Как работают запоминающие устройства – полное руководство по структуре и принципам действия

Всему свое место. Как классифицируют память по ее роли и расположению

Чтобы понять мир запоминающих устройств (ЗУ), нужно сперва взглянуть на него с высоты птичьего полета. Вся память в любой вычислительной системе выстроена в строгую иерархию, где у каждого типа — своя уникальная роль, скорость и цена. Ключевых подходов к классификации два: по местоположению в архитектуре компьютера и по функциональному назначению.

По расположению память делится на внутреннюю (расположенную непосредственно на материнской плате и доступную процессору напрямую) и внешнюю (подключаемые накопители). Однако более детальную картину дает классификация по назначению, которая напоминает организацию человеческой памяти:

• Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ): Это регистры процессора. Самая быстрая, но и самая малая по объему память. Аналог — мысли в голове, которые доступны мгновенно для оперирования прямо сейчас.
• Оперативные ЗУ (ОЗУ): Основная рабочая область компьютера, где хранятся запущенные программы и данные, с которыми они работают. Это как рабочий стол: все нужные инструменты и документы под рукой, но их количество ограничено.
• Постоянные ЗУ (ПЗУ): Память, из которой можно только читать (или запись в которую сильно затруднена). В ней хранятся микропрограммы, необходимые для запуска компьютера, например BIOS. Она энергонезависима.
• Внешние ЗУ (ВЗУ): Жесткие диски, SSD, флешки. Это наш библиотечный архив — огромный объем данных, доступ к которым значительно медленнее, чем к ОЗУ.
• Буферные ЗУ (БЗУ): Особый тип памяти, который выступает в роли скоростного посредника. Буферное ЗУ — это критически важное согласующее звено, которое позволяет эффективно обмениваться информацией между быстрыми и медленными устройствами, например, между процессором и жестким диском, сглаживая разницу в их производительности.

Магия в кремнии. Какие физические принципы лежат в основе хранения данных

Мы разобрались с функциональными ролями, но как неодушевленный предмет может что-то «помнить»? В основе работы любого запоминающего устройства лежит простой, но фундаментальный принцип: для хранения информации нужна физическая система, которую можно привести как минимум в два устойчивых состояния. Одно состояние кодирует логический ноль, другое — логическую единицу.

В зависимости от того, какой именно физический эффект используется для создания и поддержания этих состояний, ЗУ можно разделить на три большие группы:

1. Полупроводниковые: Это основа современной оперативной (ОЗУ) и постоянной (ПЗУ) памяти. Принцип действия основан на способности полупроводниковых структур накапливать и хранить электрический заряд или поддерживать одно из двух стабильных состояний электронной схемы (триггера).
2. Магнитные: Классический пример — жесткие диски (HDD) и магнитные ленты. Информация записывается путем намагничивания крошечных участков (доменов) на поверхности носителя. Направление вектора намагниченности определяет, хранится в домене ноль или единица.
3. Оптические: К этому типу относятся CD, DVD и Blu-ray диски. Запись происходит путем изменения отражающей способности поверхности диска — лазер создает на дорожке участки с разной отражающей способностью (питы и ленды), которые при считывании интерпретируются как биты данных.

Именно полупроводниковая технология благодаря своей скорости, компактности и отсутствию движущихся частей стала доминирующей в построении внутренней памяти компьютеров.

Триггер или конденсатор. Из чего состоит элементарная ячейка памяти

Спустимся на самый нижний уровень — к атомарной единице хранения информации. Основным «строительным кирпичиком» любого полупроводникового ЗУ является элементарная ячейка памяти (ЭП) — минимальный объект, способный хранить один бит. Существует два главных способа реализации такой ячейки, и от выбора одного из них зависят все ключевые характеристики чипа.

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические.

• Статические ЗУ (SRAM): В их основе лежит триггер — электронная схема из нескольких транзисторов, которая имеет два устойчивых состояния и может находиться в одном из них сколь угодно долго, пока подается питание. Это делает статическую память очень быстрой и надежной, но ее ячейки сложны в производстве, занимают много места на кристалле и дороги.
• Динамические ЗУ (DRAM): Здесь ячейка памяти реализована предельно просто — на основе конденсатора. Наличие заряда в конденсаторе — это «1», его отсутствие — «0». Такая конструкция очень дешева и позволяет разместить огромное количество ячеек на малой площади (высокая плотность). Однако у нее есть фундаментальный недостаток: заряд из микроскопических конденсаторов постоянно утекает. Поэтому динамическая память требует периодической регенерации — специальная схема должна постоянно считывать и перезаписывать ее содержимое, чтобы данные не потерялись.

Этот компромисс является одним из важнейших в компьютерной инженерии. SRAM используется там, где нужна максимальная скорость (например, кэш-память процессора), а более медленная, но дешевая и плотная DRAM формирует основной объем оперативной памяти.

От ячейки к микросхеме. Как устроена типовая структурная схема ЗУ

Одна ячейка бесполезна. Чтобы создать полноценное устройство, миллионы таких ячеек объединяют в единую структуру. Чаще всего используется матричная организация, где элементы памяти расположены на пересечении строк и столбцов, подобно клеткам в таблице. Чтобы получить доступ к конкретной ячейке, нужно активировать соответствующую ей строку и столбец.

Типовая структурная схема микросхемы памяти включает несколько ключевых функциональных блоков:

• Массив элементов памяти: Непосредственно то «поле», где хранятся биты данных.
• Дешифратор адреса: Это «система навигации» чипа. Он получает двоичный код адреса от процессора и преобразует его в электрический сигнал, активирующий одну-единственную строку и столбец в матрице, выбирая нужную ячейку.
• Усилители чтения-записи: Слабый электрический сигнал от ячейки памяти (особенно в DRAM) должен быть усилен, чтобы его можно было передать по шине данных. При записи, наоборот, этот блок обеспечивает достаточный уровень сигнала для изменения состояния ячейки.
• Схема управления: Мозг операции, который координирует работу всех блоков. Он принимает и интерпретирует управляющие сигналы от процессора.

Управление работой ЗУ осуществляется через стандартный набор сигнальных линий:

1. Шина адреса (A): По ней передается адрес ячейки, к которой нужно обратиться.
2. Шина данных (DI/DO): Двунаправленная шина для передачи самих данных — в микросхему при записи и из нее при чтении.
3. Чтение/Запись (R/W): Сигнал, который указывает, какую операцию нужно выполнить: Read или Write.
4. Выбор кристалла (CS — Chip Select): Критически важный сигнал, который позволяет «включать» или «отключать» микросхему. Когда сигнал CS неактивен, чип игнорирует все остальные сигналы и не мешает работе других устройств на общей шине.

Диалог с кристаллом. Как происходят процессы чтения и записи информации

Теперь, зная все компоненты, мы можем проследить, как происходит обмен данными с памятью. Это строго регламентированные процессы, называемые циклами чтения и записи.

Процесс чтения

Представим, что процессору нужно прочитать данные из ячейки с адресом 1011:

1. Процессор выставляет на шину адреса (A) код 1011.
2. Одновременно он активирует сигнал Выбор кристалла (CS), чтобы «разбудить» нужную микросхему, и устанавливает сигнал Чтение (Read) на линии R/W.
3. Дешифратор адреса внутри ЗУ получает код 1011 и активирует соответствующую ячейку памяти.
4. Содержимое этой ячейки (0 или 1) через усилитель чтения попадает на выходы шины данных (DO).
5. Процессор считывает значение с шины данных. Цикл завершен.

Процесс записи

Теперь процессору нужно записать в ту же ячейку значение «1»:

1. Процессор снова выставляет на шину адреса (A) код 1011.
2. Он выставляет на шину данных (DI) значение, которое хочет записать — в данном случае, «1».
3. Процессор активирует сигнал Выбор кристалла (CS) и устанавливает на линии R/W сигнал Запись (Write).
4. Дешифратор находит нужную ячейку, а схема управления, видя сигнал Write, дает команду схеме записи «впечатать» в ячейку значение с шины данных.

Строим больше. Как из отдельных микросхем собрать банк памяти

Емкость одной микросхемы ограничена. Чтобы получить гигабайты памяти, необходимые современному компьютеру, инженеры объединяют множество чипов, используя два основных метода: наращивание разрядности и наращивание объема.

Наращивание разрядности слова

Часто микросхемы памяти имеют разрядность всего 1 или 4 бита. Чтобы работать с 8-битными (байт) или 64-битными словами, несколько таких микросхем объединяют параллельно. Например, чтобы получить 8-битный банк памяти, берут 8 микросхем по 1 биту. Шина адреса и управляющие сигналы (CS, R/W) у них общие, а вот каждая линия шины данных подключается к своей микросхеме. Таким образом, при обращении по одному адресу одновременно считывается или записывается 8 бит — по одному из каждого чипа.

Наращивание объема (количества слов)

Для увеличения общего количества ячеек памяти микросхемы объединяют так, чтобы они вместе формировали единое адресное пространство. Это достигается за счет управления их сигналами Выбор кристалла (CS). Старшие биты шины адреса подаются на внешний дешифратор, который в зависимости от адреса активирует сигнал CS только на одной из микросхем. Для всех чипов младшие биты адреса и шина данных остаются общими. В итоге, выбирая с помощью старших битов адреса нужный чип, а с помощью младших — ячейку внутри него, мы получаем большой массив памяти из нескольких маленьких.

Вместо заключения. Ключевые принципы архитектуры памяти

Мы прошли путь от базового физического эффекта до построения сложных банков памяти. Напоследок давайте закрепим ключевые идеи, которые определяют архитектуру любых запоминающих устройств.

Во-первых, память — это всегда иерархия, компромисс между скоростью, объемом и ценой. От сверхбыстрых, но крошечных регистров до медленных, но огромных внешних накопителей.

Во-вторых, в основе самых распространенных полупроводниковых ЗУ лежит фундаментальный выбор между «статикой» и «динамикой» — быстрыми, но дорогими триггерами (SRAM) и дешевыми, но требующими регенерации конденсаторами (DRAM).

И, наконец, любая система памяти, независимо от ее сложности, всегда строится на трех китах: массиве ячеек для хранения, схеме выбора (дешифратор) для навигации и схеме управления для координации.

Понимание этих базовых принципов дает мощный инструмент для анализа работы не только компьютера, но и практически любого современного цифрового устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1.Справочные материалы по дисциплине «Вычислительная техника и информационные технологии». – СПБ.: Изд-во СПБГУТ им. М.А.Бонч-Бруевича (автор О.Л. Неелова).
2. 2.Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника / Угрюмов Е.П. – СПб.: БХВ-СПб, 2000.
3. 3.Крайзмер Л. П. Устройства хранения дискретной информации / Крайзмер Л. П. – М.: Л., 1969.
4. 4.Википедия, http://ru.wikipedia.org