Paměťi počítače
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 používaná 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:
· kapacita: množství informací, které je možné do paměti uložit
· přístupová doba: doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci
· přenosová rychlost: množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času
· statičnost / dynamičnost:
o statické paměti: uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí
o 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:
o destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána.
o nedestruktivní při čtení: přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní.
· energetická závislost:
o energeticky závislé: paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí
o energeticky nezávislé: paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení.
· přístup
o sekvenční: před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace
o 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 – 100 MB) vysoká (řádově 10 MB - 10 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
Organizace pamětí v PC
První počítače PC používaly operační paměť osazenou pomocí jednotlivých integrovaných obvodů, z nichž každý měl šířku přenosu 1 bit nebo čtveřici bitů (tzv. nibble - nibble oriented memory). Vzhledem k tomu, že tyto počítače byly nejčastěji postaveny na bázi procesoru 8088, který měl 8bitovou datovou sběrnici, bylo nutné, aby byl vždy osazen zároveň patřičný počet paměťových obvodů. Paměťové obvody byly dodávány v pouzdrech DIP, osazovaly se přímo do odpovídajících patic na základní desce a měly kapacitu 256 kb (popřípadě 256 knibbles). V závislosti na typu základní desky se používaly dva způsoby realizace:
· bezparitní:
Organizace 8 x 256 kb Organizace 2 x 256 knibble
· Při tomto způsobu jsou paměťové obvody zapojeny přímo k datové sběrnice procesoru. Je použito osm obvodů s šířkou přenosu jeden bit nebo dva obvody s šířkou přenosu jeden nibble. Není zde použito žádného zabezpečení pro případ, že by se informace v paměti poškodila (např. vadná paměť, závada na základní desce).
· paritní:
Organizace 9 x 256 kb Organizace 2 x 256 knibble + 1 x 256 kb
· Toto zapojení používá v obou případech navíc jeden paměťový obvod s šířkou přenosu 1 bit, do kterého se ukládá pro každých osm bitů jeden bit paritní. Pří zápisu do paměti je pomocí generátoru parity vygenerován paritní bit. Paritní bit je generován tak, že ukládaná 8bitová informace se doplní buď na sudý počet jedniček (sudá parita), nebo na lichý počet jedniček (lichá parita). Tento jeden bit je uložen do posledního paměťového obvodu. Při čtení z paměti se pak přečte všech devět bitů a provede se kontrola, zda uložená informace odpovídá uloženému paritnímu bitu. Pokud kontrola nedopadne správně, je zřejmé, že došlo k poškození informace uložené v paměti a práce počítače je zastavena.
Zapojení 2 x 256 knibble + 1 x 256 kb
Tento způsob organizace operační paměti se používal hlavně u počítačů řady PC a PC/XT. Je možné se s ním setkat i u prvních počítačů řady PC/AT osazené procesorem 80286.
Se vzrůstající kapacitou operační paměti přichází další způsob její organizace, který dovoluje její snadnější rozšiřování a také větší kapacitu. Paměti jsou integrovány na miniaturních deskách plošného spoje označovaných jako SIMM(Single Inline Memory Module), které jsou potom jako celek osazovány do odpovídajících konektorů na základní desce (popř. jiných zařízení využívajících ke své činnosti paměť). Tyto moduly jsou vyráběny ve dvou variantách:
· 30-pin SIMM: používaný u většiny počítačů s procesory 80286, 80386SX, 80386 a některých 80486. Mají 30 vývodů a šířku přenosu dat 8 bitů (bezparitní SIMM) nebo 9 bitů (paritní SIMM). Jsou vyráběny s kapacitami 256 kB, 1 MB a 4 MB.
Paměťový modul SIMM (30-pin)
· 72-pin SIMM (PS/2 SIMM): používaný u počítačů s procesory 80486 a vyššími. PS/2 SIMMy mají 72 vývodů, šířku přenosu dat 32 bitů (bezparitní SIMM) nebo 36 bitů (paritní SIMM - pro každý byte jeden paritní bit). Jsou vyráběny s kapacitami 4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB.
