Что хранит информацию во время работы компьютера

For broader coverage of this topic, see Data storage.

Computer data storage is a technology consisting of computer components and recording media that are used to retain digital data. It is a core function and fundamental component of computers.^{[1]: 15–16}

The central processing unit (CPU) of a computer is what manipulates data by performing computations. In practice, almost all computers use a storage hierarchy,^{[1]: 468–473} which puts fast but expensive and small storage options close to the CPU and slower but less expensive and larger options further away. Generally, the fast^[a] technologies are referred to as «memory», while slower persistent technologies are referred to as «storage».

Even the first computer designs, Charles Babbage’s Analytical Engine and Percy Ludgate’s Analytical Machine, clearly distinguished between processing and memory (Babbage stored numbers as rotations of gears, while Ludgate stored numbers as displacements of rods in shuttles). This distinction was extended in the Von Neumann architecture, where the CPU consists of two main parts: The control unit and the arithmetic logic unit (ALU). The former controls the flow of data between the CPU and memory, while the latter performs arithmetic and logical operations on data.

Functionality[edit]

Without a significant amount of memory, a computer would merely be able to perform fixed operations and immediately output the result. It would have to be reconfigured to change its behavior. This is acceptable for devices such as desk calculators, digital signal processors, and other specialized devices. Von Neumann machines differ in having a memory in which they store their operating instructions and data.^[1]: 20 Such computers are more versatile in that they do not need to have their hardware reconfigured for each new program, but can simply be reprogrammed with new in-memory instructions; they also tend to be simpler to design, in that a relatively simple processor may keep state between successive computations to build up complex procedural results. Most modern computers are von Neumann machines.

Data organization and representation[edit]

A modern digital computer represents data using the binary numeral system. Text, numbers, pictures, audio, and nearly any other form of information can be converted into a string of bits, or binary digits, each of which has a value of 0 or 1. The most common unit of storage is the byte, equal to 8 bits. A piece of information can be handled by any computer or device whose storage space is large enough to accommodate the binary representation of the piece of information, or simply data. For example, the complete works of Shakespeare, about 1250 pages in print, can be stored in about five megabytes (40 million bits) with one byte per character.

Data are encoded by assigning a bit pattern to each character, digit, or multimedia object. Many standards exist for encoding (e.g. character encodings like ASCII, image encodings like JPEG, and video encodings like MPEG-4).

By adding bits to each encoded unit, redundancy allows the computer to both detect errors in coded data and correct them based on mathematical algorithms. Errors generally occur in low probabilities due to random bit value flipping, or «physical bit fatigue», loss of the physical bit in the storage of its ability to maintain a distinguishable value (0 or 1), or due to errors in inter or intra-computer communication. A random bit flip (e.g. due to random radiation) is typically corrected upon detection. A bit or a group of malfunctioning physical bits (the specific defective bit is not always known; group definition depends on the specific storage device) is typically automatically fenced out, taken out of use by the device, and replaced with another functioning equivalent group in the device, where the corrected bit values are restored (if possible). The cyclic redundancy check (CRC) method is typically used in communications and storage for error detection. A detected error is then retried.

Data compression methods allow in many cases (such as a database) to represent a string of bits by a shorter bit string («compress») and reconstruct the original string («decompress») when needed. This utilizes substantially less storage (tens of percents) for many types of data at the cost of more computation (compress and decompress when needed). Analysis of the trade-off between storage cost saving and costs of related computations and possible delays in data availability is done before deciding whether to keep certain data compressed or not.

For security reasons, certain types of data (e.g. credit card information) may be kept encrypted in storage to prevent the possibility of unauthorized information reconstruction from chunks of storage snapshots.

Hierarchy of storage[edit]

Generally, the lower a storage is in the hierarchy, the lesser its bandwidth and the greater its access latency is from the CPU. This traditional division of storage to primary, secondary, tertiary, and off-line storage is also guided by cost per bit.

In contemporary usage, memory is usually semiconductor storage read-write random-access memory, typically DRAM (dynamic RAM) or other forms of fast but temporary storage. Storage consists of storage devices and their media not directly accessible by the CPU (secondary or tertiary storage), typically hard disk drives, optical disc drives, and other devices slower than RAM but non-volatile (retaining contents when powered down).^[2]

Historically, memory has, depending on technology, been called central memory, core memory, core storage, drum, main memory, real storage, or internal memory. Meanwhile, slower persistent storage devices have been referred to as secondary storage, external memory, or auxiliary/peripheral storage.

Primary storage[edit]

Primary storage (also known as main memory, internal memory, or prime memory), often referred to simply as memory, is the only one directly accessible to the CPU. The CPU continuously reads instructions stored there and executes them as required. Any data actively operated on is also stored there in uniform manner.

Historically, early computers used delay lines, Williams tubes, or rotating magnetic drums as primary storage. By 1954, those unreliable methods were mostly replaced by magnetic-core memory. Core memory remained dominant until the 1970s, when advances in integrated circuit technology allowed semiconductor memory to become economically competitive.

This led to modern random-access memory (RAM). It is small-sized, light, but quite expensive at the same time. The particular types of RAM used for primary storage are volatile, meaning that they lose the information when not powered. Besides storing opened programs, it serves as disk cache and write buffer to improve both reading and writing performance. Operating systems borrow RAM capacity for caching so long as not needed by running software.^[3] Spare memory can be utilized as RAM drive for temporary high-speed data storage.

As shown in the diagram, traditionally there are two more sub-layers of the primary storage, besides main large-capacity RAM:

• Processor registers are located inside the processor. Each register typically holds a word of data (often 32 or 64 bits). CPU instructions instruct the arithmetic logic unit to perform various calculations or other operations on this data (or with the help of it). Registers are the fastest of all forms of computer data storage.
• Processor cache is an intermediate stage between ultra-fast registers and much slower main memory. It was introduced solely to improve the performance of computers. Most actively used information in the main memory is just duplicated in the cache memory, which is faster, but of much lesser capacity. On the other hand, main memory is much slower, but has a much greater storage capacity than processor registers. Multi-level hierarchical cache setup is also commonly used—primary cache being smallest, fastest and located inside the processor; secondary cache being somewhat larger and slower.

Main memory is directly or indirectly connected to the central processing unit via a memory bus. It is actually two buses (not on the diagram): an address bus and a data bus. The CPU firstly sends a number through an address bus, a number called memory address, that indicates the desired location of data. Then it reads or writes the data in the memory cells using the data bus. Additionally, a memory management unit (MMU) is a small device between CPU and RAM recalculating the actual memory address, for example to provide an abstraction of virtual memory or other tasks.

As the RAM types used for primary storage are volatile (uninitialized at start up), a computer containing only such storage would not have a source to read instructions from, in order to start the computer. Hence, non-volatile primary storage containing a small startup program (BIOS) is used to bootstrap the computer, that is, to read a larger program from non-volatile secondary storage to RAM and start to execute it. A non-volatile technology used for this purpose is called ROM, for read-only memory (the terminology may be somewhat confusing as most ROM types are also capable of random access).

Many types of «ROM» are not literally read only, as updates to them are possible; however it is slow and memory must be erased in large portions before it can be re-written. Some embedded systems run programs directly from ROM (or similar), because such programs are rarely changed. Standard computers do not store non-rudimentary programs in ROM, and rather, use large capacities of secondary storage, which is non-volatile as well, and not as costly.

Recently, primary storage and secondary storage in some uses refer to what was historically called, respectively, secondary storage and tertiary storage.^[4]

Secondary storage[edit]

Secondary storage (also known as external memory or auxiliary storage) differs from primary storage in that it is not directly accessible by the CPU. The computer usually uses its input/output channels to access secondary storage and transfer the desired data to primary storage. Secondary storage is non-volatile (retaining data when its power is shut off). Modern computer systems typically have two orders of magnitude more secondary storage than primary storage because secondary storage is less expensive.

In modern computers, hard disk drives (HDDs) or solid-state drives (SSDs) are usually used as secondary storage. The access time per byte for HDDs or SSDs is typically measured in milliseconds (thousandths of a second), while the access time per byte for primary storage is measured in nanoseconds (billionths of a second). Thus, secondary storage is significantly slower than primary storage. Rotating optical storage devices, such as CD and DVD drives, have even longer access times. Other examples of secondary storage technologies include USB flash drives, floppy disks, magnetic tape, paper tape, punched cards, and RAM disks.

Once the disk read/write head on HDDs reaches the proper placement and the data, subsequent data on the track are very fast to access. To reduce the seek time and rotational latency, data are transferred to and from disks in large contiguous blocks. Sequential or block access on disks is orders of magnitude faster than random access, and many sophisticated paradigms have been developed to design efficient algorithms based upon sequential and block access. Another way to reduce the I/O bottleneck is to use multiple disks in parallel in order to increase the bandwidth between primary and secondary memory.^[5]

Secondary storage is often formatted according to a file system format, which provides the abstraction necessary to organize data into files and directories, while also providing metadata describing the owner of a certain file, the access time, the access permissions, and other information.

Most computer operating systems use the concept of virtual memory, allowing utilization of more primary storage capacity than is physically available in the system. As the primary memory fills up, the system moves the least-used chunks (pages) to a swap file or page file on secondary storage, retrieving them later when needed. If a lot of pages are moved to slower secondary storage, the system performance is degraded.

Tertiary storage[edit]

Tertiary storage or tertiary memory^[6] is a level below secondary storage. Typically, it involves a robotic mechanism which will mount (insert) and dismount removable mass storage media into a storage device according to the system’s demands; such data are often copied to secondary storage before use. It is primarily used for archiving rarely accessed information since it is much slower than secondary storage (e.g. 5–60 seconds vs. 1–10 milliseconds). This is primarily useful for extraordinarily large data stores, accessed without human operators. Typical examples include tape libraries and optical jukeboxes.

When a computer needs to read information from the tertiary storage, it will first consult a catalog database to determine which tape or disc contains the information. Next, the computer will instruct a robotic arm to fetch the medium and place it in a drive. When the computer has finished reading the information, the robotic arm will return the medium to its place in the library.

Tertiary storage is also known as nearline storage because it is «near to online». The formal distinction between online, nearline, and offline storage is:^[7]

• Online storage is immediately available for I/O.
• Nearline storage is not immediately available, but can be made online quickly without human intervention.
• Offline storage is not immediately available, and requires some human intervention to become online.

For example, always-on spinning hard disk drives are online storage, while spinning drives that spin down automatically, such as in massive arrays of idle disks (MAID), are nearline storage. Removable media such as tape cartridges that can be automatically loaded, as in tape libraries, are nearline storage, while tape cartridges that must be manually loaded are offline storage.

Off-line storage[edit]

Off-line storage is a computer data storage on a medium or a device that is not under the control of a processing unit.^[8] The medium is recorded, usually in a secondary or tertiary storage device, and then physically removed or disconnected. It must be inserted or connected by a human operator before a computer can access it again. Unlike tertiary storage, it cannot be accessed without human interaction.

Off-line storage is used to transfer information, since the detached medium can easily be physically transported. Additionally, it is useful for cases of disaster, where, for example, a fire destroys the original data, a medium in a remote location will be unaffected, enabling disaster recovery. Off-line storage increases general information security, since it is physically inaccessible from a computer, and data confidentiality or integrity cannot be affected by computer-based attack techniques. Also, if the information stored for archival purposes is rarely accessed, off-line storage is less expensive than tertiary storage.

In modern personal computers, most secondary and tertiary storage media are also used for off-line storage. Optical discs and flash memory devices are the most popular, and to a much lesser extent removable hard disk drives. In enterprise uses, magnetic tape is predominant. Older examples are floppy disks, Zip disks, or punched cards.

Characteristics of storage[edit]

Storage technologies at all levels of the storage hierarchy can be differentiated by evaluating certain core characteristics as well as measuring characteristics specific to a particular implementation. These core characteristics are volatility, mutability, accessibility, and addressability. For any particular implementation of any storage technology, the characteristics worth measuring are capacity and performance.

Overview

Characteristic	Hard disk drive	Optical disc	Flash memory	Random-access memory	Linear tape-open
Technology	Magnetic disk	Laser beam	Semiconductor	Magnetic tape
Volatility	No	No	No	Volatile	No
Random access	Yes	Yes	Yes	Yes	No
Latency (access time)	~15 ms (swift)	~150 ms (moderate)	None (instant)	None (instant)	Lack of random access (very slow)
Controller	Internal	External	Internal	Internal	External
Failure with imminent data loss	Head crash	—	Circuitry	—
Error detection	Diagnostic (S.M.A.R.T.)	Error rate measurement	Indicated by downspiking transfer rates	(Short-term storage)	Unknown
Price per space	Low	Low	High	Very high	Very low (but expensive drives)
Price per unit	Moderate	Low	Moderate	High	Moderate (but expensive drives)
Main application	Mid-term archival, routine backups, server, workstation storage expansion	Long-term archival, hard copy distribution	Portable electronics; operating system	Real-time	Long-term archival

Volatility[edit]

Non-volatile memory retains the stored information even if not constantly supplied with electric power. It is suitable for long-term storage of information. Volatile memory requires constant power to maintain the stored information. The fastest memory technologies are volatile ones, although that is not a universal rule. Since the primary storage is required to be very fast, it predominantly uses volatile memory.

Dynamic random-access memory is a form of volatile memory that also requires the stored information to be periodically reread and rewritten, or refreshed, otherwise it would vanish. Static random-access memory is a form of volatile memory similar to DRAM with the exception that it never needs to be refreshed as long as power is applied; it loses its content when the power supply is lost.

An uninterruptible power supply (UPS) can be used to give a computer a brief window of time to move information from primary volatile storage into non-volatile storage before the batteries are exhausted. Some systems, for example EMC Symmetrix, have integrated batteries that maintain volatile storage for several minutes.

Mutability[edit]

Read/write storage or mutable storage

Allows information to be overwritten at any time. A computer without some amount of read/write storage for primary storage purposes would be useless for many tasks. Modern computers typically use read/write storage also for secondary storage.

Slow write, fast read storage

Read/write storage which allows information to be overwritten multiple times, but with the write operation being much slower than the read operation. Examples include CD-RW and SSD.

Write once storage

Write once read many (WORM) allows the information to be written only once at some point after manufacture. Examples include semiconductor programmable read-only memory and CD-R.

Read only storage

Retains the information stored at the time of manufacture. Examples include mask ROM ICs and CD-ROM.

Accessibility[edit]

Random access

Any location in storage can be accessed at any moment in approximately the same amount of time. Such characteristic is well suited for primary and secondary storage. Most semiconductor memories, flash memories and hard disk drives provide random access, though both semiconductor and flash memories have minimal latency when compared to hard disk drives, as no mechanical parts need to be moved.

Sequential access

The accessing of pieces of information will be in a serial order, one after the other; therefore the time to access a particular piece of information depends upon which piece of information was last accessed. Such characteristic is typical of off-line storage.

Addressability[edit]

Location-addressable

Each individually accessible unit of information in storage is selected with its numerical memory address. In modern computers, location-addressable storage usually limits to primary storage, accessed internally by computer programs, since location-addressability is very efficient, but burdensome for humans.

File addressable

Information is divided into files of variable length, and a particular file is selected with human-readable directory and file names. The underlying device is still location-addressable, but the operating system of a computer provides the file system abstraction to make the operation more understandable. In modern computers, secondary, tertiary and off-line storage use file systems.

Content-addressable

Each individually accessible unit of information is selected based on the basis of (part of) the contents stored there. Content-addressable storage can be implemented using software (computer program) or hardware (computer device), with hardware being faster but more expensive option. Hardware content addressable memory is often used in a computer’s CPU cache.

Capacity[edit]

Raw capacity

The total amount of stored information that a storage device or medium can hold. It is expressed as a quantity of bits or bytes (e.g. 10.4 megabytes).

Memory storage density

The compactness of stored information. It is the storage capacity of a medium divided with a unit of length, area or volume (e.g. 1.2 megabytes per square inch).

Performance[edit]

Latency

The time it takes to access a particular location in storage. The relevant unit of measurement is typically nanosecond for primary storage, millisecond for secondary storage, and second for tertiary storage. It may make sense to separate read latency and write latency (especially for non-volatile memory) and in case of sequential access storage, minimum, maximum and average latency.

Throughput

The rate at which information can be read from or written to the storage. In computer data storage, throughput is usually expressed in terms of megabytes per second (MB/s), though bit rate may also be used. As with latency, read rate and write rate may need to be differentiated. Also accessing media sequentially, as opposed to randomly, typically yields maximum throughput.

Granularity

The size of the largest «chunk» of data that can be efficiently accessed as a single unit, e.g. without introducing additional latency.

Reliability

The probability of spontaneous bit value change under various conditions, or overall failure rate.

Utilities such as hdparm and sar can be used to measure IO performance in Linux.

Energy use[edit]

• Storage devices that reduce fan usage automatically shut-down during inactivity, and low power hard drives can reduce energy consumption by 90 percent.^[9][10]
• 2.5-inch hard disk drives often consume less power than larger ones.^[11][12] Low capacity solid-state drives have no moving parts and consume less power than hard disks.^[13][14][15] Also, memory may use more power than hard disks.^[15] Large caches, which are used to avoid hitting the memory wall, may also consume a large amount of power.

Security[edit]

Full disk encryption, volume and virtual disk encryption, andor file/folder encryption is readily available for most storage devices.^[16]

Hardware memory encryption is available in Intel Architecture, supporting Total Memory Encryption (TME) and page granular memory encryption with multiple keys (MKTME).^[17][18] and in SPARC M7 generation since October 2015.^[19]

Vulnerability and reliability[edit]

Distinct types of data storage have different points of failure and various methods of predictive failure analysis.

Vulnerabilities that can instantly lead to total loss are head crashing on mechanical hard drives and failure of electronic components on flash storage.

Error detection[edit]

Impending failure on hard disk drives is estimable using S.M.A.R.T. diagnostic data that includes the hours of operation and the count of spin-ups, though its reliability is disputed.^[20]

Flash storage may experience downspiking transfer rates as a result of accumulating errors, which the flash memory controller attempts to correct.

The health of optical media can be determined by measuring correctable minor errors, of which high counts signify deteriorating and/or low-quality media. Too many consecutive minor errors can lead to data corruption. Not all vendors and models of optical drives support error scanning.^[21]

Storage media[edit]

As of 2011, the most commonly used data storage media are semiconductor, magnetic, and optical, while paper still sees some limited usage. Some other fundamental storage technologies, such as all-flash arrays (AFAs) are proposed for development.

Semiconductor[edit]

Semiconductor memory uses semiconductor-based integrated circuit (IC) chips to store information. Data are typically stored in metal–oxide–semiconductor (MOS) memory cells. A semiconductor memory chip may contain millions of memory cells, consisting of tiny MOS field-effect transistors (MOSFETs) and/or MOS capacitors. Both volatile and non-volatile forms of semiconductor memory exist, the former using standard MOSFETs and the latter using floating-gate MOSFETs.

In modern computers, primary storage almost exclusively consists of dynamic volatile semiconductor random-access memory (RAM), particularly dynamic random-access memory (DRAM). Since the turn of the century, a type of non-volatile floating-gate semiconductor memory known as flash memory has steadily gained share as off-line storage for home computers. Non-volatile semiconductor memory is also used for secondary storage in various advanced electronic devices and specialized computers that are designed for them.

As early as 2006, notebook and desktop computer manufacturers started using flash-based solid-state drives (SSDs) as default configuration options for the secondary storage either in addition to or instead of the more traditional HDD.^{[22][23][24][25][26]}

Magnetic[edit]

Magnetic storage uses different patterns of magnetization on a magnetically coated surface to store information. Magnetic storage is non-volatile. The information is accessed using one or more read/write heads which may contain one or more recording transducers. A read/write head only covers a part of the surface so that the head or medium or both must be moved relative to another in order to access data. In modern computers, magnetic storage will take these forms:

• Magnetic disk;
  • Floppy disk, used for off-line storage;
  • Hard disk drive, used for secondary storage.
• Magnetic tape, used for tertiary and off-line storage;
• Carousel memory (magnetic rolls).

In early computers, magnetic storage was also used as:

• Primary storage in a form of magnetic memory, or core memory, core rope memory, thin-film memory and/or twistor memory;
• Tertiary (e.g. NCR CRAM) or off line storage in the form of magnetic cards;
• Magnetic tape was then often used for secondary storage.

Magnetic storage does not have a definite limit of rewriting cycles like flash storage and re-writeable optical media, as altering magnetic fields causes no physical wear. Rather, their life span is limited by mechanical parts.^[27][28]

Optical[edit]

Optical storage, the typical optical disc, stores information in deformities on the surface of a circular disc and reads this information by illuminating the surface with a laser diode and observing the reflection. Optical disc storage is non-volatile. The deformities may be permanent (read only media), formed once (write once media) or reversible (recordable or read/write media). The following forms are currently in common use:^[29]

• CD, CD-ROM, DVD, BD-ROM: Read only storage, used for mass distribution of digital information (music, video, computer programs);
• CD-R, DVD-R, DVD+R, BD-R: Write once storage, used for tertiary and off-line storage;
• CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM, BD-RE: Slow write, fast read storage, used for tertiary and off-line storage;
• Ultra Density Optical or UDO is similar in capacity to BD-R or BD-RE and is slow write, fast read storage used for tertiary and off-line storage.

Magneto-optical disc storage is optical disc storage where the magnetic state on a ferromagnetic surface stores information. The information is read optically and written by combining magnetic and optical methods. Magneto-optical disc storage is non-volatile, sequential access, slow write, fast read storage used for tertiary and off-line storage.

3D optical data storage has also been proposed.

Light induced magnetization melting in magnetic photoconductors has also been proposed for high-speed low-energy consumption magneto-optical storage.^[30]

Paper[edit]

Paper data storage, typically in the form of paper tape or punched cards, has long been used to store information for automatic processing, particularly before general-purpose computers existed. Information was recorded by punching holes into the paper or cardboard medium and was read mechanically (or later optically) to determine whether a particular location on the medium was solid or contained a hole. Barcodes make it possible for objects that are sold or transported to have some computer-readable information securely attached.

Relatively small amounts of digital data (compared to other digital data storage) may be backed up on paper as a matrix barcode for very long-term storage, as the longevity of paper typically exceeds even magnetic data storage.^[31][32]

Other storage media or substrates[edit]

Vacuum-tube memory

A Williams tube used a cathode-ray tube, and a Selectron tube used a large vacuum tube to store information. These primary storage devices were short-lived in the market, since the Williams tube was unreliable, and the Selectron tube was expensive.

Electro-acoustic memory

Delay-line memory used sound waves in a substance such as mercury to store information. Delay-line memory was dynamic volatile, cycle sequential read/write storage, and was used for primary storage.

Optical tape

is a medium for optical storage, generally consisting of a long and narrow strip of plastic, onto which patterns can be written and from which the patterns can be read back. It shares some technologies with cinema film stock and optical discs, but is compatible with neither. The motivation behind developing this technology was the possibility of far greater storage capacities than either magnetic tape or optical discs.

