Организация внутренней памяти. Способы адресации

 

Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера.

Запоминающее устройство (устройство хранения информации) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных.

Задачей компьютерной памяти является запись и хранение всвоих ячейках информации пользователя. В ячейки памяти информация записывается в виде двух четко различимых состояний — 0 и 1 (нет сигнала / есть сигнал).

Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

 

Объем памяти — важная характеристика компьютера, которая влияет на скорость работы и работоспособность программ.

Наиболее известные запоминающие устройства, используемые в ПК:

· модули оперативной памяти (ОЗУ);

· жесткие диски (винчестеры) (ПЗУ);

· DVD-диски;

· устройства флеш -памяти;

· дискеты (гибкие магнитные диски), в настоящее время практически не используются.

Процесс доступа к памяти разбит на разделенные во времени процессы — операции записи, чтения и стирания. Во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства — контроллера памяти.

 

Организация памяти

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 бит, которые называют байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называют словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – 2, 4 или 8 байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

В одном машинном слове, в зависимости от аппаратной реализации, может быть представлено как одно целое число, так и одна команда. Допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров может быть представлено следующим образом.

 

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО				СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

 

Широко используют и более крупные производные единицы объема памяти: килобайт, мегабайт, гигабайт, а также терабайт и петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно различаются между собой по назначению, временным характеристикам, объему хранимой информации и стоимости хранения одинакового объема информации.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю.

Организация внутренней памяти

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) - это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой - это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет 4 - 64 Мбайта, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 16 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM - динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Современные микросхемы имеют ёмкость 1-16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее распространены модули типа SIMM (SingleIn-Line Memory Module - модуль памяти с однорядным расположением микросхем).

 

SIMM. Модуль памяти c однорядным расположением микросхем

 

В модуле SIMM элементы памяти собраны на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая - 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем - девять, три или одну, и разное число контактов - 30 или 72.

Важная характеристика модулей памяти - время доступа к данным, которое обычно составляет 60 - 80 наносекунд.

Кэш-память

 

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память - очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8-16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (FlashMemory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, ReadOnlyMemory - память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (FlashMemory) - энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти - модуль BIOS.

BIOS (Basic Input /Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для:

· автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

· загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны - важный модуль любой операционной системы (Software).

Разновидность постоянного ЗУ - CMOS RAM.

CMOS RAM - это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Setup - устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) - разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам - процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

 

 

Тема «Операционные системы»

Подтема №17 «Операционные системы Microsoft»

Если бы Билл Гейтс и Пол Аллен (а позже — харизматичный Стив Баллмер) были движимы единственным желанием заработать, то вряд ли Microsoft имела бы столь огромную популярность, как сейчас. Компания стала воплощением амбиций и желаний двух школьных приятелей, однако, как истинные американцы, и Гейтс и Аллен не намеревались работать «за идею».

Как известно, дружба и бизнес — понятия почти не совместимые. Можно предположить, что именно поэтому в определенный момент пути сооснователей Microsoft разошлись: в 1983 году Аллен ушел из компании. Причины, которые заставили его сделать такой шаг, долгое время оставались известны лишь узкому кругу людей. Несколько лет назад бывший компаньон Гейтса обвинил последнего в желании взять все в свои руки, что и не устроило Аллена. Зная это, на ум приходят два других закадычных приятеля — Стив Джобс и Стив Возняк, которые, правда, продержались вместе дольше.

В 1980-м в Microsoft пришел ее 30-й официальный сотрудник — Стив Баллмер, который был приглашен в компанию Биллом Гейтсом. Именно Баллмер руководил разработками первых версий операционной системы будущей софтверной корпорации. Повлияла ли его активность и деятельность на случившийся спустя несколько лет уход Аллена, доподлинно неизвестно.

Не массовый продукт

Анонс разработки графической среды для MS-DOS, получившей в итоге название Windows 1.0 (могло звучать как Interface Manager), состоялся в 1983 году. Ее релиз произошел спустя несколько лет, в 1985-м. Почти 30 лет назад Microsoft предпринимала свои первые шаги на пути к созданию успешной операционной системы.

Даже тогда пользователи ругались на завышенные системные требования новой ОС, которая к тому же воспринималась многими как надстройка для MS-DOS, дополняющая ее возможности (по большому счету, так и было). Кроме того, на рынке уже некоторое время присутствовала Xerox Star с «оконным» графическим интерфейсом, на пятки наступала Apple.

Ситуацию не особенно спасал и набор приложений, включавший «рисовалку» Windows Paint, текстовый редактор, календарь, игру и некоторые другие программы. Окна операционной системы не могли перекрывать друг друга: можно сказать, что пользователь наблюдал прародителя интерфейса Metro, который реализован в последних версиях Windows. Компания Microsoft выпустила несколько обновлений для Windows 1.0, в определенный момент была реализована поддержка сторонней программы — Aldus PageMaker.

Незадолго до конца 1987 года была выпущена Windows 2.0. К заметным нововведениям, не связанным с технической стороной дела, можно отнести Excel и Word с графическим интерфейсом, которые запускались из MS-DOS (одновременно с Windows, и вместе с ней выгружались), появление «горячих» клавиш, а также усовершенствованную поддержку видеоадаптеров. Благодаря последнему интерфейс стал более гибким, появилась возможность накладывать окна друг на друга и настраивать вид экрана. Новыми возможностями заинтересовалась Apple — конкурент подал в суд за нарушение патентов и зарегистрированных технологий. Правда, из 189 жалоб судья отмел сразу 179, а большинство из 10 оставшихся назвал идеями, правами на которые обладать нельзя. Конфликт был исчерпан.

Примерно в это же время новая Windows стала привлекать внимание разработчиков со стороны. Подобный интерес, очевидно, указывает на определенный успех затеянного Гейтсом проекта. Подтверждает это и статистика, согласно которой в 1988 году компания стала разработчиком компьютерного ПО с самым большим объемом продаж в мире.

Кстати, поддержка Windows 1.0 была прекращена лишь в 2001-м — производитель не забывал о своем детище и его пользователях рекордные 16 лет.

Новая эра

В 1990 году состоялся релиз Windows 3.0. Операционная система получила значительно обновленный интерфейс (который фигурировал в исках Apple, упомянутых выше) и обеспечила более эффективную работу с несколькими программами одновременно (вот она, «настоящая многозадачность»). Графически ОС стала привлекательнее благодаря видеокартам VGA (16 цветов), была обновлена библиотека иконок, коих насчитывалось на тот момент 1,9 тыс. В состав системы входил расширенный набор программ, а также всем известные игры Hearts, Minesweeper и Solitaire.

Успех не заставил себя ждать, и за шесть месяцев Microsoft продала 2 млн копий Windows 3.0 (данные могут разниться в зависимости от источников). Сегодня, однако, это достижение выглядело бы не столь заметным. Чтобы оценить масштабы современного рынка, нужно привести статистику по реализации Windows 8: за те же полгода корпорация реализовала 100 млн копий ОС. Но в последнем десятилетии прошлого века компьютеры не были так распространены, как сейчас. Правда, и подсчеты велись честнее. Всего же за два года, до выхода версии 3.1, было продано 10 млн копий Windows 3.0.

В 1992-м стала доступна Windows 3.1. Разработчик также представил специальную версию операционной системы для Центральной и Восточной Европы с поддержкой кириллических шрифтов.

Кстати, в этот же год «компьютерщики» всего мира столкнулись с эпидемией вируса «Микеланджело». Некоторые эксперты, среди которых оказался и основатель антивирусной компании McAfee Джон Макафи, говорили о миллионах зараженных компьютеров, но в официальной сводке фигурировали лишь 10—20 тыс.

Отечественному пользователю наиболее знакома Windows 3.11, появившаяся в 1993 году. Эту версию иногда называют пакетом обновлений для Windows 3.1. Тогда же свет увидела и Windows for Workgroups 3.11 с поддержкой 32-разрядного доступа к жесткому диску, а также некоторыми другими улучшениями системы.

Примечательно, что Microsoft продолжала выдавать OEM-лицензии на Windows for Workgroups 3.11 для встроенных систем вплоть до 2008 года.

В 1993-м компания Билла Гейтса выпускает первую операционную систему семейства Windows NT (New Technology) — Windows NT 3.1, предназначенную для серверов и корпоративных клиентов. Ее преемником в 1994 году стала Windows NT 3.5. Практически все последующие известные массовому пользователю операционные системы Microsoft принадлежат именно линейке Windows NT (как обожаемая многими XP, так и не особо любимые Vista и 8).

Откиньтесь на спинку кресла!

В 1995 году одновременно с релизом Windows 95 произошел качественный скачок. Миллион копий ОС раскупили за четыре дня, семь миллионов — за первые пять недель. Покупатели не могли противостоять напору, организованному маркетинговым отделом Microsoft: в рекламной кампании принимали участие даже Rolling Stones, которым заплатили от $8 млн до $12 млн. Знаменателен этот год и тем, что Intel анонсирует процессор Pentium Pro (P6).

Для работы Windows 95 требовалось как минимум 4 МБ оперативной памяти, хотя наличие 8 МБ было предпочтительней. Будущие поколения будут благодарить эту версию ОС за кнопку «Пуск» и «Рабочий стол». Также появляются меню «Свернуть», «Развернуть» и «Закрыть» для каждого окна. Полноценная многозадачность, графический интерфейс, который задал стандарты для последующих ОС компании, реализация системы Plug and Play, которая, теоретически, упрощала установку драйверов новых устройств, Direct X (появился в релизе Windows 95 A), а также первая версия Internet Explorer — вот то немногое, чем могла похвастаться Windows 95.

В 1996-м вышло доступное только OEM-производителям обновление, которое добавляло в ОС поддержку USB. В этом же году в Windows 95 была реализована поддержка файловой системы FAT32. Последняя версия операционной системы появилась в 1997-м, незадолго до релиза Windows 98.

Спустя всего три года Microsoft выпускает Windows 98. Система представляет собой доработанный вариант предшественницы, с улучшенной поддержкой периферии и другими нововведениями. Появилась панель быстрого запуска (некоторые пользователи умудрялись переносить в нее чуть ли не все установленные программы). В 1999-м представлена Windows SE (Second Edition), не привнесшая каких-то радикальных изменений.

Переходный период

В 2000 году для замены Windows 98 SE софтверная компания предложила нечто под названием Windows ME (Millennium Edition). Те, кто не удержался и перешел к использованию новой версии ОС, а также любители всего нового, впервые тогда сформулировали тот самый алгоритм, согласно которому Microsoft выпускает поочередно удачные и неудачные продукты.

Чем могла порадовать Win ME, которая должна была стать эдаким «мультимедийным комбайном»? Программой Windows Movie Maker, браузером Internet Explorer 5.5, плеером Windows Media Player 7 и инструментами восстановления системы. Однако всем запомнились «тормоза», «глюки» и нестабильная работа ОС, что сказалось на сроке ее жизни — Win ME продержалась всего год.

Альтернативной «новинкой сезона» стала Windows 2000 (семейства Windows NT), которая поставлялась в изданиях Professional, Server, Advanced Server и Datacenter Server и была ориентирована на корпоративного пользователя (или домашнего, но продвинутого юзера).

Windows ME стала последней операционной системой Microsoft, основанной на MS‑DOS.

Эпоха ренессанса

Хотела того Microsoft или нет, однако Windows XP стала одним из самых успешных продуктов компании для массового рынка. Роль сыграли всеобщая компьютеризация и развитие интернета. Распространению ОС, релиз которой состоялся в 2001 году, помогало и желание «халявы»: если у человека был компьютер, то обязательно с «хрюшкой» и уж наверняка пиратской (эта операционная система стала для Microsoft первой, требующей активации). Заметно повеселевший интерфейс, за которым пряталась Windows 2000 с закругленными углами, пришелся по нраву большинству пользователей. Консервативно настроенные отключали визуальное оформление и делали новую систему похожей на предшественниц, а также экономили ресурсы.

Выбирали пользователи из двух изданий: Windows XP Home Edition и Windows XP Professional. Если обыкновенной домохозяйке было достаточно первой, то остальные предпочитали версию с приставкой Pro. Не оставались без дела также программисты — как начинающие, так и подкованные в своем деле. Вначале магазины, а потом и интернет наполнились огромным количеством сборок на любой лад (загрузочными Zver CD, различными Windows XP MegaBlack Edition и так далее).

По мере развития субкультуры энтузиастов, ухищрения становились все более изощренными, из дистрибутивов удаляли «все ненужное», которое затем заменяли «всем необходимым». Подобные сборки далеко не всегда отличались стабильностью работы, но никого это не останавливало от их установки и дальнейших поисков «идеала». Разнообразие и доступная гибкость в настройках оказали дополнительное влияние на популярность самой «долгоживущей» версии ОС от Microsoft.

Сама компания-разработчик выпустила несколько пакетов обновлений, которые дополняли операционную систему новыми возможностями, исправляли ошибки и привносили новые «баги».

Стоит отметить, что в 2001 году была выпущена и 64-битная версия Windows XP, обновлявшаяся впоследствии несколько раз, однако ее системные требования выглядели неподъемными для рядового пользователя.

Софтверный гигант не особенно стремился делиться информацией об объемах продаж операционной системы. Спустя два месяца после релиза ОС было сообщено о 17 млн проданных копий, однако позже точные цифры не раскрывались. В 2006-м аналитики из IDC насчитали 400 млн копий (такое количество использовалось на тот момент).

Начавшая свой долгий путь в октябре 2001 года, Windows XP не покидает его до сих пор: древняя по многим меркам операционная система все еще установлена, по данным StatCounter, на 15% компьютеров (29,3% — по данным Net Applications).

И снова «плохой парень»

Следуя модели «плохая — хорошая Windows», компания Microsoft анонсирует в 2005-м Longhorn. Под этим кодовым названием скрывается Vista, которая выступила чуть лучше Windows ME, однако успеха не снискала. В 2006 году выходит версия для корпоративных клиентов, в 2007-м — для домашних пользователей.

Главной «фишкой» ОС стал интерфейс Windows Aero. Конечно, разработчик старательно обращал внимание на повышенную безопасность и заметно расширенные возможности, но рядовой пользователь удивленно смотрел на новый GUI, модернизированную кнопку «Пуск», гаджеты и системные требования для всей этой красоты.

Постепенно Vista пошла в массы, однако возникли сложности с драйверами периферийных устройств, некоторые программы отказывались работать и проч. Первое впечатление было испорчено, не помогали ни реализованный «гибридный спящий режим», ни ускоренная загрузка системы, ни другие особенности Vista.