машинные команды, выполняемые внутри процессора, особенно полезно кэшировать, когда процессор имеет конвейерную архитектуру, которая обрабатывает несколько команд одновременно.

Кэш-память второго уровня

Кэш уровня 2 больше по размеру, чем L1, но не так быстр, и находится на материнской плате компьютера. Как мы уже говорили, его схемы в основном состоят из статической памяти. Кэш-память уровня 2 обычно имеет размер до 1 Мб, но его максимальный размер также зависит от материнской платы.

Память DDR

Память DDR2

Память этого стандарта использовалась в платформе Socket 775. По сути DDR2 память не имеет кардинальных отличий от DDR. Однако в то время как DDR осуществляет две передачи данных по шине за такт, DDR2 выполняет четыре таких передачи. При этом, построена DDR2 из таких же ячеек памяти, как и DDR, а для удвоения пропускной способности используется техника мультиплексирования.

Память DDR3

Передача данных по-прежнему осуществляется по обоим полупериодах синхросигнала на удвоенной «эффективной» частоте относительно собственной частоты шины памяти. Только рейтинги производительности выросли в 2 раза, по сравнению с DDR2. Типичными скоростными категориями памяти нового стандарта DDR3 являются разновидности от DDR3-800 до DDR3-1600 и выше. Очередное увеличение теоретической пропускной способности компонентов памяти в 2 раза вновь связано со снижением их внутренней частоты функционирования во столько же раз. Поэтому отныне, для достижения темпа передачи данных со скоростью 1 бит / такт по каждой линии внешней шины данных с «эффективной» частотой в 1600 МГц используемые 200-МГц микросхемы должны передавать по 8 бит данных за каждый свой такт. То есть,

Однако у данного типа памяти есть свои недостатки:

наряду с ростом пропускной способности выросла также и латентность памяти;
высокая цена модулей памяти.

Память DDR 4

На сегодня это основной тип памяти, который приобрел массовое применение. Первые тестовые образцы DDR4 были представлены в середине 2012 года фирмами Hynix, Micron и Samsung.

Благодаря 30 нм техпроцессу память DDR4 от Samsung имела объем 8 и 16ГБ и тактовую частоту 2133 МГц. 16 ГБ планки имеют два ряда чипов памяти, в отличие от привычного одного ряда. К тому же, они располагаются на печатной плате ближе друг к другу, что позволяет вместить ее два дополнительных чипа памяти с каждой стороны. Samsung обещает, что с переходом на передовой 20 нм техпроцесс, появится возможность создания модулей памяти объемом 32 ГБ. Модули памяти DDR4 от Samsung, работают с напряжением 1,2 В, в отличие от DDR3 планок, которые работают на 1,35 В. Это небольшая разница, позволяет экономить энергию на 40%.

Память для хранения информации: жесткий диск, твердотельные накопители

За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающие головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько микрометров). Это гарантирует надежность записи / считывания данных. При остановке пластин, головки перемещаются за пределы их поверхности, поэтому механический контакт между головками и пластинами практически исключен. Такая конструкция обеспечивает долговечность запоминающих устройств этого типа.

Основные характеристики жестких дисков:

Параметры жестких дисков

Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются устройства 2,5 или 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.

Объем буфера специальной внутренней быстрой памяти диска, предназначенная для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при считывании и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.

В последнее время начался выпуск жестких дисков со встроенной флэш-памятью в качестве кэша, что значительно улучшает скоростные показатели дисков.

Фирмы производители: IBM , Hitachi , Seagate , Samsung , Western Digital .

Запись магнитной информации продольного (а) и перпендикулярного (б) типа

Накопители SSD

Существует всего 2 типа SSD накопителей: SSD диски на основе флэш-памяти (самые популярные и распространенные), и SSD на основе оперативной памяти.

Основополагающим принципом организации работы флеш-памяти является хранение ею 1 бита данных в массиве транзисторов с плавающим затвором (элементарными ячейками), путем изменения и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволила ему получить всеобщее признание, как носителя информации, стала способность удерживать электрический разряд на плавающем затворе до 120 месяцев. Сам плавающий затвор изготовлен из поликристаллического кремния и со всех сторон окружен слоем диэлектрика, что исключает возможность контакта его с элементами транзистора. Располагается он между диэлектрической подкладкой и управляющим затвором. Управляющий электрод полевого транзистора и называется затвором.