Paměťový modul SIMM (72-pin)
Paměťové moduly SIMM
Paměťové moduly osazené ve svých konektorech Pozice pro paměťové moduly SIMM
Kromě modulů SIMM se ještě u některých dřívějších počítačů s procesory 80286 a 80386 používaly moduly SIPP (Single Inline Pin Package). Jedná se o moduly velmi podobné modulům 30-pin SIMM. Moduly SIPP mají stejný počet stejně rozmístěných vývodů. Jediný rozdíl je ve tvaru vývodů, které jsou tvořeny malými špičkami (piny).
Paměťový modul SIPP (30-pin)
Posledním dnes vyráběným typem paměťových modulů jsou paměťové moduly typu DIMM (Dual Inline Memory Module). Jedná se podobně jako v případě modulů SIMM o malou desku plošného spoje s osazenými paměťovými obvody. Moduly DIMM mají 168 vývodů a šířku přenosu 64 bitů. Vyrábějí se s kapacitami 16 MB, 32 MB a 64 MB.
Paměťové moduly DIMM
Paměťové banky (Memory banks)
Pokud jsou paměti do počítače přidávány (odebírány), je nutné, aby se tak dělo pouze v rámci paměťových banků. Paměťový bank je tedy nejmenší jednotka paměti, která může být do počítače přidána, popř. z počítače odebrána.
U počítačů s procesory 8088 je tento bank tvořen 8 (poř. 9) paměťovými čipy nebo dvojicí nibble oriented čipů (popř. s jedním jednobitovým čipem pro paritní bit). U počítačů používajících moduly SIMM (SIPP) je velikost jednoho banku závislá na šířce datové sběrnice procesoru. Je nutné, aby šířka přenosu dat modulů v jednom banku byla stejná jako šířka datové sběrnice procesoru.
Procesor Šířka datové sběrnice Velikost banku pro 30-pin SIMM Velikost banku pro 72-pin SIMM Velikost banku pro DIMM
80286 16 bitů 2 moduly nepoužívá se nepoužívá se
80386SX 16 bitů 2 moduly nepoužívá se nepoužívá se
80386 32 bitů 4 moduly nepoužívá se nepoužívá se
80486 32 bitů 4 moduly 1 modul nepoužívá se
Pentium 64 bitů nepoužívá se 2 moduly 1 modul
Pentium Pro 64 bitů nepoužívá se 2 moduly 1 modul
Pentium II 64 bitů nepoužívá se 2 moduly 1 modul
Stav čekání (Wait State)
Paměť musí být schopna reagovat na požadavky procesoru během dvou taktů hodin (takt hodin je převrácená hodnota frekvence procesoru). Kromě přístupové doby mají paměti DRAM používané jako operační paměť ještě tzv. nabíjecí dobu.
Příklad: Mějme počítač s procesorem o frekvenci 66 MHz => 1 takt hodin je 15 ns => 2 takty hodin jsou 30 ns => jsou potřeba paměti DRAM s přístupovou dobou dobou 30 ns. Takto rychlé paměti DRAM však neexistují. DRAM paměti jsou vyráběny s přístupovou dobou 60 - 70 ns. Proto je nutné v tomto případě při každém přístupu do paměti přidat dva čekací takty (celkem 4 takty = 60 ns), kdy procesor nebude dělat nic, ale bude čekat na pomalejší operační paměť. Pokud tuto úvahu provedeme opačným směrem, tj. 60 ns = frekvenci 16,6 MHz, zjistíme, že tímto řešením sice počítač bude pracovat, ale jeho výkon je při přístupech do paměti degradován na procesor s frekvencí 16,6 MHz.
Řešení:
· Rychlejší paměti DRAM? Neexistují.
· Použít místo pamětí DRAM paměti SRAM? Příliš drahé.
Proto v současných moderních počítačích se používají tzv.cache paměti.
Vnitřní paměti
Interní paměti jsou zapojeny jako matice paměťových buněk. Každá buňka má kapacitu jeden bit. Takováto buňka tedy může uchovávat pouze hodnotu logická jedna nebo logická 0.
Obecná struktura vnitřní paměti.
Struktura vnitřní paměti
Při přístupu do paměti (čtení nebo zápis) je vždy udána adresa paměťového místa, se kterým se bude pracovat. Tato adresa je přivedena na vstup dekodéru. Dekodér pak podle zadané adresy vybere jeden z adresových vodičů a nastaví na něm hodnotu logická 1. Podle toho, jak jsou zapojeny jednotlivé paměťové buňky na příslušném řádku, který byl vybrán dekodérem, projde resp. neprojde hodnota logické jedničky na datové vodiče. Informace je dále na koncích datových vodičů zesílena zesilovačem. V případě, že hodnota logická jedna projde přes paměťovou buňku, obdržíme na výstupu hodnotu bitu 1. V opačném případě je na výstupu hodnota bitu 0.
