PAMIĘCI KOMPUTEROWE

1. PAMIĘCI KOMPUTEROWE Opracowanie: Piotr Ludwiczak Przemysław Młynarczyk

2. Pamięć Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji). Potocznie przez "pamięć komputerową" rozumie się samą pamięć operacyjną. Rodzaje pamięci: Pamięć zewnętrzna: • CD, CD-R, CD-RW • DVD • Pamięć Flash • Dyskietki • Napęd Zip • Twardy dysk • Taśma magnetyczna • Zewnętrzny dysk twardy • Blu-ray Pamięć wewnętrzna: • rejestry procesora • pamięć cache • pamięć operacyjna • pamięć wirtualna • RAM • PRAM • PROM • EPROM • Pamięć ferrytowa

3. Pamięć dynamiczna Pamięć dynamiczna (ang. dynamic memory, dynamic RAM, DRAM) – ulotna pamięć półprzewodnikowa o dostępie swobodnym, której bity są reprezentowane przez stan naładowania kondensatorów. Jej element składa się z kondensatora i tranzystora separującego. Pamięć dynamiczna wymaga regularnego odświeżania zawartości w czasie bezczynności oraz każdorazowo po operacji odczytu. Odświeżanie zawartości realizowane jest przez układy wspomagające umieszczone na płycie głównej lub sam procesor i polega na ponownym zapisie odczytanej wartości w te same komórki pamięci. Pamięci dynamiczne najczęściej łączone są w dwuwymiarowe tablice adresowane numerem wiersza i kolumny, co pozwala ograniczyć liczbę wymaganych linii adresowych i przyspieszyć sekwencyjny odczyt danych umieszczonych w kolejnych komórkach tego samego wiersza pamięci.

4. Pamięć statyczna SRAM (ang. Static Random Access Memory), statyczna pamięć o dostępie swobodnym – typ pamięci półprzewodnikowej stosowanej w komputerach. Słowo "statyczna" oznacza, że pamięć SRAM przechowuje dane tak długo, jak długo włączone jest zasilanie, w odróżnieniu od pamięci typu DRAM, która wymaga okresowego odświeżania. Każdy bit przechowywany jest w pamięci SRAM w układzie zbudowanym z czterech tranzystorów, które tworzą przerzutnik, oraz z dwóch tranzystorów sterujących. Taka struktura umożliwia znacznie szybsze odczytanie bitu niż w pamięci typu DRAM, oraz w przeciwieństwie do pamięci DRAM nie wymaga odświeżania. Pamięci SRAM wykorzystywane są w szybkich pamięciach podręcznych cache, gdyż nie wymagają one dużych pojemności (gęstość danych w SRAM jest 4 razy mniejsza niż w DRAM), ale prędkość dostępu jest około 7 razy szybsza od DRAM (1 cykl SRAM wynosi około 10 ns, natomiast w DRAM około 70 ns)

5. Cache Cache (pamięć podręczna) to mechanizm, w którym ostatnio pobierane dane dostępne ze źródła o wysokiej latencji i niższej przepustowości są przechowywane w pamięci o lepszych parametrach. Cache jest elementem właściwie wszystkich systemów - współczesny procesor ma 2 albo 3 poziomy pamięci cache oddzielającej go od pamięci RAM. Dostęp do dysku jest buforowany w pamięci RAM, a dokumenty HTTP są buforowane przez pośredniki HTTP oraz przez przeglądarkę. Niektóre systemy cache próbują przewidywać, które dane będą potrzebne i pobierają je wyprzedzając żądania. Np. cache procesora pobiera dane w pakietach po kilkadziesiąt czy też więcej bajtów, cache dysku zaś nawet do kolejnych kilkuset kilobajtów czytanego właśnie pliku. Cache procesora Pamięć cache przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM. Charakteryzuje się bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Na współczesnych procesorach są 2 lub 3 poziomy pamięci cache: L1 (zintegrowana z procesorem), a także L2 i L3 (umieszczone w jednym chipie razem z procesorem, lub na płycie głównej).