Запись и стирание информации происходит за счет изменения приложенного заряда между затвором и истоком большим потенциалом, пока напряженность электрического поля в диэлектрике между каналом транзистора и изолированной областью не станет достаточной для возникновения туннельного эффекта. Таким образом электроны переходят через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечивая его зарядом, а, значит, и наполнение элементарной ячейки битом информации. Также, для усиления эффекта туннелирования электронов при записи, применяется слабое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Для удаления информации управляющий затвор обеспечивается отрицательным напряжением высокой мощности с тем, чтобы позволить электронам переходить с плавающего затвора на исток. Подобная организация элементарных ячеек, объединенных в страницы, блоки и массивы и составляет твердотельный накопитель.

Преимущества SSD накопителей:

Недостатки SSD накопителей:

RAID массивы

RAID имеет две цели:

увеличение надежности хранения информации;
увеличение скорости записи / считывания.

Наиболее популярными видами RAID является RAID 0, 1 и 0 + 1.

Схема записи информации в массиве RAID 1 (отражение)

RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском четности.

Схема массива RAID 5

RAID 6. Все различия сводятся к тому, что используются две схемы четности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи чрезвычайно низкой.

Комбинация RAID 0 + 1, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объема дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.

Схематическое изображение массива RAID 0 + 1 (а) и RAID1 + 0 (б)

RAID 0 + 1 имеет высокую скорость работы и повышенную надежность, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и является недорогим решением.

Выводы

Существует множество устройств для увеличения объема места для хранения. Узнайте, как они работают.

Объем места хранилища больше не зависит от характеристик вашего компьютера. Существует множество вариантов хранения файлов, которые позволяют экономить место на вашем компьютере, телефоне или планшете. Если ваши устройства работают медленно из-за нехватки места, вы можете выгрузить файлы на физическое устройство для хранения данных. А еще лучше, используйте более удобную технологию хранения данных и сохраняйте файлы в облаке.

Облачное хранилище

Облачные хранилища, которые не являются устройствами в полном смысле этого слова, представляют собой самый новый и гибкий тип хранилищ данных для компьютеров. Облако — это не место и не объект, а огромное количество серверов, расположенных в центрах хранения и обработки данных по всему миру. Когда вы сохраняете документ в облаке, вы храните его на этих серверах.

Поскольку все данные хранятся онлайн, облачное хранилище не предусматривает использования вторичных запоминающих устройств вашего компьютера, позволяя вам сэкономить место на них.

Облачное хранилище обеспечивает значительно больший объем места, чем USB-накопители и другие физические устройства. Это избавит вас от необходимости искать нужный файл по всем устройствам.

Внешние жесткие диски и твердотельные накопители, популярные благодаря своей портативности, также уступают облачному хранилищу. Существует не так уж много карманных внешних жестких дисков. Хотя они меньше по размеру и легче по весу, чем внутренние накопители, это все-таки материальные устройства. А облако может «сопровождать» вас где угодно: оно не занимает места и не имеет физических уязвимостей, как внешний диск.

Внешние запоминающие устройства также были популярны как быстрый вариант передачи файлов, но они полезны только в том случае, если вы имеете доступ к каждому физическому устройству. Сейчас облачные вычисления стремительно развиваются, так как многие компании переходят на удаленную работу. Вряд ли вы будете отправлять USB-накопитель по почте за границу, чтобы передать большой файл коллеге. Облако обеспечивает связь между удаленными сотрудниками, упрощая совместную работу на расстоянии.

Если вы забудете принести на встречу жесткий диск с важными документами, у вас не будет другого выхода, кроме как вернуться за ним. Если вы сломаете или потеряете жесткий диск, вряд ли вы сможете восстановить данные. С облачным хранилищем нет таких рисков: для ваших данных создаются резервные копии, и вы имеете к ним доступ в любое время и из любой точки, где есть подключение к Интернету.

Благодаря умной синхронизации Dropbox вы можете получить доступ к любому файлу в Dropbox со своего компьютера. Это точно так же, как если бы ваши файлы хранились локально, только при этом они не занимают места на вашем диске. Если вы храните все ваши файлы в Dropbox, они всегда находятся на расстоянии одного клика. Они доступны на любом устройстве с подключением к Интернету, и вы можете мгновенно поделиться ими.

