Файл: Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации.pdf

Введение

Много столетий тому назад потребность выразить и запомнить информацию привела к появлению речи, письменности, счета. Люди пытались изобретать, а затем совершенствовать способы хранения, обработки и распространения информации. До сих пор сохранились свидетельства попыток наших далеких предков сохранять информацию – примитивные наскальные рисунки, записи на берестяной коре и глиняных дощечках, затем рукописные книги. Появление в ХVI веке печатного станка позволило значительно увеличить возможности человека обрабатывать и хранить нужные сведения. Это явилось важным этапом развития человечества. Информация в печатном виде была основным способом хранения и обмена и продолжала им оставаться вплоть до середины ХХ века. Время шло, происходили изменения. Появление перфокарт в основном связывается с именем Германа Холлерита, который применил их для проведения переписи населения в США в 1890 году. Тем не менее, первые перфокарты были созданы и использованы существенно раньше. Жозеф Мари Жаккард использовал их для того, чтобы задавать рисунок ткани для своего ткацкого станка ещё в 1804 году. Затем появилась перфолента. И уже в 50-е годы появилась первая магнитная лента. В 1952 году магнитная лента была использована для хранения, записи и считывания информации в компьютере IBM System 701. Магнитный диск был изобретен в компании IBM в начале 50-х годов. Первый, так называемый, гибкий диск был впервые представлен в 1969 году. Жесткий диск изобретен в 1956 году, но продолжает использоваться и постоянно совершенствоваться. Наша цивилизация немыслима в её сегодняшнем состоянии без носителей информации. Наша память ненадёжна, поэтому достаточно давно человечество придумало записывать мысли во всех видах.
Носитель информации - это любое устройство, предназначенное для записи и хранения информации.
Примерами носителей могут быть и бумага, и USB-Flash память, также как и глиняная табличка или человеческая ДНК.
Информация тоже бывает разная - это и текст, и звук, и видео. Только с появлением ЭВМ возникли принципиально новые, гораздо более эффективные способы сбора, хранения, обработки и передачи информации (рис. 1).

Рисунок 1 Развитие способов хранения информации

Хранение информации и данных в наш век задача очень актуальная. Ведь любая хранящаяся на компьютере или ноутбуке информация может быть случайно удалена, утеряна или оказаться недоступной по причине технической поломки внутреннего устройства хранения данных. Даже потеря личной записной книжки крайне неприятна. Поэтому везде, где используется компьютерная техника, и на работе, и дома, следует предусмотреть организацию системы хранения информации.  Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. Устройства хранения информации делятся на 2 вида:

- внутренние устройства, являющиеся конструктивным элементом материнской платы;

- внешние (периферийные) устройства

К элементам внутренней памяти относятся: оперативная память (ОЗУ); кэш-память и специальная память. Внутренняя память реализуется на интегральных микросхемах и является электронной памятью. Внешняя память реализуется в виде накопителей, а данные

хранятся на носителях. К элементам внешней памяти относятся: жёсткие диски (HDD); накопители на гибких магнитных дисках (FDD); накопители на компакт-дисках (CD); накопители на магнитной ленте (Streamer); Flash-накопители.

Устройства памяти являются одним из основных составляющих компьютера, предназначенные для хранения программ и обрабатываемых данных. Различают устройства внешней и внутренней памяти, каждые из которых отличаются своими принципами действия и характеристиками. В своей работе я предлагаю рассмотреть различные запоминающие устройства компьютера и провести сравнительный анализ их, выявить преимущества и недостатки.

• 1. Внутренние запоминающие устройства

К внутренним устройствам хранения информации относятся оперативная память, кэш-память и специальная память- CMOS и BIOS. Главным достоинством является высокая скорость обработки информации. Рассмотрим подробнее

1.1. Оперативная память

Оперативная память (RAM – random access memory, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Оперативная память – один из главных элементов компьютера. «Оперативная» память и называется потому, что очень быстро работает и позволяет процессору практически без какого-либо заметного ожидания читать информацию из памяти. Содержащиеся в оперативной памяти данные сохранены и доступны только тогда, когда компьютер включен. При выключении компьютера содержимое стирается из оперативной памяти, поэтому перед выключением компьютера все данные нужно сохранить. От объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер. Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором.

Главные требования к памяти:

• максимальный объем;
• максимальное быстродействие;
• максимальная надежность.

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. Конструктивно оперативная память представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуле). Модуль (рис.1) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, что и позволяет таким образом связываться с другими устройствами компьютера.