Zcela analogický je postup i při zápisu hodnoty do paměti. Opět je nejdříve nutné uvést adresu paměťového místa, do kterého se bude zapisovat. Dekodér vybere adresový vodič příslušný zadané adrese a nastaví na něj hodnotu logická 1. Dále se nastaví hodnoty bitů b1 až b4 na hodnoty, které se budou do paměti ukládat. Tyto hodnoty jsou potom uloženy do paměťových buněk na řádku odpovídajícím vybranému adresovému vodiči.
Vnitřní paměti je možné rozdělit do následujících základních skupin:
· ROM
· PROM
· EPROM
· EEPROM
· Flash
· RAM
o DRAM
o SRAM
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. Jedná se tedy o statickou, energicky nezávislou paměť určenou pouze ke čtení. Při výrobě tohoto typu paměti se používá nejčastěji některé z následujících realizací paměťových buněk.
Paměťová buňka paměti ROM může být realizována jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu.
Realizace buňky paměti ROM pomocí polovodičové diody
V prvním případě nemůže žádným způsobem hodnota logická jedna přejít z adresového vodiče na vodič datový. Jedná se tedy o buňku, ve které je permanentně uložena hodnota 0. V případě druhém hodnota logická 1 přejde z adresového vodiče přes polovodičovou diodu na vodič datový. Toto zapojení představuje tedy paměťovou buňku s hodnotou 1. Dioda je zapojena tak, aby hodnota logická 1 mohla přejít z adresového vodiče na datový, ale nikoliv v opačném směru, což by vedlo k jejímu šíření po velké části paměti.
Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS. Její realizace v technologii TTL je uvedena na následujícím obrázku.
Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru v technologii TTL
V tomto případě je na datový vodič neustále přiváděna hodnota logická 1. Pokud dojde k vybrání adresového vodiče a tím k umístění hodnoty logická jedna na tento vodič, tak v případě, že je tranzistor T spojen s tímto adresovým vodičem, dojde k jeho otevření a tím k propojení datového vodiče se zemí. Na takto propojeném datové vodiči se potom objeví hodnota logická 0 a tato buňka představuje uložení hodnoty bitu 0. U buněk, jejichž tranzistor není spojen s adresovým vodičem, nemůže nikdy dojít k otevření tohoto tranzistoru a tím ani ke spojení datového vodiče se zemí. V této buňce je tedy neustále uložena hodnota 1.
Zcela analogicky pracuje i buňka paměti ROM zapojená pomocí tranzistorů v některé z technologií MOS.
Realizace paměťové buňky ROM pomocí tranzistoru v technologii MOS
Tranzistory připojené k napájecímu vodiči plní pouze úlohu rezistorů podobně jako u buňky v předešlém případě. Samotná buňka pracuje na stejném principu, který byl popsán u buňky v technologii TTL.
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 PROM představují statické a energicky nezávislé paměti.
Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chrómu (NiCr). Takto vyrobená paměť obsahuje na začátku samé hodnoty 1.
Realizace paměťové buňky PROM pomocí diody
Zápis informace se provádí vyšší hodnotou elektrického proudu (cca 10 mA), která způsobí přepálení tavné pojistky a tím i definitivně zápis hodnoty 0 do příslušné paměťové buňky.
Paměti typu PROM se také realizují pomocí bipolárních multiemitorových tranzistorů, jak je uvedeno na následujícím obrázku
Realizace paměťové buňky PROM pomocí multiemitorových tranzistorů
Takto realizovaná paměť PROM obsahuje pro každý adresový vodič jeden multiemitorový tranzistor. Každý z těchto tranzistorů obsahuje tolik emitorů, kolik je datových vodičů. Při čtení z paměti je opět na příslušný adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí, že tranzistor se otevře a ve směru kolektor emitor začne procházet elektrický proud. Jestliže je tavná pojistka průchozí, procházející proud otevře tranzistor, který je zapojen jako invertor, a na výstupu je přečtena hodnota 0. Jestliže tavná pojistka byla při zápisu přepálena, tzn. je neprůchozí, nedojde k otevření tranzistoru a na výstupu je přečtena hodnota 1.
Paměť PROM pracující na tomto principu má po svém vyrobení ve všech buňkách zapsánu hodnotu 0 a při jejím programování se do některých buněk přepálením tavné pojistky zapíše hodnota 1.
Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory)
Paměť EPROM je statická energeticky nezávislá 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.
Zapojení jedné buňky paměti EPROM je podobné jako u paměti EEPROM (viz dále).
Paměti EEPROM (Electrically EPROM)
Tento typ paměti má podobné chování jako paměti EPROM, tj. jedná se o statickou nezávislou 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.
Při výrobě pamětí EEPROM se používá speciálních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Jedná se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě je nanesena vrstva nitridu křemíku (Si3N4) a pod ní je umístěna tenká vrstva oxidu křemičitého (SiO2). Vlastní buňka paměti EEPROM pak pracuje na principu tunelování (vkládání) elektrického náboje na přechod těchto dvou vrstev.
Realizace buňky paměti EEPROM pomocí tranzistoru MNOS
Při zápisu dat se přivede na příslušný adresový vodič záporné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se má zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm náboj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen.
Vymazání paměti se provádí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný náboj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť vymazána.
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.
Paměti RAM
Paměti RAM jsou určeny pro zápis i pro čtení dat. Jedná se o paměti, které jsou energeticky závislé. Podle toho, zda jsou dynamické nebo statické, jsou dále rozdělovány na:
· DRAM - Dynamické RAM
· SRAM - Statické RAM
Paměti SRAM (Static Random Access Memory)
Paměti SRAM uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0.
Realizace jedné buňky SRAM v technologii MOS
U SRAM pamětí se používá dvou datových vodičů. Vodič Data je určený k zápisu do paměti. Vodič označený jako \Data se používá ke čtení. Hodnota na tomto vodiči je vždy opačná než hodnota uložená v paměti. Takže na konci je nutno ji ještě negovat. Při zápisu se na adresový vodič umístí hodnota logická 1. Tranzistory T1 a T2 se otevřou. Na vodič Data se přivede zapisovaná hodnota (např. 1). Tranzistor T1 je otevřen, takže jednička na vodiči Data otevře tranzistor T4 a tímto dojde k uzavření tranzistoru T3. Tento stav obvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměti. Zcela analogicky tato buňka pracuje i při zápisu hodnoty 1. Rozdíl je pouze v tom, že tranzistor T4 zůstane uzavřen a to způsobí otevření tranzistoru T3.
Při čtení je opět na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, což opět způsobí otevření tranzistorů T1 a T2. Jestliže byla v paměti zapsána hodnota 1, je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0). Tuto hodnotu obdržíme na vodiči \DATA. Opět zcela analogicky v případě uložené hodnoty 0, kdy tranzistor T4 je uzavřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 1).
Poznámka: Tranzistory T5 a T6 plní pouze funkcí rezistorů.
Paměti SRAM je možné uskutečnit i v technologii TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v technologii MOS.
Realizace jedné buňky paměti SRAM v technologii TTL
Paměti SRAM jsou výhodné zejména pro svou nízkou přístupovou dobu(15 - 20 ns). Jejich nevýhodou je naopak vyšší složitost a z toho plynoucí vyšší výrobní náklady. V současné době jsou paměti SRAM používány především pro realizaci pamětí typu, jejichž kapacita je ve srovnání s operační pamětí několikanásobně nižší.
Paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory)
V paměti DRAM je informace uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k tomuto vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět tzv. refresh, tj. oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady.
Realizace jedné buňky paměti DRAM v technologii TTL
Při zápisu se na adresový vodič přivede hodnota logická 1. Tím se tranzistor T otevře. Na datovém vodiči je umístěna zapisovaná hodnota (např. 1). Tato hodnota projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenzátor. V případě zápisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenzátoru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1).
Při čtení je na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí otevření tranzistoru T. Jestliže byl kondenzátor nabitý, zapsaná hodnota přejde na datový vodič. Tímto čtením však dojde k vybití kondenzátoru a zničení uložené informace. Jedná se tedy o buňku, která je destruktivní při čtení a přečtenou hodnotu je nutné opět do paměti zapsat.
Buňka paměti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady. Díky těmto vlastnostem je používána k výrobě operačních pamětí. Její nevýhodou je však vyšší přístupová doba (60 - 70 ns) způsobená nutností provádět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenzátoru.
Externí paměťová média
Data a programy, se kterými uživatel na počítači pracuje, je nezbytné uchovávat na nějakých paměťových médiích. Standardně je proto každý počítač vybaven mechanikou pružných disků a pevným diskem (kromě prvních PC a PC/XT). Disketová mechanika slouží k záznamu dat na pružný (floppy) disk. Jedná se o přenosné médium, které má však pro dnešní účely poměrně malou kapacitu (disketa 31/2 má kapacitu 1,44 MB) a poskytuje poměrně nízkou přenosovou rychlost.
Naopak pevný disk má vysokou kapacitu, poskytuje vysokou přenosovou rychlost, ale jde o nepřenosné médium, které je pevně osazeno v počítači. Pevný disk tedy slouží k ukládání dat a programů, se kterými na počítači momentálně pracujeme, a jen výjimečně slouží k přenosu dat mezi dvěma počítači.
Protože, jak bylo uvedeno výše, disketová mechanika pro přenos většího objemu dat není vhodná, vzniká poměrně velké množství jiných paměťových médií určených zejména jako přenosná média s větší kapacitou a vyšší přenosovou rychlostí, než má floppy disk.
Mezi základní parametry každého takového média patří:
Parametr Vysvětlení Rozsah
Kapacita Maximální množství dat, které je možné na dané médium zaznamenat 1 MB - 10 GB
Přenosová rychlost Množství dat, které je možné z média přenést do počítače za jednotku času 10 MB/min - 1 MB/s
Přístup k datům Způsob, kterým je možné přistupovat k datům Sekvenční, přímý
Připojení k počítači Rozhraní, řadič, pomocí kterého je možné čtecí (zapisovací) mechaniku pro dané médium připojit k počítači EIDE, SCSI, řadič pružných disků, paralelní port
Princip záznamu Způsob, kterým se jednotlivé bity na médium zaznamenávají magnetický, optický, magnetický s optickým naváděním hlav
Provedení čtecí jednotky Čtecí jednotka může být umístěna uvnitř skříně počítače (interní), nebo naopak je umístěna ve vlastní skříni vně počítače (externí). Externí, interní
Pořizovací cena Cena čtecí (zapisovací) mechaniky pro dané médium 1000 Kč - 10000 Kč
Cena za bit Poměr ceny za jedno médium ku kapacitě média
Spolehlivost Střední doba mezi poruchami roky
Cache paměti
Cache paměť je rychlá vyrovnávací paměť mezi rychlým zařízením (např. procesor) a pomalejším zařízením (např. operační paměť). V dnešních počítačích se běžně používají dva druhy cache pamětí:
· externí (sekundární, L2) cache:
Externí cache paměť je paměť, která je umístěna mezi pomalejší operační pamětí a rychlým procesorem. Tato paměť je vyrobena jako rychlá paměť SRAM a slouží jako vyrovnávací paměť u počítačů s výkonným procesorem, které by byly bez ní operační pamětí velmi zpomalovány. První externí cache paměti se objevují u počítačů s procesorem 80386. Jejich kapacita je 32 kB popř. 64 kB. S výkonnějšími procesory se postupně zvyšuje i kapacita externích cache pamětí na 128 kB, 256 kB, 512 kB. Externí cache paměť je osazena na základní desce počítače (výjimku tvoří procesory Pentium Pro a Pentium II, které mají externí cache paměť integrovánu v pouzdře procesoru). Její činnost je řízena řadičem cache paměti.
· interní (primární, L1) cache:
Interní cache paměť je paměť, která slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných procesorů a pomalejších pamětí. Tento typ cache paměti je integrován přímo na čipu procesoru a je také realizován pomocí paměti SRAM. Interní cache paměť se objevuje poprvé u procesoru 80486 s kapacitou 8 kB. Takovýto procesor musí mít v sobě integrován také řadič interní cache paměti pro řízení její činnosti.
Schéma zapojení interní a externí cache paměti
Práce cache paměti vychází ze skutečnosti, že program má tendenci se při své práci určitou dobu zdržovat na určitém místě paměti, a to jak při zpracování instrukcí, tak při načítání (zapisování) dat z (do) paměti. Je-li požadována nějaká informace z paměti, je nejdříve hledána v cache paměti (interní, pokud existuje, a následně v externí). Pokud požadovaná informace není přítomna v žádné z cache pamětí, je zavedena přímo z operační paměti. Kromě momentálně požadované informace se však do cache paměti zavede celý blok paměti, takže je velká pravděpodobnost, že následně požadované informace již budou v cache paměti přítomny. Pokud dojde k zaplnění cache paměti a je potřeba zavést další blok, je nutné, aby některý z bloků cache paměť opustil. Nejčastěji se k tomuto používá LRU (Least Recently Used) algoritmu, tj. algoritmu, který vyřadí nejdéle nepoužívaný blok.
Cache paměti bývají organizovány jako tzv. asociativní paměti. Asociativní paměti jsou tvořeny tabulkou (tabulkami), která obsahuje vždy sloupec, v němž jsou umístěny tzv. tagy (klíče), podle kterých se v asociativní paměti vyhledává. Dále jsou v tabulce umístěna data, která paměť uchovává, a popř. další informace nutné k zajištění správné funkce paměti. Např.:
· informace o platnosti (neplatnosti) uložených dat
· informace pro realizaci LRU algoritmu
· informace protokolu MESI (Modified Exclusive Shared Invalid), který zajišťuje synchronizaci dat v cache pamětech v případě, že cache pamětí je v počítači více (u interních cache pamětí v okamžiku, kdy počítač obsahuje více procesorů).
Při přístupu do cache paměti je nutné zadat adresu, z níž data požadujeme. Tato adresa je buď celá, nebo její část považovaná za tag, který se porovnává s tagy v cache paměti.
Cache paměti jsou konstruovány jedním ze tří způsobů.
· plně asociativní:
Schéma funkce plně asociativní cache paměti
· U plně asociativní cache paměti je celá adresa, ze které se budou číst data (popř. na kterou se budou data zapisovat), brána jako tag. Tento tag je přiveden na vstup komparátorů (zařízení realizující porovnání dvou hodnot) společně s tagem v daném řádku tabulky. Pokud některý z tagů v tabulce je shodný se zadaným tagem na vstupu, ohlásí odpovídající komparátor shodu a znamená to, že požadovaná informace je v cahe paměti přítomna a je možné ji použít. Pokud všechny komparátory signalizují neshodu, je to známka toho, že požadovaná informace v cache paměti není a je nutné ji zavést odjinud (externí cache paměť, operační paměť).
· Tento způsob cache paměti má své nevýhody:
1. Je nutné velké množství komparátorů
2. Vzhledem k tomu, že se musí v každém řádku tabulky uchovávat celý tag, musí mít cache paměť velkou kapacitu, do které se tyto tagy ukládají a kterou není možné využít k uchovávání dat.
Z těchto důvodů se plně asociativní paměti prakticky nepoužívají.
· n-cestně asociativní:
Schéma funkce n-cestně asociativní cache paměti (n=2)
· N-cestně asociativní paměti pracují tak, že zadaná adresa se rozdělí na dvě části:
o tag
o adresa třídy
Adresa třídy je přivedena na n dekodérů (zařízení, které na základě vstupní hodnoty vybere jeden ze svých výstupů, na který umístí hodnotu log. 1, a na ostatní výstupy umístí hodnotu log. 0), které v každé tabulce vyberou jeden řádek. Z těchto řádků se potom vezmou příslušné tagy a komparátorem se porovnají se zadaným tagem. Podobně jako u plně asociativních cache pamětí pokud jeden z komparátorů signalizuje shodu, je informace v cache paměti přítomna. V opačném případě je nezbytné informaci hledat jinde.
N-cestně asociativní paměti částečně eliminují nevýhody plně asociativních cache pamětí a v současnosti jsou nejpoužívanějším typem cache pamětí.
· přímo mapovaná:
Schéma funkce přímo mapované cache paměti
· Přímo mapovaná cache paměť je speciální případ n-cestně asociativní cache paměti pro n=1. Zadaná adresa je opět rozdělena na tag a adresu třídy. Adresa třídy je přivedena na vstup dekodéru, který podle ní vybere jeden řádek v tabulce. Tag na tomto řádku je následně porovnán se zadaným tagem, čímž se rozhodne o přítomnosti resp. nepřítomnosti informace v cache paměti.
· Přímo mapovaná cache ve srovnání s n-cestně asociativní cache pamětí vykazuje nižší výkon, a proto její použití není dnes příliš časté.
Konkrétním příkladem cache paměti může být například interní cache paměť procesoru 80486, která je realizována jako 4-cestně asociativní cache paměť.
Schéma funkce interní cache paměti procesoru 80486 (4-cestně asociativní)
Adresa je rozdělena na tři části:
· Tag - horních 21 bitů
· Adresa třídy - 7 bitů => 128 řádků tabulky
· Slabika - dolní 4 bity
Adresa třídy je přivedena na dekodér, který vybere jeden řádek. Zadaný tag je dále komparátorem porovnán proti 4 tagům ve vybraném řádku. Pokud jeden z komparátorů ohlásí shodu, provede se výběr dat v datové části paměti. Datová část obsahuje v každém sloupci 16B, ze kterých je pomocí dolních 4 bitů zadané adresy vybrán jeden požadovaný byte.
Každý řádek cache paměti ještě obsahuje jeden bit, který říká, zda informace v daném sloupci jsou platné, a 3 bity pro realizaci pseudo-LRU algoritmu. Pomocí tří bitů nelze vždy určit nejdéle nepoužívaný blok cache paměti. Tento algoritmus je však jednoduchý a rychlý a díky tomu poskytuje dostatečný výkon.
Podle způsobu práce při zapisování dat lze cache paměti ještě rozdělit do dvou skupin:
· write-through: cache paměti, u kterých v případě zápisu procesoru do cache paměti dochází okamžitě i k zápisu do operační paměti. Procesor tak obsluhuje jen zápis a o další osud dat se stará cache paměť.
· write-back: cache paměti, u nichž jsou data zapisována do operační paměti až ve chvíli, kdy je to třeba, a nikoliv okamžitě při jejich změně. K zápisu dat do operační paměti tedy dochází např. v okamžiku, kdy je cache zcela zaplněna a je třeba do ní umístit nová data. Tento způsob práce cache paměti vykazuje oproti předešlému způsobu vyšší výkon.
Poznámka: Kromě externích a interních cache pamětí je možné se setkat i se specializovanými cache paměťmi umístěnými mezi operační paměť a některé pomalejší zařízení (pevný disk, apod.).
CMOS paměť
Paměť s malou kapacitou sloužící k uchování údajů o nastavení počítače a jeho hardwarové konfiguraci. Tato paměť je energeticky závislá, a proto je nutné ji zálohovat pomocí akumulátoru umístěného většinou na základní desce, aby nedošlo ke ztrátě údajů v ní uložených.
V CMOS paměti bývají většinou uloženy:
· informace o typech a kapacitách jednotek pružných disků
· informace o typech, kapacitách a parametrech pevných disků
· typ používané video karty
· kapacita operační paměti
· nastavení parametrů cache paměti
· pořadí jednotek pro zavádění operačního systému
· povolení / zakázání různých funkcí základní desky:
o využívání interní a externí cache paměti
o antivirová ochrana systémových oblastí disků
o prohození pořadí jednotek pružných disků
o stínování určitých částí paměti (zavádění programového vybavení z pomalejší ROM paměti do rychlejší paměti RAM)
o činnosti rozhraní pružných a pevných disků
o činnosti vstup / výstupních portů
· nastavení rychlosti repetice klávesnice
· nastavení parametrů přenosu informací z pevných disků
· nastavení parametrů pro režim s úsporou elektrické energie
· nastavení přiřazení IRQ úrovní
· nastavení hesla k programu SETUP, popř. k celému počítači
Tyto parametry se nastavují většinou pomocí programu zvaného SETUP. SETUP bývá uložen nejčastěji v permanentní paměti počítače, která bývá realizována jako EPROM (u starších počítačů) nebo jako (u novějších počítačů). Špatné nastavení výše zmíněných parametrů může způsobit výrazné snížení výkonu celého počítače, až nefunkčnost některých jeho částí, popř. nefunkčnost celého počítače.
Vzhledem k tomu, že tyto informace jsou pro počítač velmi důležité a jejich špatné hodnoty mohou být příčinou výše zmíněných problémů, není žádoucí, aby k nim měl přístup kdokoliv. Proto při přístupu do programu SETUP a tím i ke změnám parametrů v CMOS paměti je možné požadovat heslo.
PŘIDEJTE SVŮJ REFERÁT
Tisknout -
Poslat(@) -
Stáhnout -
Uložit->Moje referáty -
Přidat referát