Память компьютера

В вычислениях , память относится к устройству, которое используется для хранения информации для немедленного использования в компьютере или связанном с ними компьютерным оборудованием устройства. ^[1] Обычно это относится к полупроводниковой памяти , в частности, к памяти металл-оксид-полупроводник (MOS) ^{[2] [3],} где данные хранятся в ячейках памяти MOS на кремниевом кристалле интегральной схемы . Термин «память» часто является синонимом термина « первичное хранилище ». Компьютерная память работает с высокой скоростью, например оперативная память (RAM), в отличие отхранилище , обеспечивающее медленный доступ к информации, но обеспечивающее большую емкость. При необходимости содержимое памяти компьютера можно перенести во вторичное хранилище ; ^[a] очень распространенный способ сделать это - использовать метод управления памятью, называемый виртуальной памятью . Архаичный синоним памяти - запас . ^[4]

Термин «память», что означает «первичное хранение» или « основную память », часто связана с адресуемой полупроводниковой памятью , то есть интегральные схемы , состоящие из кремния основанного МОП - транзисторы , ^[5] используется, например , в качестве первичного хранения , но и для других целей в компьютеры и другие цифровые электронные устройства. Существует два основных типа полупроводниковой памяти: энергозависимая и энергонезависимая . Примерами энергонезависимой памяти являются флэш-память (используемая в качестве вторичного хранилища) и ПЗУ , ППЗУ , СППЗУ иПамять EEPROM (используется для хранения микропрограмм, например BIOS ). Примерами энергозависимой памяти являются первичная память, которая обычно представляет собой динамическую память с произвольным доступом (DRAM), и быструю кэш- память ЦП , которая обычно представляет собой статическую память с произвольным доступом (SRAM), которая является быстрой, но потребляет много энергии, предлагая более низкую плотность памяти. чем DRAM.

Большая часть полупроводниковой памяти организована в ячейки памяти или бистабильные триггеры , в каждом из которых хранится один бит (0 или 1). Организация флеш-памяти включает в себя как один бит на ячейку памяти, так и несколько битов на ячейку (так называемая MLC, многоуровневая ячейка). Ячейки памяти сгруппированы в слова фиксированной длины слова , например 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 бит. К каждому слову можно получить доступ по двоичному адресу размером N бит, что позволяет хранить в памяти 2 слова, поднятые N словами. Это означает, что регистры процессора обычно не считаются памятью, поскольку они хранят только одно слово и не содержат механизма адресации.

История [ править ]

В начале 1940-х годов технология памяти часто допускала емкость в несколько байтов. Первый электронный программируемый цифровой компьютер , ENIAC , использующий тысячи радиовакуумных ламп с восьмеричной базой , мог выполнять простые вычисления с использованием 20 десятичных цифр, хранящихся в вакуумной лампе.

Следующим значительным достижением в области компьютерной памяти стала память с акустической линией задержки , разработанная Дж. Преспером Эккертом в начале 1940-х годов. Благодаря конструкции стеклянной трубки, заполненной ртутью и закупоренной с каждого конца кристаллом кварца, линии задержки могут хранить биты информации в виде звуковых волн, распространяющихся через ртуть, а кристаллы кварца действуют как преобразователи для чтения и записи битов. Память линии задержки должна быть ограничена до нескольких сотен тысяч бит, чтобы оставаться эффективной.

Две альтернативы линии задержки, в трубе Williams и Selectron трубки , возникла в 1946 году, и с помощью электронных пучков в стеклянных трубках в качестве средства хранения. Используя электронно-лучевые трубки , Фред Уильямс изобрел трубку Вильямса, которая станет первой компьютерной памятью с произвольным доступом . Трубка Вильямса окажется более емкой, чем трубка Selectron (Selectron была ограничена 256 битами, а трубка Williams могла хранить тысячи) и менее дорогой. Тем не менее трубка Вильямса оказалась чрезвычайно чувствительной к нарушениям окружающей среды.

В конце 1940-х годов начались попытки найти энергонезависимую память . Память на магнитном сердечнике позволяла вызывать память после потери питания. Он был разработан Фредериком В. Вие и Ан Вангом в конце 1940-х годов и усовершенствован Джеем Форрестером и Яном А. Райчманом в начале 1950-х годов, прежде чем был коммерциализирован с компьютером Whirlwind в 1953 году. ^[6] Память с магнитным сердечником станет доминирующей формой памяти до появления МОП- полупроводниковой памяти в 1960-х годах. ^[7]

Полупроводниковая память началась в начале 1960-х с биполярной памяти, в которой использовались биполярные транзисторы . ^[7] Биполярная полупроводниковая память, сделанная из дискретных устройств, была впервые поставлена Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году концепция твердотельной памяти на интегральной схеме (IC) была предложена инженером по прикладным программам Бобом. Норман из Fairchild Semiconductor . ^[8] Первой микросхемой биполярной полупроводниковой памяти была микросхема SP95, представленная IBM в 1965 году. ^[7]Хотя биполярная память предлагала более высокую производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, она не могла конкурировать с более низкой ценой на магнитные сердечники, которые оставались доминирующими до конца 1960-х годов. ^[7] Биполярная память не смогла заменить память на магнитных сердечниках, потому что биполярные триггеры были слишком большими и дорогими. ^[9]

MOS-память [ править ]

Изобретение MOSFET ( полевого транзистора металл-оксид-полупроводник, или MOS-транзистора) Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году ^[5] позволило на практике использовать металл-оксид-полупроводник (MOS ) транзисторы как элементы хранения ячеек памяти. МОП-память была разработана Джоном Шмидтом в Fairchild Semiconductor в 1964 году. ^{[10] [11]} Помимо более высокой производительности, полупроводниковая МОП- память была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память с магнитным сердечником. ^[10] В 1965 г. Дж. Вуд и Р. Болл изRoyal Radar Establishment предложила цифровые системы хранения данных, которые используют ячейки памяти CMOS (комплементарные MOS) в дополнение к силовым устройствам MOSFET для источника питания , перекрестной связи, переключателей и хранения линий задержки . ^[12] Разработка технологии МОП-интегральной схемы с кремниевым затвором (МОП-ИС) Федерико Фаггин в Fairchild в 1968 году позволила производить микросхемы памяти МОП . ^[13] Память NMOS была коммерциализирована IBM в начале 1970-х годов. ^[14]Память MOS обогнала память на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией памяти в начале 1970-х годов. ^[10]

Двумя основными типами энергозависимой памяти с произвольным доступом (RAM) являются статическая память с произвольным доступом (SRAM) и динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor в 1963 году ^[7], за которой последовала разработка MOS SRAM Джоном Шмидтом в Fairchild в 1964 году. ^[10] SRAM стала альтернативой памяти с магнитным сердечником, но потребовала шесть МОП-транзисторов для каждый бит данных. ^[15] Коммерческое использование SRAM началось в 1965 году, когда IBM представила свой чип SP95 SRAM для System / 360 Model 95 . ^[7]

Toshiba представила биполярные ячейки памяти DRAM для своего электронного калькулятора Toscal BC-1411 в 1965 году. ^{[16] [17]} Хотя он предлагал улучшенную производительность по сравнению с памятью с магнитным сердечником, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующего в то время магнитного сердечника объем памяти. ^[18] Технология MOS является основой современной памяти DRAM. В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson работал над MOS-памятью. Изучая характеристики технологии МОП, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы.и что сохранение заряда или отсутствие заряда на МОП-конденсаторе может представлять 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может управлять записью заряда в конденсатор. Это привело к его разработке ячейки памяти DRAM с одним транзистором. ^[15] В 1967 году Деннард подал в IBM патент на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на технологии MOS. ^[19] Это привело к первой коммерческой чип DRAM IC, то Intel 1103 , в октябре 1970 года ^{[20] [21] [22]} память с произвольным доступом синхронной динамической (SDRAM) позже дебютировала с Samsung чипом KM48SL2000 в 1992 году ^{[ 23] [24]}

Термин «память» также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти , в частности флэш-памяти . Он возник в постоянной памяти (ПЗУ). Программируемая постоянная память (PROM) была изобретена Вен Цин Чоу в 1956 году, когда он работал в подразделении Arma американской корпорации Bosch Arma Corporation. ^{[25] [26]} В 1967 году Давон Кан и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового МОП- устройства для ячейки перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), что привело к Дову Фроману из Intelизобретение EPROM (стираемый PROM) в 1971 году. ^[27] EEPROM (электрически стираемый PROM) был разработан Ясуо Таруи, Ютакой Хаяши и Киёко Нага в Электротехнической лаборатории в 1972 году. ^[28] Флэш-память была изобретена Фудзио Масуока в Toshiba в начало 1980-х. ^{[29] [30]} Масуока и его коллеги представили изобретение флэш-памяти NOR в 1984 году ^[31], а затем флэш-память NAND в 1987 году. ^[32] Toshiba коммерциализировала флэш-память NAND в 1987 году. ^{[33] [34] [35]}

Развитие технологий и экономия на масштабе сделали возможными компьютеры с так называемой очень большой памятью (VLM). ^[35]

Энергозависимая память [ править ]

Энергозависимая память - это компьютерная память, которой требуется питание для хранения хранимой информации. Самая современная энергозависимая память полупроводников - это статическая RAM ( SRAM ) или динамическая RAM ( DRAM ). SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока подключено питание, и его проще сопрягать, но для этого используется шесть транзисторов на бит. Динамическое ОЗУ сложнее для взаимодействия и управления, требуя регулярных циклов обновления, чтобы предотвратить потерю своего содержимого, но использует только один транзистор и один конденсатор на бит, что позволяет достичь гораздо более высокой плотности и гораздо более низких затрат на бит. ^{[1] [21] [35]}

SRAM не подходит для системной памяти настольных компьютеров, где DRAM доминирует, но используется для их кэш-памяти. SRAM - обычное дело в небольших встроенных системах, которым могут потребоваться всего несколько десятков килобайт или меньше. Технологии энергозависимой памяти, которые пытались составить конкуренцию или заменить SRAM и DRAM, включают Z-RAM и A-RAM .

Энергонезависимая память [ править ]

Энергонезависимая память - это память компьютера, которая может сохранять сохраненную информацию даже при отключении питания. Примеры энергонезависимой памяти включают постоянную память (см. ПЗУ ), флэш-память , большинство типов магнитных компьютерных запоминающих устройств (например, жесткие диски , гибкие диски и магнитную ленту ), оптические диски и ранние компьютерные методы хранения, такие как бумага лента и перфокарты . ^[35]

Скоро энергонезависимые технологии памяти включают FERAM, CBRAM , PRAM , STT-RAM , SONOS , RRAM , беговую память , NRAM , 3D Xpoint и многоножку память .

Полу-энергозависимая память [ править ]

Третья категория памяти - «полу-летучая». Этот термин используется для описания памяти, которая имеет ограниченную длительность энергонезависимой памяти после отключения питания, но затем данные в конечном итоге теряются. Типичная цель при использовании полу-летучей памяти - обеспечить высокую производительность / надежность и т. Д. связаны с энергозависимой памятью, обеспечивая при этом некоторые преимущества настоящей энергонезависимой памяти.

Например, некоторые типы энергонезависимой памяти могут изнашиваться, а «изношенная» ячейка имеет повышенную нестабильность, но в остальном продолжает работать. Таким образом, часто записываемые участки данных можно направить на использование изношенных схем. Пока местоположение обновляется в течение известного времени хранения, данные остаются действительными. Если время удерживания «истекает» без обновления, то значение копируется в менее изношенную схему с более длительным удержанием. Запись в первую очередь в изношенную область обеспечивает высокую скорость записи, избегая при этом износа неизношенных схем. ^[36]

В качестве второго примера, STT-RAM можно сделать энергонезависимым путем создания больших ячеек, но стоимость бита и мощность записи возрастают, а скорость записи снижается. Использование небольших ячеек увеличивает стоимость, мощность и скорость, но приводит к полу-летучему поведению. В некоторых приложениях можно управлять повышенной волатильностью, чтобы обеспечить множество преимуществ энергонезависимой памяти, например, отключив питание, но принудительно пробудив его до потери данных; или путем кэширования данных, доступных только для чтения, и отбрасывания кэшированных данных, если время отключения превышает энергонезависимый порог. ^[37]

Термин полу-летучий также используется для описания полу-летучего поведения, созданного на основе других типов памяти. Например, энергозависимая и энергонезависимая память могут быть объединены, при этом внешний сигнал копирует данные из энергозависимой памяти в энергонезависимую память, но если питание отключается без копирования, данные теряются. Или энергозависимая память с резервным питанием от батареи, и если внешнее питание потеряно, существует некоторый известный период, когда батарея может продолжать питать энергозависимую память, но если питание отключено в течение длительного времени, батарея разряжается и данные теряются. ^[35]

Управление [ править ]

Правильное управление памятью жизненно важно для правильной работы компьютерной системы. Современные операционные системы имеют сложные системы для правильного управления памятью. Невыполнение этого требования может привести к ошибкам, снижению производительности и, в худшем случае, захвату вирусов и вредоносного ПО .

Практически все, что делают программисты, требует от них размышлений о том, как управлять памятью. Даже для сохранения числа в памяти программист должен указать, как память должна его хранить.

Ошибки [ править ]

Неправильное управление памятью - частая причина ошибок, включая следующие типы:

• При арифметическом переполнении вычисление приводит к числу, превышающему разрешенное количество выделенной памяти. Например, 8-битное целое число со знаком позволяет использовать числа от –128 до +127. Если его значение равно 127 и ему дано указание добавить единицу, компьютер не может сохранить число 128 в этом пространстве. Такой случай приведет к нежелательной операции, например к изменению значения числа на -128 вместо +128.
• Утечка памяти возникает , когда программа запрашивает память от операционной системы и никогда не возвращает память , когда это будет сделано с ним. Программа с этой ошибкой будет постепенно требовать все больше и больше памяти, пока программа не выйдет из строя по мере ее завершения.
• Ошибка сегментации возникает, когда программа пытается получить доступ к памяти, к которой у нее нет разрешения. Обычно выполняемая таким образом программа будет завершена операционной системой.
• А переполнение буфера означает , что программа записывает данные в конец своего выделенного пространства , а затем продолжает записывать данные в память , которая была выделена для других целей. Это может привести к неустойчивому поведению программы, включая ошибки доступа к памяти, неверные результаты, сбой или нарушение безопасности системы. Таким образом, они являются основой многих уязвимостей программного обеспечения и могут быть использованы злонамеренно.

Ранние компьютерные системы [ править ]

В ранних компьютерных системах программы обычно указывали место для записи в память и какие данные туда помещать. Это место было физическим местом на реальном оборудовании памяти. Медленная обработка таких компьютеров не позволяла использовать сложные системы управления памятью, используемые сегодня. Кроме того, поскольку большинство таких систем были однозадачными, сложных систем не требовалось.

У этого подхода есть свои подводные камни. Если указанное местоположение неверно, это заставит компьютер записать данные в какую-либо другую часть программы. Результат такой ошибки непредсказуем. В некоторых случаях неверные данные могут привести к перезаписи памяти, используемой операционной системой. Компьютерные взломщики могут воспользоваться этим для создания вирусов и вредоносных программ .

Виртуальная память [ править ]

Виртуальная память - это система, в которой вся физическая память контролируется операционной системой. Когда программе требуется память, она запрашивает ее у операционной системы. Затем операционная система решает, в каком физическом месте разместить код и данные программы.

Это дает несколько преимуществ. Программистам больше не нужно беспокоиться о том, где физически хранятся их данные или будет ли на компьютере пользователя достаточно памяти. Это также позволяет использовать несколько типов памяти. Например, некоторые данные могут храниться в физических микросхемах ОЗУ, в то время как другие данные хранятся на жестком диске (например, в файле подкачки ), функционируя как расширение иерархии кеша.. Это резко увеличивает объем памяти, доступной для программ. Операционная система будет помещать активно используемые данные в физическую оперативную память, которая намного быстрее жестких дисков. Если объема ОЗУ недостаточно для запуска всех текущих программ, это может привести к ситуации, когда компьютер тратит больше времени на перемещение данных из ОЗУ на диск и обратно, чем на выполнение задач; это известно как взбучка .

Защищенная память [ править ]

Защищенная память - это система, в которой каждой программе дается область памяти для использования, и ей не разрешается выходить за пределы этого диапазона. Использование защищенной памяти значительно повышает надежность и безопасность компьютерной системы.

Без защищенной памяти возможно, что ошибка в одной программе изменит память, используемую другой программой. Это приведет к тому, что другая программа запустит поврежденную память с непредсказуемыми результатами. Если память операционной системы повреждена, может произойти сбой всей компьютерной системы, и потребуется перезагрузка . Иногда программы намеренно изменяют память, используемую другими программами. Это делается вирусами и вредоносными программами, чтобы захватить компьютеры. Он также может быть использован желательными программами, которые предназначены для модификации других программ; в современную эпоху это обычно считается плохой практикой программирования для прикладных программ, но может использоваться инструментами разработки системы, такими как отладчики, например, для вставки точек останова или перехватчиков.

Защищенная память присваивает программам собственные области памяти. Если операционная система обнаруживает, что программа пыталась изменить память, которая ей не принадлежит, программа завершается (или иным образом ограничивается или перенаправляется). Таким образом, происходит сбой только программы-нарушителя, и неправильное поведение (как случайное, так и преднамеренное) не затрагивает другие программы.

Системы защищенной памяти почти всегда также включают виртуальную память.

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме компьютерной памяти .

• Геометрия памяти
• Иерархия памяти
• Организация памяти
• Полупроводниковая память
• Единицы информации

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Миллер, Стивен В. (1977), Технология памяти и хранения , Montvale: AFIPS Press

• Память и технология хранения , Александрия, Вирджиния: Time Life Books, 1988