Организация оперативной памяти

Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - обязательная составная часть компьютера. Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как допускает изменение своего содержания в ходе выполнения процессором операций по обработке информации.

Вся информация, вводимая в ЭВМ и возникающая в ходе его работы, хранится в ОП. Оперативную память можно представить себе как совокупность ячеек, разделенных на разряды для хранения в каждом бита информации. В любую ячейку памяти может быть записан некоторый набор 0 и 1, образующих машинное слово - фиксированную упорядоченную последовательность битов, рассматриваемую аппаратной частью компьютера как единое целое. Машинное слово может быть различной длины в зависимости от типа ЭВМ (от 8 до 64 битов) и определяет наибольшее число, которое может удерживаться в ячейки памяти. При байтовой архитектуре минимальной единицей измерения является байт, а машинное слово может равняться 2, 4 или 8 байтам. Следовательно, можно говорить об объеме памяти компьютера и измерять его в Кб, Мб, Гб в соответствии с количеством байтовых ячеек, как дискретных единиц памяти.

Помимо дискретности структуры свойством оперативной памяти является ее адресуемость. Все ячейки памяти пронумерованы, номер ячейки - это ее адрес. Он позволяет отличать ячейки друг от друга, обращаться к любой ячейке, чтобы записать в нее новую информацию вместо старой или воспользоваться уже хранящейся в ячейке информацией для выполнения каких-то действий с ней. При таком считывании хранящейся в ячейке слово не изменяется.

В оперативной памяти в виде последовательности машинных слов хранятся как данные, так и программы. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Рассмотрим логическую структуру оперативной памяти IBM PC. Она разделена на области различного объема. Первые 640 Кбайт считаются стандартной памятью для пользовательских программ и данных. Оставшиеся до 1 Мбайта ячейки зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних и высших адресах.. 1 Мбайт ОЗУ совпадает с адресным пространством в 1 Мбайт процессора с 20-разрядной шиной адреса, которая была у микропроцессора Intel 8088. Взаимно однозначное соответствие между объемом адресного пространства процессора (потенциально возможной памятью) и реально существующей памятью в виде набора микросхем ОЗУ и ПЗУ реализуется далеко не всегда. Возможны 2 случая: адресное пространство меньше объема реально(физически) существующих микросхем памяти или адресное пространство больше объема реально существующих микросхем памяти. В первом случае выход из положения состоит в принципе поочередного (постраничного) подключения дополнительных блоков памяти к адресному пространству. Во втором случае (в компьютерах с 24- или 32-разрядной шиной адреса) подключают дополнительные модули оперативной и постоянной памяти.

Физически для построения запоминающего устройства типа RAM используют микросхемы статической и динамической памяти, что определяет энергозависимость всей оперативной памяти. При выключении компьютера все информация из ОЗУ исчезает.

В случае статической RAM каждый бит представлен одним из двух возможных состояний электрической цепи, содержащей транзисторы и имеющей вывод на адресную линию. В случае динамической RAM каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Ячейки такой памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически выполняется автоматическое «восстановление» информации в каждой ячейке динамической RAM. Это снижает скорость работы памяти и является основным ее недостатком.

Если от типа процессора зависит объем адресуемой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти в свою очередь во много определяет скорость работы процессора, влияя на производительность всей системы. Статическая память обладает большим быстродействием, т.е. имеет малое время доступа к ячейке; информация в ячейке хранится надежно, не требует ее восстановления, но этот вид памяти дорог и энергоемок, т.е. может происходить перегрев, что уменьшает надежность. Поэтому в компьютерах используют одновременно оба вида RAM, а время доступа для микросхем ОЗУ с 1984 г. Снизилось со 150 до 70-50 нс.