Внешние запоминающие устройства

Помимо носителей информации, размещенных в компьютере, существуют также внешние цифровые запоминающие устройства. Они обычно используются с целью увеличения объема места для хранения данных, когда на компьютере остается мало места, а также чтобы обеспечить большую мобильность или облегчить передачу файлов с одного устройства на другое.

Внешние жесткие диски и твердотельные накопители

В качестве внешних накопителей можно использовать как жесткие диски, так и твердотельные накопители. Как правило, среди внешних запоминающих устройств они обеспечивают самый большой объем места: внешние жесткие диски — до 20 ТБ памяти, а внешние твердотельные накопители (по разумной цене) — до 8 ТБ.

Внешние жесткие диски и твердотельные накопители работают точно так же, как и их внутренние аналоги. Большинство внешних накопителей можно подключить к любому компьютеру; они не привязаны к одному устройству, поэтому могут идеально использоваться для передачи файлов между устройствами.

Устройства флеш-памяти

Мы уже упоминали флеш-память, когда обсуждали твердотельные накопители. Устройства флеш-памяти состоят из триллионов взаимосвязанных ячеек флеш-памяти, в которых хранятся данные. Эти ячейки содержат миллионы транзисторов, которые при включении и выключении представляют единицы и нули в двоичном коде, а компьютер считывает и записывает информацию.

Один из самых известных типов устройства флеш-памяти — это USB-накопитель. Эти небольшие портативные запоминающие устройства, также известные как флеш-накопители, или «флешки», долгое время широко использовались в качестве дополнительных компьютерных запоминающих устройств. До того как Интернет предоставил нам возможность легко и быстро делиться файлами, USB-накопители были незаменимы для перемещения файлов с одного устройства на другое. Однако их можно использовать только на устройствах с USB-портом. В большинстве старых компьютеров присутствует USB-порт, но для более новых может потребоваться переходник.

В наши дни USB-накопитель может вместить до 2 ТБ данных. USB-накопители обойдутся дороже, чем внешний жесткий диск, но они идеально подходят для хранения и переноса небольших файлов благодаря своей простоте и удобству.

Помимо USB-накопителей, к устройствам флеш-памяти также относятся SD-карты и карты памяти других типов, которые часто используются в качестве носителей информации в цифровых камерах.

Оптические запоминающие устройства

Компакт-диски, DVD-диски и диски Blu-Ray используются не только для воспроизведения музыки и видео, но и как запоминающие устройства. Они относятся к категории оптических запоминающих устройств, или оптических носителей.

Двоичный код хранится на этих дисках в виде микроскопических углублений на дорожке, идущей по спирали от центра диска. Работающий диск вращается с постоянной скоростью, а лазер на дисковом накопителе сканирует дорожку на диске. То, как луч лазера отражается или рассеивается на участке дорожки, определяет, записаны ли на нем 0 или 1 в двоичном коде.

DVD имеет более узкую спиральную дорожку, чем компакт-диск, что позволяет хранить больше данных при том же размере диска, а в дисководах DVD используется более тонкий красный лазер, чем в дисководах компакт-дисков. DVD также могут быть двухслойными, что увеличивает их емкость. Blu-Ray — это технология более высокого уровня, обеспечивающая хранение данных на нескольких слоях с еще более узкими дорожками, для считывания которых требуется еще более точный синий лазер.

Диски типа CD-ROM, DVD-ROM и BD-ROM относятся к оптическим дискам, предназначенным только для чтения. Записанные на них данные являются постоянными, их невозможно удалить или перезаписать. Поэтому эти типы дисков нельзя использовать в качестве личного хранилища. Они обычно используются для установки программного обеспечения.
На диски формата CD-R, DVD-R и BD-R можно записывать информацию, но они не предусматривают перезаписи. Какие бы данные вы ни сохранили на чистом диске одноразовой записи, они останутся на нем навсегда. На этих дисках можно хранить данные, но они не обеспечивают такой гибкости, как другие запоминающие устройства.
Диски типа CD-RW, DVD-RW и BD-RE предусматривают перезапись. Поэтому вы можете сколько угодно записывать на них новые данные и удалять ненужные. Диски CD-RW долгое время оставались самым популярным вариантом внешнего хранилища, но их место постепенно стали занимать новые технологии, такие как флеш-память. Большинство настольных компьютеров и многие ноутбуки имеют дисковод для CD- или DVD-дисков.