Рисунок 2 Внешний вид оперативной памяти

Существуют различные типы оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Первоначально оперативная память была статического типа. Ячейка ОЗУ строилась на базе транзисторного каскада, который мог содержать до 10 транзисторов. Быстродействие у статической памяти было высокое, поскольку время переключения транзисторов из одного состояния в другое очень мало. Однако такое количество транзисторов в расчете на одну ячейку памяти занимало довольно большой физический объем, то есть "втиснуть" большой объем памяти в малое физическое пространство оказалось невозможным. Еще одной неприятной особенностью статического массива памяти оказалось, что транзисторы потребляют относительно большой уровень энергии, что отражается на ограничения максимального объема памяти. Указанных выше недостатков лишена  динамическая память. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости. Ячейки памяти в микросхеме DRAM – это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Энергопотребление динамической памяти гораздо ниже. Но, тут возникли проблемы с быстродействием, а именно:

- разряд/заряд конденсатора - процесс более длительный, чем простое переключение транзистора; - ток утечки конденсатора, который тем больше, чем меньше емкость конденсатора. Поэтому для нормальной работы динамической памяти требуется периодическая регенерация памяти (подзаряд конденсаторов). Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную, например, 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128x15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы определения последовательности в ПЗУ (serial presence detect – SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 16 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат миллиарды транзисторов. В микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур. Транзистор для каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1, если заряда нет – записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению “синего” экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы. В большинстве систем оперативной памяти современных ПК используется динамическая оперативная память, поскольку она недорогая. Оперативная память энергозависима – при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации). 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 (текстовой документ, графическое изображение, таблицы, звук и т.д ), 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. Основополагающим требованием для оперативной памяти является ее объем (современные модули памяти имеют объем в несколько Гб), поэтому динамическая память оказалась предпочтительней, несмотря на то, что она работает медленнее и имеет сложную схему управляющего контроллера. Статическая память нашла свое применение в кэш-памяти, которая располагается непосредственно на кристалле центрального процессора, имеет невысокий объем (десятки-сотни Кб), но очень высокое быстродействие, соизмеримое с быстродействием самого процессора.

1.2 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. 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 играет роль буфера между очень ограниченными, но очень быстрыми регистрами процессора и сравнительно медленной, но гораздо более вместительной основной памятью компьютера, обычно называемой ОЗУ (RAM). Кэш-память работает примерно со скоростью самого процессора, поэтому, когда процессор обращается к данным в кэше, процессору не приходится ждать этих данных. Кэш память устроена так, что при попытке прочитать данные из ОЗУ сначала аппаратным образом проверяется, нет ли нужных данных в кэше. Если эти данные в кэше, они быстро извлекаются и используются процессором. Однако в противном случае эти данные считываются из ОЗУ и в момент передачи процессору также помещаются в кэш (на случай, если они понадобятся позже). С точки зрения процессора всё это происходит прозрачно, так как единственное, что отличается между обращениями к данным в кэше или обращением к данным в ОЗУ — это время, необходимое для получения данных. С точки зрения объёма хранилища, кэш намного меньше ОЗУ. Следовательно, далеко не каждый байт в ОЗУ может найти своё место в кэше. Поэтому кэш необходимо разделить на части, в которых будут кэшироваться разные области ОЗУ, и реализовать механизм, позволяющий в каждом разделе кэша кэшировать в разное время разные области ОЗУ. И хотя размеры кэша и ОЗУ отличаются, с учётом последовательного и локального характера доступа к хранилищу небольшой кэш может эффективно ускорить доступ к ОЗУ большого объёма. Когда процессор пишет данные, всё выглядит несколько сложней. Запись может производиться двумя способами. В обоих случаях данные сначала записываются в кэш. Однако, так как кэш предназначен для быстрого предоставления копии содержимого определённых областей ОЗУ, при каждом изменении данных новое значение должно попадать и в кэш, и в ОЗУ. В противном случае данные в кэше и в ОЗУ не будут соответствовать друг другу. Здесь возможны два подхода. При первом подходе, который называется кэшированием со сквозной записью, данные записываются в ОЗУ немедленно. При кэшировании с отложенной записью, запись изменённых данных в ОЗУ выполнятся позже. Смысл этого в том, чтобы сократить число операций записи часто изменяемых данных, которые должны быть записаны в ОЗУ. Подсистема кэша в конструкции современных компьютеров может быть многоуровневой, то есть между процессором и основной памятью может находиться не один кэш, а несколько. Уровни кэша часто нумеруются, при этом, чем меньше номер, тем ближе он к процессору. На многих компьютерах имеется два уровня кэша: