Pamięć operacyjna

Question 1

Czym jest pamięć operacyjna?

Answer 1

Kości pamięci są szybkimi układami logicznymi potrafiącymi, z punktu widzenia użytkownika, przechowywać dane wszelkiego rodzaju. W rzeczywistości przechowywane są jedynie liczby binarne, a ich interpretacja należy do procesora i układów wejścia - wyjścia. Kolejną cechą pamięci operacyjnej jest przechowywanie danych tylko w trakcie działania komputera. Kości pamięci umieszcza się w specjalnych slotach znajdujących się na płycie głównej - tzw. bankach pamięci.

Z pamięci operacyjnej korzysta procesor umieszczając w niej programy (w tym sam system operacyjny) oraz zapisując i pobierając z niej informacje potrzebne do ich wykonywania.

Pamięć połączona jest z pozostałymi elementami systemu komputerowego za pomocą magistrali systemowej.

Question 2

Do czego służy tzw. dekoder w pamięci operacyjnej?

Answer 2

Do tłumaczenia adresu fizycznego komórki w pamięci RAM.

Question 3

Jak przebiega wymiana danych z pamięcią RAM?

Answer 3

Z uwagi na różne sposoby budowy kości pamięci, a dokładniej organizacji pojedynczych komórek z których się składa, adres wykorzystywany przez procesor do określenia konkretnej komórki musi być przetłumaczony na adres fizycznego elementu logicznego będącego częścią układu elektronicznego. Pracę tą wykonuje tzw. dekoder. Oprócz adresu komórki, procesor przekazuje do dekodera również informację o typie operacji, jaką chce na niej wykonać (zapis/odczyt). Jeżeli jako typ operacji został określony odczyt, to po odnalezieniu odpowiedniej komórki pamięci jej wartość jest kopiowana do bufora zapisu/odczytu. W następnym cyklu zegarowym procesor może pobrać pożądaną wartość z bufora. Jeżeli procesor zażądał zapisu informacji do komórki o podanym adresie, to bieżąca wartość bufora zapisu/odczytu jest do niej kopiowana.

Question 4

Jaki jest schemat działania pamięci RAM?

Answer 4

Operacja/Adres w pamięci ⇉ DEKODER ⇒ KOMÓRKI PAMIĘCI ⇔ BUFOR ZAPISU/ODCZYTU ⇔ Dane wejścia/wyjścia.

❗️Wielkimi literami zapisano elementy samej pamięci RAM.

Question 5

Jak jest definicja pamięci operacyjnej?

Answer 5

Pamięć operacyjna (nazywana również pamięcią główną) jest pojemną, szybką i wymazywalną pamięcią ulotną o swobodnym dostępie.

Question 6

Czym jest pojemność pamięci?

Answer 6

To jej główny parametr określający ilość informacji, jaką jest w stanie przechować w jednej chwili czasowej. Pojemność pamięci mierzy się w bajtach (bajt to 8 bitów, podstawowych jednostek pamięci, każdy bit może przyjmować wartość zero lub jeden, czyli bajt może przyjmować 28=256 wartości) lub słowach (słowo może być dłuższe niż 8 bitów, to zależy od architektury procesora). Ponieważ dzisiejsze pamięci operacyjne mają pojemności rzędu miliardów bajtów, stosuje się przedrostki Kilo-, Mega- lub Giga-, wszystkie w rozumieniu systemu dwójkowego. A więc 1 KB (Kilo Bajt) to 210 czyli 1024 bajty, podobnie Mega to 1024 Kilo, Giga to 1024 Mega, itd… We współczesnym komputerze osobistym pamięć ma zazwyczaj pojemność od 512 MB (Mega Bajtów - 536870912 bajtów) do 2 GB (Giga Bajtów). Komputery z przeznaczeniem serwerowym mają przeważnie zainstalowane od kilku do kilkudziesięciu GB (Giga Bajtów) pamięci operacyjnej.

Question 7

Co oznacza szybkość pamięci?

Answer 7

Ogólnie rozumiana szybkość pamięci operacyjnej określona jest głównie poprzez częstotliwość z jaką procesor i inne urządzenia komputera mogą z niej korzystać oraz przez szerokość szyny danych.

Question 8

Co wpływa na szybkość pamięci operacyjnej?

Answer 8

Na szybkość składa się co najmniej kilka elementów. Pierwszym z nich jest czas dostępu do komórki pamięci, czyli czas jaki minie od momentu zażądania informacji przez procesor do momentu pojawienia się tej informacji na wyjściu pamięci. Dla dzisiejszych szybkich pamięci RAM czas dostępu to rząd kilku nanosekund. Drugim elementem wpływającym na szybkość pamięci jest czas cyklu, czyli czas, jaki musi upłynąć pomiędzy dwoma żądaniami dostępu do pamięci. Zwykle jest on nieco dłuższy od czasu dostępu. Częstotliwość pracy dzisiejszych pamięci to kilkaset MHz (milionów operacji na sekundę). Trzecim ważnym elementem jest szybkość transferu pamięci, czyli maksymalna możliwa szybkość, z jaką dane mogą być wprowadzane do jednostki pamięci (zapisywane) lub z niej wyprowadzane (odczytywane). Dla pamięci o dostępie swobodnym jest on równy 1/(czas cyklu).

Question 9

Na czym polega wymazywalność pamięci?

Answer 9

Oznacza to, że raz zapisana zawartość komórki pamięci może być swobodnie zmieniana. W przeciwnym wypadku pamięć nie miałaby większego pożytku dla procesora, który przecież w trakcie działania przechowuje tam przetwarzane przez siebie dane, w tym wyniki. Dla danych których nigdy się nie zmienia istnieje specjalny typ pamięci niewymazywalnej - ROM (o którym napiszemy więcej za chwilę). ROM nie służy jednak procesorowi do bieżącej pracy lecz zazwyczaj przechowuje podstawowy program uruchamiający elementy składowe systemu komputerowego przed uruchomieniem systemu operacyjnego.

Question 10

Co oznacza ulotność pamięci operacyjnej?

Answer 10

Po zaniku zasilania wszystkie komórki pamięci stracą swoją zawartość, dane w nich przechowywane po prostu znikają (można to porównać do całkowitej amnezji). Przeciwieństwem jest pamięć nieulotna, która zawsze utrzymuje zawartość - nawet bez zasilania.

Question 11

Na czym polega swobodny dostęp do pamięci RAM?

Answer 11

Oznacza to, że każda komórka pamięci ma unikatowy numer, fizycznie wbudowany i przypisany na stałe jej i tylko jej, a czas dostępu do kolejnych komórek nie zależy od poprzednich operacji wykonywanych na pamięci - jest stały. Dzięki temu każda komórka pamięci jest dostępna bezpośrednio dla procesora w tym samym czasie.

Question 12

Czym jest dostęp sekwencyjny?

Answer 12

Przeciwieństwem dostępu swobodnego (stosowany chociażby w przypadku taśm magnetycznych, gdzie w celu uzyskania zawartości pewnej komórki pamięci w połowie taśmy należy sekwencyjnie przejść przez wszystkie komórki poprzedzające tą wybraną). Spójrzmy na świat niekomputerowy. Przykładowo płyta CD daje nam swobodny dostęp do utworów na niej zapisanych, natomiast kaseta magnetofonowa - dostęp sekwencyjny. Szukając t-shirta w szafie na kupce innych t-shirtów mamy do nich dostęp sekwencyjny (najpierw musimy zdjąć te na górze), lecz jeśli umieścilibyśmy każdą koszulkę w oddzielnej szufladzie - mielibyśmy dostęp swobodny, itp.

Question 13

Czym jest pamięć asocjacyjna?

Answer 13

Specjalnym rodzajem dostępu swobodnego jest dostęp skojarzeniowy (pamięć asocjacyjna). Cechuje się on możliwością porównania i badania zgodności wybranych bitów wewnątrz słowa, przy czym operacja ta wykonywana jest dla wszystkich słów jednocześnie. Słowo jest wyprowadzane na podstawie nie tylko adresu, ale i części swojej zawartości. Taki sposób dostępu stosuje się w pamięciach podręcznych procesora (cache). Podobnie działa też pamięć człowieka.

Question 14

Czym jest pamięć stała?

Answer 14

Jest to inaczej pamięć ROM (ang. Read Only Memory). Jak sama nazwa wskazuje, jest pamięcią tylko do odczytu. Informacja zapisana w takiej pamięci jest trwała i nie może być zmieniona. Zaletą pamięci ROM w pewnych zastosowaniach jest właśnie jej nieulotność, fakt, że przykładowo program znajduje się w niej cały czas, nigdy nie wymaga ładowania i nie grozi mu żaden wirus.

Question 15

Czym jest pamięć EPROM?

Answer 15

Swoistą “mutacją” pamięci ROM (wymazywalna programowalna pamięć stała), która ma same zalety - można zmieniać dane w niej zapisane, lecz po zaniku zasilania zawartość EPROM nie niknie (takie połączenie RAM i ROM). Przed operacją zapisu wszystkie komórki zostają skasowane poprzez (zazwyczaj) naświetlenie specjalnego układu (wewnątrz obudowy) promieniowaniem ultrafioletowym. Skoro jest taka doskonała, to dlaczego nie jest używana jako jedyna? Po pierwsze - pamięć EPROM jest droższa od pamięci ROM lub RAM, po drugie - można ją zapisać jedynie kilka razy i po trzecie (i najważniejsze) - jest wolniejsza niż RAM (podobnie jak ROM - odczyt z tej pamięci jest wolniejszy).

Bratem bliźniakiem pamięci EPROM jest EEPROM (elektrycznie wymazywalna programowalna pamięć stała). Pamięć ta może być zapisana bez wymazania poprzedniej zawartości, aktualizowane są tylko bajty adresowane.

Question 16

Czym jest pamięć błyskawiczna?

Answer 16

Jest to pamięć (ang. flash memory) która wykorzystuje metodę wymazywania elektrycznego. Cała pamięć może być wymazana w ciągu kilku sekund, ponadto możliwe jest wymazanie zawartości tylko niektórych bloków pamięci a nie całego układu. Na bazie takich właśnie pamięci budowane są tzw. pamięci USB czy Pen-Drive, o których więcej powiemy w dalszej części podręcznika. Jednak mimo postępu w dziedzinie konstrukcji wymazywalnych pamięci stałych, ciągle są one zbyt wolne by zastąpić RAM.

Question 17

Czym jest pamięć o dostępie swobodnym?

Answer 17

Jest to inaczej nazwana pamięć RAM (ang. Random Access Memory), która pozwala w stosunkowo łatwy sposób na odczytywanie/zapisywanie danych z/do pamięci. Zapis oraz odczyt odbywają się za pomocą sygnałów elektrycznych. Ważną cechą pamięci RAM jest jej ulotność. Pamięć RAM potrzebuje źródła zasilania, a w przypadku jego braku dane ulegają skasowaniu.

Question 18

Jakie wyróżnia się rodzaje pamięci RAM?

Answer 18

◆ DRAM (Dynamic Random Access Memory)

◆ SRAM (Static Random Access Memory)

Question 19

Czym charakeryzuje się DRAM?

Answer 19

Ten rodzaj pamięci o dostępie swobodnym przechowuje każdy bit danych w oddzielnym kondensatorze. Ze względu na to, że nośnikiem informacji są kondensatory (a dokładnie tranzystory polowe Denarda), które samoistnie rozładowują się - DRAM wymaga okresowego odświeżania polegającego na odczytaniu i zapisaniu tej samej informacji. Ponadto odczyt z pamięci DRAM jest niszczący (informacja jest kasowana w wyniku rozładowania kondensatora przez współpracujący z nim tranzystor), dlatego też należy powtórnie zapisać odczytane dane tak, aby nie uległy zmianie. Zaletą DRAM jest natomiast niski koszt i możliwość uzyskania wysokiego (jak na tego typu pamięć) stopnia upakowania (dużej ilości bitów pamięci na jednostkę powierzchni). Z tego względu pamięci DRAM są podstawowym typem stosowanym jako pamięć operacyjna.

Question 20

Czym charakteryzuje się SRAM?

Answer 20

Statyczna pamięć swobodnego dostępu przechowuje dane tak długo, jak długo włączone jest zasilanie. W odróżnieniu od pamięci typu DRAM nie wymaga okresowego odświeżania. Każdy bit przechowywany jest w pamięci SRAM w układzie zbudowanym z czterech tranzystorów tworzących przerzutnik oraz z dwóch tranzystorów sterujących. Taka struktura umożliwia znacznie szybsze odczytanie bitu niż w pamięci typu DRAM. Pamięci SRAM wykorzystywane są w szybkich pamięciach podręcznych cache wbudowanych w procesor. Tego typu elementy nie wymagają dużych pojemności (gęstość danych w SRAM jest 4 razy mniejsza niż w DRAM), ale prędkość dostępu jest około 10 razy większa od DRAM.