Средства хранения информации (внешняя память)

Кэш

Энергонезависимая программируемая память CMOS.

Постоянная память не позволяет внести изменения в описание фактической структуры ПЭВМ (объем ОП, типы устройств внешней памяти) и не позволяет поддерживать работу таймера при отключенном питании. Для этих целей на материнской плате имеется специальная микросхема постоянно запитанная от небольшого аккумулятора и/или внешнего источника (батареек). Эта микросхема хранит настройку BIOS и поддерживает работу встроенных часов и календаря. Внесение изменений в данные этой памяти может быть выполнено программой "Setup CMOS", хранящейся в BIOS.

Запуск этой программы может производиться только перед загрузкой ОС. Аккумулятор подзаряжается при включении ПЭВМ в сеть, его заряда сначала хватало на 2-3 суток для моделей ПЭВМ класса ХТ, и на 7-10 суток для ПЭВМ на 386-486 процессорах. У современных моделей аккумулятор может работать автономно около года.

Сверхбыстродействующая память или кэш представляет собой запоминающее устройство, используемое в качестве буфера между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

Появление кэш-памяти было вызвано опережающим развитием быстродействия процессора по сравнению с быстродействием микросхем оперативной памяти. Уже с появление процессора i286, обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому в случае, когда процессор требовал информацию из памяти, ему приходилось зависать на один - два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.

Использование кэша позволило отказаться от заполнения всей машины быстрой статической RAM памятью. Обычно программа использует только часть оперативной памяти ПЭВМ. Если работающую программу (или, хотя бы ее часть, выполняемую в данный момент) переписывать из медленной ОП в быстрый кэш, это позволило бы процессору обходиться без всяких циклов ожидания.

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-память. Чем больше кэш-память, тем больше информации может быть в ней размещено, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, что самый лучший с точки зрения быстродействия вариант - это когда объём кэш-памяти соответствует объёму всей оперативной памяти. Но в этом случае вся остальная память становится не нужной.

Противоположная ситуация - совсем маленький кэш - тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этой быстрой памяти, стремится к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 256-2048К.

На самом деле реализация работы с кэшом не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в неё. Что случится, если процессор занесёт новую информацию в кэш, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти. Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, но с этим приходится мириться.

Целостность памяти, однозначность информации в ней – это одна из самых больших проблем работы с кэш-памятью. Для преодоления этих проблем была создана отдельная микросхема - кэш-контроллер.

Следует отметить, что для программиста работа с кэш-памятью практически "прозрачна" (т.е. невидима). Заполнение кэш-памяти выполняется аппаратными средствами, автоматически и производится отдельными блоками, называемыми строками. Если в кэш не оказывается нужной информации (очередной команды программы или ячейки с данными), целый блок оперативной памяти вместе с нужной командой или данными переписывается в ту строку кэш, к которой меньше всего обращались за последнее время. Есть и другие способы организации работы с кэш-памятью.

Лекция 7

1. Классификация, история развития

Хранение информации в ПЭВМ осуществляется в устройствах внешней памяти, называемых еще накопителями. Их емкость обычно на 2-3 порядка превышает емкость оперативной памяти. Накопители могут размещаться внутри центрального блока ПЭВМ или выполняться в виде отдельных конструктивов, присоединяемых к машине специальными кабелями.

Накопители состоят из устройств - приводов и собственно носителей информации. Носители могут быть сменными (съемными) и несменными. По способу доступа к информации они делятся на устройства прямого и последовательного доступа. В ПЭВМ устройствами прямого доступа являются различные диски, последовательного - магнитные ленты.

По принципам записи/чтения носители делятся на магнитные, оптические, магнито-оптические и флеш-карты.

По видам носителей внешняя память разделяется на:

- накопители на флоппи-дисках (дискетах);

- накопители на несъемных жестких дисках (винчестерах);

- накопители на сменных жестких дисках;

- накопители на флеш-картах;

- накопители на оптических дисках;

- накопители на магнитооптических дисках;

- накопители на бобинных магнитофонных лентах;

- стримеры.

История развития устройств внешней памяти начинается задолго до появления не только ПЭВМ, но и первых ЭВМ. Правда, первоначально такие устройства использовали бумажные носители информации (перфокарты, позже - перфоленты). После появления первых ЭВМ начинается развитие устройств внешней памяти на магнитной ленте, которые с середины 50-х годов используются для хранения цифровой информации. История применения жестких дисков начинается с 1973 г., когда фирмой IBM был выпущен первый несъемный жесткий диск общей емкостью 16 Кбайт, содержащий 30 дорожек по 30 секторов на каждой. Его обозначение 30/30 совпадало с обозначением американской автоматической винтовки марки "Винчестер", откуда и пошло название для диска. Кстати, до разработки магнитных дисков, на ЭВМ использовались магнитные барабаны, информация на которых записывалась на боковой цилиндрической поверхности.

Массовое применение жестких дисков началось только после 1980 г., когда был выпущен винчестер 5.25" емкостью 5 Мбайт. Эти жесткие диски широко использовались в ПЭВМ первых поколений.

Накопители на сменных гибких дисках (флоппи-дисках или дискетах) первоначально использовались на мини-ЭВМ. Они имели диаметр 8" и были заключены в пластиковом конверте, внутри которого могли свободно вращаться. В 1976 г. появились односторонние дискеты диаметром 5.25" (133 мм) емкостью 160 Кбайт. Позднее магнитный слой стали наносить с двух сторон, емкость была доведена до 360 Кбайт, а с переходом на высокую плотность записи - до 1.2 Мбайт.

В 1980 г. фирма Sony разработала 3.5" дисковод и соответствующую дискету емкостью 720 Кбайт. Этот стандарт был принят американскими (ANSI), а затем и международными (ISO) организациями. С 1987 г. эти накопители стали устанавливаться в ПЭВМ фирмой IBM. Почти сразу емкость этих дискет была доведена до 1.44 Мбайт.

Идея создания стримера была предложена фирмой IBM в 1978 г. В ее основе заложен принцип инерционного режима работы лентопротяжного механизма. В отличие от старт-стопного режима, используемого на бобинных (катушечных) магнитофонах, где участки магнитной ленты между записями (19 мм) должны обеспечивать останов и разгон магнитофона для чтения (записи) очередного блока, в стримерах эти участки существенно уменьшены, а при остановках осуществляется прогон ленты назад, чтобы попасть на начало очередного блока. Это позволило значительно повысить емкость ленты и скорость передачи информации (правда, при условии, что данные передаются большими порциями).

В 1983 г. появляются стримеры с накопителями на 8 и 4-х мм магнитной ленте в специальных кассетах - картриджах. Их емкость сначала составляла 40 Мбайт, но уже в 1993 г. фирмами Sony и 3M начинают выпускаться стримеры емкостью соответственно 4 и 1.3 Гбайт для 8 и 4 мм ленты, а с 1997 г. фирма 3М выпускает картриджи емкостью 15 Гбайт.

В настоящее время размеры картриджей достигают нескольких Тбайт.

Использование эффекта Бернулли, уменьшающего давление в быстрых потоках, позволило разработать накопители с очень маленькими расстояниями между головкой чтения/записи и магнитным покрытием дискеты. Зазоры в 0.003 мкм позволили достигнуть уже в 1986 г. емкости носителей в 20 Мбайт, еще через 6 лет – 150 Мбайт, а в настоящее время - 230 Мбайт (при диаметре 5.25") и 100 Мбайт для 3.5" носителей.

Наряду с развитием накопителей со сменными гибкими дисками, начиная с 1982 г. идет активная разработка устройств со сменными жесткими дисками. Здесь принято 3 стандартных типоразмера: 5.25", 3.5" и 1.8" (последние - в спецификации PCIMCIA для notebook).

Емкость таких сменных дисков составляет 650 - 1300 Мбайт.

Дата добавления: 2014-01-04