Pamięć komputera. Hierarchia pamięci i jej rodzaje - konspekt lekcji

Konspekt do lekcji: Urządzenia techniki komputerowej.

Temat lekcji: Pamięć komputera. Hierarchia pamięci i jej rodzaje.

Czas: 6 godzin lekcyjnych.
Cele dydaktyczne: Zapoznanie uczniów z rodzajami pamięci oraz ich charakterystyką.
Cele kształcące: Uczniowie po lekcji powinni umieć:
- Wyjaśnić pojęcie pamięć komputera;
- Umieć wymienić i opisać rodzaje pamięci;
- Znać hierarchię pamięci w komputerze;
- Umieć odróżnić różne rodzaje pamięci;
Metoda: Wykład, pogadanka, pokaz, ćwiczenia.
Środki dydaktyczne: Tablica, kreda, kości pamięci.


Przebieg lekcji:

1. Sprawy organizacyjne.
- sprawdzenie listy obecności;
- zapisanie tematu na tablicy;
- podanie nowego materiału;
- podsumowanie.

2. Podanie tematu i jego uzasadnienie.
Na tych lekcjach uczniowie poznają rodzaje pamięci, nauczą się je odróżniać metodą wzrokową a także posługiwać się nimi (montaż pamięci
w komputerze).

3. Rozwinięcie tematu.

Wyjaśnienie pojęcia pamięć komputerowa
Pamięć komputerowa to te części komputera, które przechowują dane. Układy pamięci służą do przechowywania danych. Pojemność pamięci określamy
w bajtach, gdyż właściwie dane gromadzi się w postaci słów 8-bitowych. Ze względu na obecne wymagania oprogramowania stosuje się wielkości wielokrotne - kilobajty [kB], megabajty [MB] lub gigabajty [GB]. Ponieważ magistrale danych współczesnych mikroprocesorów są szersze niż 8 bitów (mogą być i węższe) pamięć może być "ułożona" w chipie nieco inaczej. Pojemność jej jest taka sama lecz różni się wtedy organizacją pamięci. I tak na przykład pamięć o pojemności 1 MB może posiadać przykładowo następujące organizacje:

2 MB X 4
D3 D2 D1 D0

1 MB X 8
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

512 kB X 16
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

I tak dalej: 256 kB X 32, 128 kB X 64...

Podział pamięci ze względu na:
• ulotność:
o pamięci ulotne przechowują dane tak długo, jak długo są zasilane,
o pamięci nieulotne zachowują informację po odłączeniu zasilania.
• możliwości zapisu i odczytu:
o tylko do odczytu (zapis odbywa się w fazie produkcji),
o jednokrotnego zapisu,
o wielokrotnego zapisu.
• nośnik:
o półprzewodnikowy (układ scalony),
o optyczny,
o magnetyczny (w tym pamięć ferrytowa),
o magnetooptyczny,
o polimerowy (np. Millipede),
o papierowy (np. karta dziurkowana),
o linia opóźniająca (np. pamięć rtęciowa).
• łatwość (możliwość) przeniesienia wraz z zapisem do innego urządzenia,
• miejsce w konstrukcji komputera:
o rejestry procesora,
o pamięć operacyjna, czyli RAM,
o pamięć podręczna, czyli cache,
o pamięć zewnętrzna, czyli masowa (stacje dysków, taśm itp),
o pamięć robocza podzespołów (np. rejestry stanu urządzenia, bufory w kartach sieciowych, bufor wysyłanego lub odebranego znaku
w łączu szeregowym, pamięć obrazu w kartach grafiki),
• sposób dostępu do informacji:
o pamięć o dostępie swobodnym,
o pamięć o dostępie szeregowym (cyklicznym) (rejestry przesuwne, pamięć taśmowa),
o pamięć skojarzeniowa (asocjacyjna).
Urządzenia zaliczane do kategorii pamięci
• taśmy i karty dziurkowane (obecnie już praktycznie nieużywane),
• karty magnetyczne (także o znaczeniu historycznym),
• taśmy magnetyczne na szpulach i w kasetach,
• bębny,
• dyski twarde (magnetyczne),
• dyski optyczne:
o CD-ROM,
o CD-R,
o CD-RW,
o DVD,
o DVD-R,
o DVD-RW,
o DVD+R,
o DVD+RW.
• dyskietki,
• dyski magnetooptyczne,
• rejestry procesora,
• pamięć cache,
• pamięć operacyjna aktualnie RAM i jej różne odmiany PRAM, MRAM, FRAM,
• ROM - Read-Only Memory (pamięć tylko do odczytu),
• PROM - Programmable Read-Only Memory (programowalna pamięć tylko do odczytu),
• EPROM - Erasable-Programmable Read-Only Memory (kasowalno-programowalna pamięć tylko do odczytu (kasowana światłem UV),
• EEPROM - Electrically Erasable-Programmable Read-only Memory (elektrycznie kasowalno-programowalna pamięć tylko do odczytu (kasowana elektrycznie),
• Flash EEPROM (Błyskawicznie działająca elektrycznie kasowalno-programowalna pamięć tylko do odczytu kasowana elektrycznie).
Charakterystyka pamięci

Pamięć RAM jest to pamięć o swobodnym dostępie (ang. Random Access Memory), to znaczy w dowolnym momencie możemy do niej zapisywać dane
i odczytywać je (oczywiście nie w tej samej chwili). Pamięci RAM dzielą się na dwa podstawowe rodzaje:
• pamięci dynamiczne,
• pamięci statyczne.

PAMIĘCI DYNAMICZNE RAM są proste w konstrukcji, lecz pobierają dość dużo prądu. Zbudowane są w oparciu o półprzewodnikowe kondensatory MOS
i tranzystory MOS. "Urodą" kondensatora jest tendencja do rozładowywania się, więc takie pamięci należy odświeżać (ang. refresh), czyli doładowywać kondensator w rytmie milisekundowym. Jeśli odczyt lub zapis dokonywany jest w podobnym czasie - ciągle, wtedy nie jest wymagany refresh (np. w kartach graficznych pamięć obrazu). Pojedyncza komórka pamięci przedstawiona jest na rysunku.

Oznaczenia:

T - tranzystor MOS,
C - kondensator MOS,
X - linia danych,
BL, #BL - linie zapisu/odczytu.


Tak zbudowane komórki pamięci dają możliwość zbudowania matrycy pamięci (duża pojemność - mała liczba linii adresowych). Charakterystyczne wtedy jest występowanie dodatkowych linii wyboru rzędu RAS (ang. Row Access Select) i kolumny CAS (ang. Column Access Select) - jednak są to tylko dwie dodatkowe, a zysk globalny jest znaczny.
Wadą tego rozwiązania jest jedna linia do wprowadzania danych, więc tak zbudowana pamięć nie należy do najszybszych (stosunkowo).
W komputerach PC stosuje się takie chipy pamięci połączone w moduły, dające się łatwo wymieniać czy też uzupełniać. Stosuje się następujace moduły:
• moduł SIMM DRAM (ang. Single In Module Memory) 32 piny (raczej historia).
• moduł SIMM EDORAM 72 piny - szerokość szyny danych
32 bity - w systemach Pentium (64 bity) należy je zawsze montować parami,
• moduł DIMM SDRAM (ang. Dual In Module Memory) 168 pin - szerokość szyny danych 64 bity. Pamięć synchroniczna (bardzo szybka).

O szybkości pamięci, a więc i możliwości zastosowania w szybkich systemach decyduje czas dostępu. W systemach pracujących z częstotliwością płyty głównej do 66MHz wystarczy czas 60 - 70 ns. Na płytach 100 MHz potrzebne są już moduły o czasie dostępu 6-7 ns.

PAMIĘCI STATYCZNE RAM (tzw. CMOS RAM) również są proste
w konstrukcji, lecz nie można ich układać w matryce. Pobierają bardzo mało prądu, gdyż nie posiadają kondensatorów MOS i nie potrzebują odświeżania. Zbudowane są jedynie w oparciu o półprzewodnikowe tranzystory MOS. Są bardzo szybkie. Mogą "trzymać" dane przy śladowym poborze prądu (nA)
i minimalnym napięciu 2V. Stosuje się je jako pamięć ustawień BIOS na płycie głównej. Pojedyncza komórka pamięci przedstawiona jest na rysunku.