На компакт-диске можно хранить до 700 МБ данных, на DVD-DL — до 8,5 ГБ, а на Blu-Ray — от 25 до 128 ГБ.

Дискеты

Сейчас эти устройства считаются устаревшими, но мы не можем обсуждать запоминающие устройства, не упомянув гибкие диски, или дискеты. Дискеты были первыми широко доступными портативными съемными запоминающими устройствами. Вот почему большинство значков «Сохранить» выглядят именно так, представляя собой изображение дискеты. Они работают по тому же принципу, что и жесткие диски, но в гораздо меньшем масштабе.

Емкость дискет никогда не превышала 200 МБ, пока CD-RW и флеш-накопители не стали самыми популярными носителями информации. iMac стал первым персональным компьютером, выпущенным без дисковода гибких дисков в 1998 году. С этого момента закончилось более чем 30-летнее господство гибких дисков.

Хранение данных в компьютерных системах

Запоминающее устройство — это элемент аппаратного обеспечения, которое в основном используется для хранения данных. В каждом настольном компьютере, ноутбуке, планшете и смартфоне есть тот или иной вид запоминающего устройства. Также существуют автономные внешние накопители, которые используются с разными устройствами.

Запоминающие устройства нужны не только для хранения файлов, но и для запуска задач и приложений. Любой файл, который вы создаете или сохраняете на своем компьютере, хранится на запоминающем устройстве компьютера. На нем же хранятся ваши приложения, а также операционная система вашего компьютера.

По мере развития технологий запоминающие устройства претерпели значительные изменения. На сегодняшний день существуют запоминающие устройства разных форм и размеров, а также появились типы запоминающих устройств, которые могут использоваться с разными устройствами и выполнять разные функции.

Запоминающие устройства также называют носителями данных. Размер цифровых запоминающих устройств измеряется в мегабайтах (МБ), гигабайтах (ГБ), а на сегодня — уже и в терабайтах (ТБ).

Некоторые запоминающие устройства для компьютеров обеспечивают постоянное хранение информации, а другие предназначены только для временного хранения данных. Каждый компьютер имеет первичное и вторичное запоминающее устройство. Первичное работает как кратковременное запоминающее устройство, а вторичное — как долговременное.

Первичное запоминающее устройство: оперативная память (ОЗУ)

Оперативная память, или ОЗУ, — это первичное запоминающее устройство компьютера.

Когда вы работаете с файлом на своем компьютере, он временно сохраняет данные в оперативной памяти. ОЗУ обеспечивает выполнение повседневных задач, таких как открытие приложений, загрузка веб-страниц, редактирование документов или функционирование игр. Оперативная память позволяет быстро переключаться между задачами без потери той части работы, которая уже была выполнена. По сути, чем больше объем оперативной памяти вашего компьютера, тем более слаженно и быстро вы сможете работать над несколькими задачами одновременно.

ОЗУ — энергозависимая память, то есть она не обеспечивает хранение информации после выключения системы. Например, если вы скопируете фрагмент текста, перезагрузите компьютер, а затем попытаетесь вставить этот блок текста в документ, вы обнаружите, что ваш компьютер не запомнил скопированный вами текст. Это произошло по той причине, что ОЗУ обеспечивает только временное хранение.

ОЗУ позволяет компьютеру получать доступ к данным в произвольном порядке, обеспечивая их более быстрое считывание и запись, в отличие от вторичного запоминающего устройства.

Вторичные запоминающие устройства: жесткие диски (HDD) и твердотельные накопители (SSD)

Кроме ОЗУ на каждом компьютере также есть другой накопитель информации, который используется для долгосрочного хранения данных. Это вторичное запоминающее устройство. Любой файл, который вы создаете или скачиваете на свой компьютер, сохраняется на его вторичное запоминающее устройство. В компьютерах используются два типа вторичных запоминающих устройств: жесткие диски и твердотельные накопители. Жесткие диски — более традиционный вариант, но твердотельные накопители быстро обгоняют их в популярности.

Вторичные запоминающие устройства часто являются съемными, поэтому их можно заменять или модернизировать, а также перемещать на другие компьютеры. Однако есть и исключения, например MacBook, который не имеет съемного запоминающего устройства.

Жесткие диски (HDD)

HDD — это оригинальные жесткие диски. Они представляют собой магнитные запоминающие устройства, которые существуют с 1950-х годов, хотя со временем они существенно эволюционировали.