6. Pamięć ROM ROM (ang. Read-Only Memory - pamięć tylko do odczytu) - rodzaj pamięci operacyjnej urządzenia elektronicznego, w szczególności komputera. Zawiera ona stałe dane potrzebne w pracy urządzenia - np. procedury startowe komputera, czy próbki przebiegu w cyfrowym generatorze funkcyjnym. W normalnym cyklu pracy urządzenia pamięć ta może być tylko odczytywana, zapis do pamięci dokonywany jest w zależności od rodzaju pamięci.

7. Pamięć PROM i PRAM PROM (ang. Programmable read-only memory) - pamięć komputerowa jednokrotnego zapisu, zbudowana w postaci układu scalonego. Programowanie pamięci PROM polega na podaniu między linię bitu, a linię słowa napięcia od kilkunastu do kilkudziesięciu wolt, które przepala element łączący linię bitu i linię słowa. Opornik przepala się na przerwę, a tranzystory na zwarcie. Pamięci z matrycą oporową mają wpisane jedynki, a przy programowaniu wpisujemy 0. Pamięci z matrycą tranzystorową mają najczęściej wpisane 0, a przy programowaniu wpisujemy 1. Proces programowania nie następuje w momencie produkcji. Można ją zaprogramować samodzielnie po kupieniu. PRAM (PCRAM – Phase Change RAM) – typ pamięci nieulotnej opartej na nośniku krystalicznym. Wykorzystano zjawisko zmiany fazy punktów nośnika z krystalicznej na amorficzną (i odwrotnie) za pomocą podgrzewania impulsami elektrycznymi. Odczyt dokonywany jest przez pomiar rezystancji nośnika (różna dla różnych faz). Nośnikiem jest stop tellurku antymonu i tellurku galu, podobny do stosowanego w płytach CD-RW.

8. Pamięć EPROM EPROM (ang. ErasableProgrammableRead-OnlyMemory) – rodzaj pamięci cyfrowej w postaci układu scalonego, przechowującej zawartość także po odłączeniu zasilania. Wykorzystuje specjalnie skonstruowany tranzystor MOS z dwiema bramkami: sterującą, normalnie połączoną elektrycznie z resztą układu, i bramką pamiętającą, odizolowaną od reszty układu. Raz zapisana, pamięć EPROM może zostać skasowana jedynie przez wystawienie jej na działanie silnego światła ultrafioletowego, które jonizuje izolator umożliwiając odpłynięcie zgromadzonego ładunku. Większość pamięci EPROM można rozpoznać po przeźroczystym okienku ze szkła kwarcowego na górze układu, przez które widać kość krzemową i które umożliwia dostęp światła ultrafioletowego w razie konieczności skasowania. Pamięć EPROM przechowuje dane przez około dziesięć do dwudziestu lat. Pozwala na około tysiąc cykli zapisu i dowolną liczbę cykli odczytu. Aby ochronić pamięć przed przypadkowym skasowaniem okienko musi być zawsze zasłonięte. W starszych płytach głównych pamięć EPROM wykorzystywana była do zapisu BIOS-u płyty. Okienko kości EPROM zakrywane było etykietką z nazwą producenta BIOS-u, numerem wersji i notką o prawach autorskich.

10. Pamięć EEPROM Pamięć typu Flash to rodzaj pamięci EEPROM (ang. Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory), pozwalającej na zapisywanie lub kasowanie wielu komórek pamięci podczas jednej operacji programowania. Jest to pamięć nieulotna – po odłączeniu zasilania nie traci swej zawartości. Standardowe pamięci EEPROM pozwalają zapisywać lub kasować tylko jedną komórkę pamięci na raz, co oznacza, że pamięci Flash są znacznie szybsze, jeśli system je wykorzystujący zapisuje i odczytuje komórki o różnych adresach w tym samym czasie. Wszystkie typy pamięci Flash, jak i EEPROM, mają ograniczoną liczbę cykli kasowania, przekroczenie tej liczby powoduje uszkodzenie pamięci.

11. Pamięć RAM RAM (ang. Random Access Memory) - jest to podstawowy rodzaj pamięci cyfrowej zwany też pamięcią użytkownika lub pamięcią o dostępie swobodnym. Choć nazwa sugeruje, że oznacza to każdą pamięć o bezpośrednim dostępie do dowolnej komórki pamięci (w przeciwieństwie do pamięci o dostępie sekwencyjnym, np. rejestrów przesuwnych), to nazwa ta ze względów historycznych oznacza tylko te rodzaje pamięci o bezpośrednim dostępie, które mogą być też zapisywane przez procesor, a wyklucza pamięci ROM pomimo iż w ich przypadku również występuje swobodny dostęp do zawartości. W pamięci RAM przechowywane są aktualnie wykonywane programy i dane dla tych programów, oraz wyniki ich pracy. Zawartość większości pamięci RAM jest tracona w momencie zaniku napięcia zasilania, dlatego wyniki pracy programów muszą być zapisane na jakimś nośniku danych. Pamięć RAM jest stosowana głównie jako pamięć operacyjna komputera, jako pamięć niektórych komponentów (procesorów specjalizowanych) komputera jako pamięć danych sterowników mikroprocesorowych.

12. Pamięć USB Pamięć USB (znana także pod nazwami: PenDrive, Flash Disk, FlashDrive) to urządzenie przenośne zawierające pamięć nieulotną typu Flash EEPROM, zaprojektowane do współpracy z każdym komputerem poprzez port USB i używane do przenoszenia danych (zapisywanych w plikach) między komputerami. Spopularyzowana również w Polsce nazwa marki urządzenia PenDrive (ang. pen, "pióro" + drive, "napęd") odnośnie wszystkich typów pamięci USB rozpowszechniła się najprawdopodobniej ze względu na skojarzenia - pochodzi od wyglądu przypominającego najczęściej krótki długopis z zaślepką (na wtyk USB).

13. Pamięć wirtualna Pamięć wirtualna jest techniką programową a także sprzętową gospodarowania pamięcią operacyjną RAM pozwalającą na przydzielanie pamięci dla wielu procesów, zwalnianie jej i powtórne przydzielanie. Mechanizm umożliwia przydzielenie procesom więcej pamięci niż rzeczywista ilość pamięci fizycznej zainstalowanej w komputerze poprzez przeniesienie danych z ostatnio nie używanej pamięci do pamięci masowej (np. twardego dysku), w sytuacji gdy procesor odwołuje się do danych z pamięci przeniesionej na dysk przesuwa się te dane do pamięci w wolne miejsce, a gdy brak wolnej pamięci zwalnia się ją przez wyżej opisane przerzucenie jej na dysk. Najczęściej spotykane są dwa sposoby przechowywania danych zrzuconych z pamięci fizycznej na dysk. Pierwszy, stosowany w systemach rodziny Windows polega na zapisie pamięci w pliku (znajdującym się na ustalonej partycji komputera). Drugi, stosowany w systemach z rodziny UNIX to utworzenie osobnej partycji wymiany przeznaczonej wyłącznie na pamięć wirtualną. Zapewnia to szybszy dostęp do danych niż pierwsze rozwiązanie (głównie ze względu na ominięcie obsługi systemu plików).

14. Pamięć operacyjna Pamięć operacyjna (en. internal memory, primary storage) – jest to pamięć adresowana i dostępna bezpośrednio przez procesor, a nie przez urządzenia wejścia-wyjścia procesora. W pamięci tej mogą być umieszczane rozkazy (kody operacji) procesora (program) dostępny bezpośrednio przez procesor i stąd nazwa pamięć operacyjna. W Polsce często pamięć ta jest utożsamiana z pamięcią RAM, choć jest to zawężenie pojęcia, pamięcią operacyjną jest też pamięć nieulotna (ROM, EPROM i inne jej odmiany) dostępna bezpośrednio przez procesor. Obecnie pamięci operacyjne są wyłącznie pamięciami elektronicznymi, dawniej używano pamięci ferrytowych. W obecnych komputerach głównym rodzajem pamięci operacyjnej jest pamięć RAM, wykonana jako układy elektroniczne, wykorzystywana przez komputer do przechowywania programu i danych podczas jego pracy.

15. Pamięć ferrytowa Pamięć ferrytowa – to pamięć komputerowa (pamięć o dostępie swobodnym) przechowująca dane w postaci kierunku namagnesowania rdzeni ferrytowych o prostokątnej pętli histerezy. Prawie wyłącznie oparta jest na rdzeniach toroidalnych. Przy próbie zastąpienia pierścieni otworami w płytce ferrytowej nie udało się uzyskać wymaganej powtarzalności właściwości magnetycznych otworów. Zastąpienie pierścieni rdzeniami wielootworowymi okazało się zbyt drogie i trudne technologicznie. Jedynie pamięci na dwuotworowych biaksach zdobyły niewielką popularność. Pamięć ta przechowywała dane przy wyłączonym zasilaniu. Dane były kasowane przy każdym odczycie i - w razie potrzeby - ewentualnie niezwłocznie ponownie zapisywane, jeśli zachodziła potrzeba przechowania ich w dalszych cyklach pracy. Nieniszczący odczyt zapewnia pamięć na biaksach o odmiennej zasadzie odczytu.

16. Dyskietka Dyskietka – przenośny nośnik magnetyczny o niewielkiej pojemności, umożliwiający zarówno odczyt jak i zapis danych. W komputerach klasy PC obecnie najpowszechniej używane są dyskietki 3,5 calowe HD (High Density) o pojemności "1.44 MB". Dyskietka taka składa się z twardej plastikowej obudowy z otworem dostępowym do nośnika zasuwanym metalową (później plastikową) zasuwką. Konstrukcja ta powstała z wcześniej używanych dyskietek identycznej budowy mechanicznej DD (Double Density) o pojemności 720 KB, powszechnie używanych w komputerach klasy Amig a oraz Atari ST . Rozwinięciem tej konstrukcji jest standard dyskietek ED (Extra Density) "2.88 MB", ale nie przyjął się, m.in. z powodu konkurencji ze znacznie bardziej pojemnymi dyskietkami napędów typu ZIP czy JAZ. Zachowana jest kompatybilność wsteczna.

17. Dyskietka 5,25 cala Dyskietka 3,5 cala Dyskietka 3 cale Dyskietka 8 cali

18. Dysk optyczny Dysk optyczny to jeden z rodzajów nośników informacji używany w systemach komputerowych do zapisu danych. Dysk optyczny jest płaskim, plastikowym krążkiem pokrytym materiałem, na którym mogą być zapisywane bity informacji w postaci fragmentów dobrze i słabo odbijających wiązkę światła. Odczyt danych następuje poprzez oświetlenie promieniem lasera. Dane są zapisane sekwencyjnie na ciągłej, spiralnej ścieżce od środka dysku na zewnątrz. Pierwsze dyski optyczne zapisujące analogowo wideo (Laser Disc) zostały wynalezione przez firmę Philips w latach 60. XX wieku i wprowadzone na rynek (w latach 70.) w kooperacji z firmą MCA. Zgromadzone doświadczenie umożliwiło wyprodukowanie CD-ROMów na początku lat 80. (Philips w kooperacji z Sony). Do pamięci optycznych zalicza się: Laser Disc CD DVD Blu-ray HD DVD

19. Dysk twardy Dysk twardy – jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nazwa "dysk twardy" (hard disk drive) powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od tzw. "dysków miękkich", czyli dyskietek (floppy disk), w których nośnik magnetyczny naniesiono na elastyczne podłoże, a nie jak w dysku twardym na sztywne. Pojemność dysków wynosi od 5 MB (przez 10MB, 20MB i 40MB - dyski MFM w komputerach klasy XT 808x i 286, współcześnie zaś dyski kilkusetmegabajtowe w komputerach osobistych należą do rzadkości), najczęściej posiadają rozmiar nawet kilkuset (powyżej 400 GB) GB, (w laptopach 20-260 GB). Małe dyski, o pojemnościach od kilkuset MB do kilku GB stosuje się współcześnie w kartach dla slotu Compact Flash (Microdrive) do cyfrowych aparatów fotograficznych, a także w innych urządzeniach przenośnych. Dla dysków twardych najważniejsze są parametry: pojemność, szybkość transmisji danych, czas dostępu, prędkość obrotowa talerzy (obr/min.) oraz MTBF (żywotność dysku).