Oznaczenia:

T - tranzystor MOS,
X - linia danych,
BL, #BL - linie zapisu/odczytu.

Pamięci dynamiczne po włączeniu napięcia mają wartości równe 00H (rozładowane kondensatory), pamięci statyczne zaś - przypadkowe wartości.

Pamięci ROM (ang. Read Only Memory), czyli tylko do odczytu należą do
tzw. pamięci stałych. Interpretacja skrótu może być trochę błędna, gdyż nie oznacza to, że nie można ich zapisać. Zapis jednak następuje w innym procesie niż odczyt, ponieważ zapis oznacza zmianę właściwości fizycznych tranzystora, będącego częścią komórki pamięci. Po wyłączeniu napięcia pamięć ta nie traci danych. Rozróżniamy następujące typy:
• MASK ROM (ROM) - pamięć programowana w procesie technologicznym - nie można jej skasować.
• PROM - pamięć programowana prądem jednorazowo - duży pobór prądu (dziś już historia),
• EPROM (UV EPROM) - pamięć programowana prądem wielokrotnie (kilkadziesiąt razy) - kasowana promieniami ultrafioletowymi,
• OTPROM - odmiana EPROM programowana prądem jednorazowo - mały pobór prądu - bardzo tania,
• EEPROM - pamięć programowana prądem wielokrotnie (kilkaset tysięcy razy) - kasowana prądem - dość skomplikowana procedura kasowania, kasowana/zapisywana bit po bicie,
• FLASH EPROM - odmiana EEPROM ze sprzętowym wspomaganiem kasowania - bardzo szybka, kasowana/zapisywana blokowo,
• FEPROM - pamięć zapisywana i kasowana prądem bez ograniczeń - wykonana z elementów ferroelektrycznych takich jak materiały ceramiczne typu PZT i BST.
Pamięci te mogą mieć interfejs równoległy (pamięć programu mikrokontrolerów, BIOS płyty głównej) lub szeregowy (np. elektroniczne karty kredytowe, karty parkingowe).
Zazwyczaj cena pamięci jest związana z jej szybkością. Im szybsza tym droższa. Dlatego stosuje się przeróżne techniki przenoszenia informacji pomiędzy pamięciami, aby zapewnić możliwie dużą prędkość dostępu do danych przy ograniczonych zasobach najszybszych pamięci. Dane aktualnie używane są trzymane w szybszej pamięci, natomiast te aktualnie niepotrzebne
w wolniejszej. Ponieważ różnice w czasie dostępu między kolejnymi poziomami są często rzędu 10:1, dobre wykorzystanie właściwości pamięci cache ma zazwyczaj większe znaczenie niż liczba cykli procesora koniecznych do wykonania algorytmu.
Poniżej, najpopularniejsze rodzaje pamięci używane w komputerach (uszeregowane od najszybszej) jest to tak zwana hierarchia pamięci komputera.
• rejestry procesora, rozmiar rzędu kilkudziesieciu do kilkuset bajtów,
• pamięć podręczna procesora (cache L1), wbudowany w procesor, rozmiar rzędu 4 do 16 KB,
• pamięć podręczna procesora (cache L2), rozmiar rzędu 128 KB do 4 MB,
• pamięć RAM, rozmiar rzędu 128 MB do kilku GB,
• plik wymiany (swap) na dysku twardym, rozmiar rzędu kilkudziesięciu MB do kilku GB (definiowany przez użytkownika lub system),
• Pamięci zewnętrzne.

Rys.1. Hierarchia pamięci komputera (schemat)
Na poziomie logicznym pamięć jest to zbiór komórek, zapisanych ciągiem zero-jedynkowym o określonej długości (taki ciąg nazywamy słowem). Komórki pamięci są ponumerowane, a numer komórki nazywa się adresem pamięci. Procesor komunikuje się z pamięcią operacyjną i wykonuje rozkazy pobrane z programu zawartego w pamięci.