Жесткий диск состоит из набора вращающихся металлических дисков, называемых пластинами. Каждая вращающаяся пластина содержит триллионы крошечных фрагментов, которые можно намагничивать, чтобы записывать на них биты информации (бинарный код, состоящий из нулей и единиц). Рычаг-коромысло с головкой для записи и чтения позволяет сканировать вращающиеся магнитные пластины для записи информации на жесткий диск или определения магнитного заряда для считывания информации с него.

Жесткие диски используются для телевизионных и спутниковых записывающих устройств или серверов, а также для хранения данных на ноутбуках и ПК.

Твердотельные накопители (SSD)

Твердотельные накопители появились гораздо позже, в 90-х годах. В них нет никаких магнитов и дисков, вместо этого используется флеш-память типа NAND. В твердотельных накопителях используются полупроводники, которые хранят информацию, изменяя электрический ток цепей, содержащихся в накопителе. Это означает, что, в отличие от жестких дисков, твердотельные накопители не имеют движущихся частей.

Поэтому твердотельные накопители не только работают быстрее и плавнее, чем жесткие диски (жестким дискам требуется больше времени для сбора информации из-за механической природы их пластин и головок), но и, как правило, служат дольше (из-за большого количества сложных движущихся частей жесткие диски больше подвержены повреждениям и износу).

Твердотельные накопители используются не только в новых ПК и ноутбуках высокого класса, но и в смартфонах, планшетах, а иногда и в видеокамерах.

Лучший способ хранения больших объемов данных

Если вам не хватает места на ваших устройствах, пришло время поискать альтернативные устройства для хранения данных. Даже внешние запоминающие устройства, такие как флеш-накопители, могут сломаться, потеряться, или на них может закончиться место. Вот почему лучше всего хранить все свои файлы в облаке. Это безопаснее, быстрее и удобнее.

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget — устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях :) (а NOR — с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

считать в буфер блок информации, в котором он находится
в буфере изменить нужный байт
записать блок с измененным байтом обратно

И будет флэш…

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC — он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) — универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов — 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что — не взыщите :) Надеюсь, материал был вам интересен.

В наших мобильных телефонах и смартфонах есть различные типы памяти. В следующей статье будут использованы некоторые сложные технические термины, но вы не пугайтесь. Давайте начнем.

ОЗУ и ПЗУ

Флэш-память

Фактический объем диска может быть меньше номинально заявленного. Память диска разделена на три части. Первая часть использует файловую систему и кэш. Часть памяти зарезервирована под нужды системы. Вторая часть используется для установки дополнительного программного обеспечения и данных, а остальная доступна пользователям. Таким образом, пользователю доступна память, за вычетом суммы пространства, необходимого для самой операционной системы. В большинстве случаев, часть диска для операционной системы и приложений занимают около 10-20% от общего объема памяти. Поэтому, если производитель смартфонов рекламирует, что смартфон оснащен памятью в 16 Гб, это означает что для музыки, приложений, фотографий и т.д. доступно где-то около 14 ГБ. Конечно, элементы памяти и системы могут значительно отличаться в случае, если производители разные.

Некоторые устройства, такие как Samsung Galaxy S3, оснащены мульти-ROM. Это маленький чип предназначенный для первичного кэша системы хранения данных и пользовательских данных в отдельные разделы. Второй чип больше, но работает медленнее и позволяет пользователям хранить приложения. Такая конфигурация позволяет оптимальный баланс между производительностью и ценой. Другие производители, в том числе Apple Store оснащены только одним чипом. По мнению многих экспертов, этот вид внутренней памяти гораздо лучше, чем в случае внешних карт MicroSD. Благодаря этому чипу чтение и записи данных происходят на гораздо более высоких скоростях

Удаление приложений из оперативной памяти.

При первом включении Вы, возможно, захотите удалить приложения, которые были предустановлены в памяти телефона. Но для этого вам необходимо иметь право доступа. Очень важно регулярно чистить временные файлы, такие как электронная почта, SMS, устаревшие документы, игры, музыку и т.д. Для этого, мы рекомендуем Вам установить любое из предоставленных приложений для удаления программного обеспечения, это будет гораздо проще и надёжнее и позволит очистить вашу оперативную память. Кроме того скорость работы вашего мобильного устройства значительно возрастёт.

Читайте также: