Paměť počítače je
zařízení, které slouží k ukládání programů a dat, s nimiž počítač pracuje.
Paměti lze rozdělit do tří základních skupin:
registry:
paměťová místa na čipu
procesoru,
která jsou používána pro krátkodobé uchování právě zpracovávaných
informací
vnitřní (interní,
operační) paměti:
paměti osazené většinou na
základní desce.
Bývají realizovány pomocí polovodičových součástek. Jsou do nich zaváděny
právě spouštěné programy (nebo alespoň jejich části) a data, se kterými
pracují.
vnější (externí) paměti:
paměti realizované většinou za pomoci zařízení používajících výměnná média
v podobě disků či magnetofonových
pásek. Záznam do externích pamětí se provádí většinou na magnetickém nebo
optickém principu. Slouží pro dlouhodobé uchování informací a zálohování
dat.
Základní parametry
pamětí jsou:
přístupová doba:
doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní
požadovanou informaci
kapacita:
množství informací, které je možné do paměti uložit
přenosová rychlost:
množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času
statičnost / dynamičnost:
statické paměti:
uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji
elektrického napětí
dynamické paměti:
zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k
napájení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neustále periodicky
oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě.
destruktivnost při čtení:
destruktivní při čtení:
přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená
informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána.
nedestruktivní při čtení:
přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní.
energetická závislost:
energeticky závislé:
paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí
energeticky nezávislé:
paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke
zdroji elektrického napájení.
přístup
sekvenční:
před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny
předcházející informace
přímý:
je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci
spolehlivost:
střední doba mezi dvěma poruchami paměti
cena za bit:
cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti
Následující tabulka ukazuje výše popsané tři typy pamětí a jejich
parametry.
registry
vnitřní paměti
vnější paměti
Kapacita
velmi malá
(jednotky bytů)
vyšší (řádově
100 kB - 100MB)
vysoká (řádově
10 MB - 100 GB)
Přístupová doba
velmi nízká
(velmi rychlá paměťová místa)
vyšší (řádově
10 ns)
vysoká (řádově
10 ms - 10 min)
Přenosová rychlost
vzhledem k
malé kapacitě se většinou neuvažuje
vysoká (řádově
1 - 10 MB/s)
nižší než u
vnitřních pamětí (řádově 10 MB/min - 1 MB/s)
Statičnost / dynamičnost
statické
statické i
dynamické
statické
Destruktivnost při čtení
nedestruktivní
destruktivní i
nedestruktivní
nedestruktivní
Energetická závislost
závislé
závislé
nezávislé
přístup
přímý
přímý
přímý i
sekvenční
Spolehlivost
velmi
spolehlivé
spolehlivé
méně
spolehlivé
Cena za bit
vzhledem k
nízké kapacitě vysoká
nižší než u
registrů a vyšší než u vnějších pamětí
vzhledem k
vysoké kapacitě nízká
Vnitřní paměti
Vnitřní paměti je
možné rozdělit do následujících základních skupin:
ROM
PROM
EPROM
EEPROM
Flash
RAM
Paměti ROM (Read
Only Memory)
Paměti ROM jsou
paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do
těchto pamětí pevně zapsány při jejich výrobě a potom již není možné
žádným způsobem jejich obsah změnit. Je to paměť určená pouze ke čtení. Jednotlivé buňky
paměti ROM je možné realizovat pomocí diody nebo tranzistorů, a to jak v
technologii TTL, tak v technologiích MOS.
Paměti PROM (Programable
Read Only Memory)
Paměť PROM
neobsahuje po vyrobení žádnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby
provedl příslušný zápis informace. Tento zápis je možné provést pouze
jednou a poté již paměť slouží
stejně jako paměť ROM.
Paměti EPROM (Eraseable
Programable Read Only Memory)
Paměť, do které může uživatel provést zápis.
Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového záření.
Tyto paměti jsou realizovány pomocí speciálních unipolárních
tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu udržet elektrický náboj
po dobu až několika let. Tento náboj lze vymazat právě působením UV
záření. Paměti EPROM jsou charakteristické malým okénkem v pouzdře
integrovaného obvodu obsahujícího tuto paměť. Pod okénkem je umístěn
vlastní paměťový čip a to je místo, na které směřuje při vymazávání zdroj
UV záření. Při práci bývá tento otvor většinou přelepen ochranným štítkem,
aby nedocházelo ke ztrátám informace vlivem UV záření v ovzduší.
Paměti EEPROM (Electrically
EPROM)
Tento typ paměti má
podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se o paměť, kterou je možné naprogramovat a
později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že
vymazání se provádí elektricky a nikoliv pomocí UV záření, čímž odpadá
nepohodlná manipulace s pamětí při jejím mazání.
Paměti Flash
Flash paměti jsou
obdobou pamětí EEPROM. Jedná se o paměti, které je možné naprogramovat a
které jsou statické a energeticky nezávislé. Vymazání se provádí elektrickou cestou, jejich
přeprogramování je možné provést přímo v počítači. Paměť typu Flash tedy
není nutné před vymazáním (naprogramováním) z počítače vyjmout a umístit
ji do speciálního programovacího zřízení.
Paměť RAM
Random
Acces Memory neboli paměť s možností zápisu i čtení z
libovolného místa je nutnou součástí každého počítače. Veškerá jeho
činnost je řízena programy, které se při běhu do paměti nahrají a za běhu
do paměti ukládají informace a výsledky procesů. Paměť je energeticky
závislá a po vypnutí počítače se celá, až na malou persistentní část maže.
Historie
Paměť typu RAM
nahradila sekvenční paměťová média, hlavně díky možnosti přístupu na
kterékoli místo beze ztráty rychlosti. V prvních generacích počítačů (IBM
SYSTEM 360, u nás JSEP) v letech 1972-1974 byla kapacita vnitřních pamětí
malých a středních počítačů (velikostí sálových počítačů) od 4KB do 2MB.
Minipočítače měly kapacitu pamětí 4 až 8 KB. Jako paměťové médium sloužily
počítačům do 3. generace buď magnetické bubny nebo feritové paměti - tyto
první RAM paměti byly tvořeny feritovými jadérky protkanými drátky a měly
schopnost změnit aktuální stav magnetizace na kterémkoli místě. Magnetická
jádra zvyšovala rychlost, spolehlivost i potenciální kapacitu paměti.
Jejich cena byla nicméně nehorázně vysoká - pohybovala se okolo jednoho
tisíce anglických liber za kB paměti, a to v cenách šedesátých let! Od
roku 1956 se v počítačích začaly prosazovat součástky tvořené tranzistory
a díky nim se mohla velikost počítačů už jen zmenšovat. Paměti se přestaly
vyrábět z feritových jader a s vynálezem integrovaných obvodů u počítačů
4. generace se objevily polovodičové paměti z tranzistorů, jejichž tvůrcem
byl Jack Kilby. Kilbyho ochranné právo však bylo zpochybněno, neboť
mezitím vynalezl Američan Robert Noyce, pracující pro společnost
Fairchild Semiconductor, postup, jak navzájem spojovat stavební prvky čipu
ještě mnohem jednodušším způsobem - technikou tzv. planární difůze. V roce
1964 Gordon Moore formuloval domněnku, že kapacita integrovaných
obvodů se každých 12 až 18 měsíců zdvojnásobí. Tento postulát vešel
později ve známost jako tzv. Mooreův zákon a zatím opravdu platí.
Robert Noyce a Gordon Moore si nicméně pravděpodobně velice padli do oka,
protože se v roce 1968 pustili do společného podnikání a založili Intel
Corporation.
Fyzikální princip
RAM
Paměti jsou složeny z
paměťových buněk integrovaných na jednom kusu křemíku (čipu), které mohou
nabývat stavu 1 nebo 0.
Typy RAM pamětí
RAM se dělí v zásadě na
dva typy:
Dynamické paměti (DRAM) jsou tvořeny miniaturními kondenzátory, které se
ale velmi rychle vybíjejí. Proto musí být tento druh paměti pravidelně
občerstvován (refresh). DRAM jsou i přes potřebu refresh levné a používají
se v modulech s velkou kapacitou, většinou jako hlavní operační paměť
počítače.Jejich přístupová doba je od 60 do 100ns. Běžné velikosti jsou 8,
16, 32, 64, 128MB.
Statické paměti (SRAM) mají buňky tvořeny bistabilními klopnými obvody
rovněž nabývajícími dvou stavů (nula nebo jedna). Výhodou SRAM je
rychlost. Přístupová doba se pohybuje mezi 20 až 30ns. Nevýhodou je vysoká
cena způsobená složitostí obvodu buňky. Rychlá ale drahá SRAM se používá
tam, kde není potřeba velká kapacita, ale spíše rychlost. Z těchto pamětí
jsou složeny chache druhé úrovně (mezi mikroprocesorem a operační pamětí).
Její běžné velikosti jsou 256 a 512KB.
Režimy pamětí RAM
DRAM
režim vydržel dlouhá desetiletí, ale brzy přestala stačit rychlost
těchto modulů.
Byly proto v první polovině 90.let nahrazeny FPM nebo taky FP RAM
FP RAM
(fast page RAM), kterou dnes můžeme najít na základních deskách
podporujících procesory 386,486 a starších deskách pentií. Vybavovací
doba je 60,70,80 nebo 100ns.
EDO RAM
(extended data output) vznikly dalším urychlení FP RAM. Jedná se o
dynamickou paměť, která dovoluje delší přidržení dat na výstupu, což
umožňuje překrývání čtecích impulsů. Během čtení dat je možné připravit
další adresu.
BEDO RAM
(bust EDO RAM) je kombinací technologií Burst a EDO RAM. Tuto
technologii podporují jen některé základní desky pro procesory pentium a
funguje tak, že se místo jedné paměťové adresy načítají najednou čtyři.
SDRAM (synchronous
dynamic RAM) je převratná v tom, že narozdíl od všech předchozích typů
pamětí pracuje přesně podle externího taktu na paměťové sběrnici. Poprvé
se objevila v roce 1996 a postupně vytlačila předchozí EDO RAM. Původní
frekvence byla 66MHz, která se časem zvýšila až na 133MHz, přičemž
nejsou výjimkou ani rychlejší moduly. Podporují ji všechny dnešní
základní desky a procesory počínaje Celerony a Pentii II.
DDR RAM
(double data rate RAM) byla vyvinuta firmou Samsung a pracuje s oběma
hranami taktu sběrnice, takže má teoreticky dvojnásobnou datovou
propustnost. Využívá se hlavně u procesorů firmy AMD. Paměť DDR musí být
podporována systémovou sběrnicí a aby se opravdu využil její potenciál,
musí i procesor umět data "sbírat" DDR způsobem. Procesory Pentium 3
umějí běžet na nejvýše 133MHz sběrnici a proto u nich nemá vůbec smysl
DDR paměti používat - výkon je úplně stejný jako u systému s SDRAM,
protože procesor neumí data paměti dostatečně rychle předávat. DDR
přístup se objevil poprvé u procesorů AMD K7 (Athlon) a později u všech
ostatních procesorů od AMD. Intel u svých Pentii4 primárně podporoval
spíše technologii RDRAM.
RDRAM
(Rambus RAM), byla vyvinuta firmou RAMBUS a vysoké rychlosti dosahuje
extrémním zvýšením frekvence. Výhody RDRAM jsou: desetinásobná
propustnost oproti 66MHz SDRAM, nižší spotřeba, standardizace (Intel
vyrábí čipové sady pro PC s podporou RDRAM). RDRAM se nejlépe využije u
procesoru Pentium 4, který má tzv QDR (quad data rate) sběrnici a
jakékoli jiné paměti by jej brzdily. Díky špatné finanční politice firmy
Rambus a počátečnímu nepoměru mezi cenami RDRAM a DDR (situace se ovšem
mění...)se ale prosadily spíše paměti DDR, které jsou sice pomalejší ale
levnější a výrobci začali vyrábět základní desky pro pentia 4 i s
podporou tohoto pomalejšího standardu
Fyzická organizace
paměti
U prvních počítačů (s
procesory 8086 a 80286) byly paměťové obvody integrovány do pouzder DIP
(dual inline package), které se zasouvaly do patic na základní desce.
SIMM (single inline memory module) má přístupovou dobu kolem 60 až
70ns a kapacity bývají 4,8,16,32 nebo 64MB. S kapacitou úzce souvisí i
paměťová šířka. U velkých kapacit SIMMů není možné, aby se na výstupu
zobrazily všechny datové bity najednou, a proto je paměť rozdělena na
menší kousky. Starší SIMM moduly měly šířku 8 nebo 16 bitů a poslední
modely byly široké 32bitů. SIMMy s osmibitovou šířkou někdy používaly taky
devátý paritní bit, který měl hodnotu jedna, jestliže byl součet ostatních
osmi bitů lichý, a nula, jestliže byl sudý. Pokud se hodnota některého bitu
samovolně změnila, tak počítač podle paritního bitu rozpoznal, že v paměti
nastala chyba. Tato funkce byla však diskutabilní, protože místo mnohdy
neškodné ztráty jednoho bitu se díky kontrole parity zasekl celý počítač.
Parita se používala zřídka u procesorů 486. Starší SIMM moduly měly na
konektoru 30pinů a datovou šířku 8 nebo 16bitů. Později se rozšířily SIMMy
72pinové, přičemž mnoho základních desek pro procesor 486 podporuje oba
typy. ECC (error checking and correcting) je technologie umožňující
chybu zjistit i opravit. Používá se u drahých počítačů, hlavně serverů.
DIMM (dual inline memory module) je vylepšením SIMMu. Paměťové
banky, do nichž se moduly zasouvají, jsou delší a tudíž se do nich vejdou
i delší moduly DIMM, obsahující 168 pinů, což jim dovoluje 64bitovou
komunikaci. Vejde se na nich více paměťových čipů, takže mají větší
kapacitu. DIMMy jsou napájeny napětím 5 nebo 3,3V. Jsou určeny pro
sběrnice pracující na 66 až 133MHz.
RIMM
moduly vypadají podobně jako DIMM, ale mají jiné piny a nedají se zasunout
do patice pro DIMM. Někdy mají navíc speciální tepelný rozptylovač.
Bank je sada patic umístěná na základní desce, do níž se zasunují
moduly SIMM či DIMM. U pentiových základních desek se používají 72pinové
SIMMy a proto má pentiový bank minimálně dvě patice.
U základních desek se 168pinovými banky stačí pouze jedna patice DIMM.
Celková velikost operační paměti je pak rovna součtu velikostí všech
modulů v banku.
Paměti CACHE
1. Softwarová
Odebírá
hlavní paměti určitý malý prostor a používá ji k ukládání dat, které
procesor potřebuje z diskové paměti. Pokud procesor potřebuje data,
prohledává nejdříve takto vytvořenou CACHE. Pokud tam jsou, nejsou
vyhledávána na pomalém disku.
2. Hardwarová
Tyto
paměti jsou umístěny na základní desce PC mezi procesorem a hlavní pamětí.
Jsou klasifikovány jako CACHE druhé úrovně. Vyrovnávají rozdíly v
rychlosti mezi procesorem a hlavní pamětí. Jsou vytvořeny ze statických
polovodičových pamětí SRAM s přístupovou dobou 20 až 25 ns. Není nutno
provádět REFRESH a procesor nemusí zařazovat tzv. čekací cykly. Základní
filozofie je založena na rychlém přístupu k datům. Předpokládá se, že
data, která potřeboval v minulém cyklu, bude využívat i v následujícím
čase. Podle tohoto předpokladu jsou data do paměti CACHE přemísťována
(načítána). O jejich pohybu v paměti CACHE jsou vedeny informace v řadiči
CACHE. Tato filozofie předpokládá asi 90 % úspěšných zásahů v CACHE.
3. Procesorová
Je umístěna přímo v procesoru, na čipu je
implementován také řadič CACHE. Je nejrychlejší, jelikož data nejsou
přenášena po pomalé vnější sběrnici mezi procesorem a pamětí, ale přímo po
vnitřní sběrnici procesoru, např. procesor 486 má CACHE o velikosti 8 kB.
Z praxe procesor 486 SX o 25 MHz je rychlejší než 386 s 33 MHz. Typické je
to rozpoznat např. u WINDOWS, které používají pevný disk jako rozšíření
hlavní paměti. 90 až 95 % zisku rychlosti procesoru se dosáhne prvními 64
kB externí CACHE. U víceúčelových systémů např. NOVELL, UNIX je nutné
alespoň 512 kB externí CACHE.
Pevné disky
Využívají principu magnetizace
materiálu a pracují se dvěma stavy informace - 0, 1.
Princip zápisu:
Cívka, kterou prochází proud, vytváří
magnetické pole, které je vedeno přes jádro zapisovací hlavy v magnetické
vrstvě. V místě štěrbiny prochází magnetické pole na materiál, magnetizuje
ho. Směr magnetizace závisí na směru zápisového proudu. Velikost
zmagnetování závisí na šířce štěrbiny.
Princip čtení:
Je založeno na principu
elektromagnetické indukce. Na vývodech cívky, která se nachází v
magnetickém poli, lze naměřit napětí vždy ve chvíli, kdy se toto pole
mění. Tzn. při přechodu 0 na 1 a z 1 na 0 se indukuje v cívce napětí. Z
tohoto napětí se získává (odvozuje) zapsaná informace.
Paměťové médium se skládá z nosné části
(disk) a z citlivé vrstvy (oxid kovu). Disková jednotka je zařízení, které
umožňuje operačnímu systému využívat paměťové médium pro zápis a čtení.
Skládá se: disk s vrstvou citlivého materiálu, synchronní motorek,
vystavovací mechanismus, čtecí a záznamové hlavy. Hlavičky jsou přemísťovány
pomocí motorku nad definovaná místa nad diskem. Pro vystavení se používají
dva různé mechanismy:
- krokové motorky - systém nemá
naváděcí mechanismus, má jen indikátor stopy 0. Při vyhledávání najede
nejprve na stopu 0 a pak krok po kroku k vyhledávané stopě.
- lineární motorek - je používanější,
rychlý a přemísťuje hlavy na základě informací, které jsou uvedeny na
pevném disku.
Základní
pojmy:
Cylindr
je souhrn všech stop daného čísla na všech površích.
Sektor
je oblast disku vytvořená při fyzickém formátování.
Stopa
- každá strana je rozdělena do soustředných stop.
IBM formát pro sektor má velikost 512
B.
DOS
organizuje data po sektorech. Disky jsou rozděleny do absolutních sektorů
a sektory jsou spojovány do clusteru (alokační jednotky paměťového
prostoru).
1.Master Boot Record - obsahuje
informace o rozdělení disku, zaváděcí instrukce, cylindry, které obsahují
operační systém
2. FAT
3. Alokace
4. Soubor
6. Kořenový adresář
Disketa
- tenká plastová
podložka s magnetickým povrchem chráněná pouzdrem
- 5 1/4" = - již se nepoužívá
- 3 1/2" <- běžně používána
- oba typy se dělí podle
hustoty zápisu na DD a HD
5 1/4" 3 1/2"
DD 360 KB
720 KB
HD 1,2 KB 1,44
KB
- dále se ještě oba typy
dělí na SS (single side - jednostranná) a DS (double side - dvoustranná)
- nevýhody: malá kapacita, malá
spolehlivost, dlouhá přístupová doba
- dnes jsou tyto média
často nahrazovány CD-RW (700 MB)
Důležité pojmy související s pamětí
CMOS - paměť s velmi nízkou spotřebou
el. energie (digitálky, kalkulačky...)