Phase-change memory

uses different mechanical phases of phase-change material to store information in an X–Y addressable matrix and reads the information by observing the varying electrical resistance of the material. Phase-change memory would be non-volatile, random-access read/write storage, and might be used for primary, secondary and off-line storage. Most rewritable and many write-once optical disks already use phase-change material to store information.

Holographic data storage

stores information optically inside crystals or photopolymers. Holographic storage can utilize the whole volume of the storage medium, unlike optical disc storage, which is limited to a small number of surface layers. Holographic storage would be non-volatile, sequential-access, and either write-once or read/write storage. It might be used for secondary and off-line storage. See Holographic Versatile Disc (HVD).

Molecular memory

stores information in polymer that can store electric charge. Molecular memory might be especially suited for primary storage. The theoretical storage capacity of molecular memory is 10 terabits per square inch (16 Gbit/mm²).^[33]

Magnetic photoconductors

store magnetic information, which can be modified by low-light illumination.^[30]

DNA

stores information in DNA nucleotides. It was first done in 2012, when researchers achieved a ratio of 1.28 petabytes per gram of DNA. In March 2017 scientists reported that a new algorithm called a DNA fountain achieved 85% of the theoretical limit, at 215 petabytes per gram of DNA.^{[34][35][36][37]}

[edit]

Redundancy[edit]

While a group of bits malfunction may be resolved by error detection and correction mechanisms (see above), storage device malfunction requires different solutions. The following solutions are commonly used and valid for most storage devices:

• Device mirroring (replication) – A common solution to the problem is constantly maintaining an identical copy of device content on another device (typically of a same type). The downside is that this doubles the storage, and both devices (copies) need to be updated simultaneously with some overhead and possibly some delays. The upside is possible concurrent read of a same data group by two independent processes, which increases performance. When one of the replicated devices is detected to be defective, the other copy is still operational, and is being utilized to generate a new copy on another device (usually available operational in a pool of stand-by devices for this purpose).
• Redundant array of independent disks (RAID) – This method generalizes the device mirroring above by allowing one device in a group of ndevices to fail and be replaced with the content restored (Device mirroring is RAID with n=2). RAID groups of n=5 or n=6 are common. n>2 saves storage, when comparing with n=2, at the cost of more processing during both regular operation (with often reduced performance) and defective device replacement.

Device mirroring and typical RAID are designed to handle a single device failure in the RAID group of devices. However, if a second failure occurs before the RAID group is completely repaired from the first failure, then data can be lost. The probability of a single failure is typically small. Thus the probability of two failures in a same RAID group in time proximity is much smaller (approximately the probability squared, i.e., multiplied by itself). If a database cannot tolerate even such smaller probability of data loss, then the RAID group itself is replicated (mirrored). In many cases such mirroring is done geographically remotely, in a different storage array, to handle also recovery from disasters (see disaster recovery above).

Network connectivity[edit]

A secondary or tertiary storage may connect to a computer utilizing computer networks. This concept does not pertain to the primary storage, which is shared between multiple processors to a lesser degree.

• Direct-attached storage (DAS) is a traditional mass storage, that does not use any network. This is still a most popular approach. This retronym was coined recently, together with NAS and SAN.
• Network-attached storage (NAS) is mass storage attached to a computer which another computer can access at file level over a local area network, a private wide area network, or in the case of online file storage, over the Internet. NAS is commonly associated with the NFS and CIFS/SMB protocols.
• Storage area network (SAN) is a specialized network, that provides other computers with storage capacity. The crucial difference between NAS and SAN, is that NAS presents and manages file systems to client computers, while SAN provides access at block-addressing (raw) level, leaving it to attaching systems to manage data or file systems within the provided capacity. SAN is commonly associated with Fibre Channel networks.

Robotic storage[edit]

Large quantities of individual magnetic tapes, and optical or magneto-optical discs may be stored in robotic tertiary storage devices. In tape storage field they are known as tape libraries, and in optical storage field optical jukeboxes, or optical disk libraries per analogy. The smallest forms of either technology containing just one drive device are referred to as autoloaders or autochangers.

Robotic-access storage devices may have a number of slots, each holding individual media, and usually one or more picking robots that traverse the slots and load media to built-in drives. The arrangement of the slots and picking devices affects performance. Important characteristics of such storage are possible expansion options: adding slots, modules, drives, robots. Tape libraries may have from 10 to more than 100,000 slots, and provide terabytes or petabytes of near-line information. Optical jukeboxes are somewhat smaller solutions, up to 1,000 slots.

Robotic storage is used for backups, and for high-capacity archives in imaging, medical, and video industries. Hierarchical storage management is a most known archiving strategy of automatically migrating long-unused files from fast hard disk storage to libraries or jukeboxes. If the files are needed, they are retrieved back to disk.

See also[edit]

Primary storage topics[edit]

• Aperture (computer memory)
• Dynamic random-access memory (DRAM)
• Memory latency
• Mass storage
• Memory cell (disambiguation)
• Memory management
  • Memory leak
  • Virtual memory
• Memory protection
• Page address register
• Stable storage
• Static random-access memory (SRAM)

Secondary, tertiary and off-line storage topics[edit]

• Cloud storage
• Hybrid cloud storage
• Data deduplication
• Data proliferation
• Data storage tag used for capturing research data
• Disk utility
• File system
  • List of file formats
  • Global filesystem
• Flash memory
• Geoplexing
• Information repository
• Noise-predictive maximum-likelihood detection
• Object(-based) storage
• Removable media
• Solid-state drive
• Spindle
• Virtual tape library
• Wait state
• Write buffer
• Write protection

Data storage conferences[edit]

• Storage Networking World
• Storage World Conference

Notes[edit]

References[edit]

 This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. Archived from the original on 22 January 2022.

Further reading[edit]

• Goda, K.; Kitsuregawa, M. (2012). «The history of storage systems». Proceedings of the IEEE. 100: 1433–1440. doi:10.1109/JPROC.2012.2189787.
• Memory & storage, Computer history museum

Как передается информация в компьютере

Используя ресурсы Интернет, найти ответы на вопросы:

1. Что представляет из себя процесс передачи информации?

Передача информации — физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Записали информацию на диск и перенесли в другую комнату. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов:

Схема передачи информации:

Источник информации – информационный канал – приемник информации.

Информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи ис­пользуются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.

Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):

Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам: пло­хое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же ка­налам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума.

Клодом Шенноном была разработана специальная теория ко­дирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части ин­формации при передаче может быть компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это при­ведёт к задержкам и подорожанию связи.

2. Общая схема передачи информации

3. Перечислите известные вам каналы связи
Канал связи (англ. channel, data line ) — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

5. Что такое пропускная способность канала передачи информации?
Пропускная способность — метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.
В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной/полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность — один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.

Скорость передачи информации зависит в значительной степени от скорости её создания (производительности источника), способов кодирования и декодирования. Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала, по определению, есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.

5. В каких единицах измеряется пропускная способность каналов передачи информации?

Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах — штуки, бит/сек, тонны, кубические метры и т. д.

Источник

Как передается информация в компьютере

Код ОГЭ: 1.2.1 Процесс передачи информации, источник и приемник информации, сигнал, скорость передачи информации

Передача информации — перемещение сообщений от источника к приемнику по каналу передачи. В процессе передачи информации всегда имеется несколько участников:

Общую схему передачи информации разработал основоположник цифровой связи (создатель теории информации) Клод Шеннон.

Передача информации означает ее перемещение в виде информационных сообщений в пространстве — от источника к приемнику. Передаваемое источником сообщение кодируется в передаваемый сигнал.

Источниками и приемниками информации могут быть живые существа или технические устройства. Каналами связи могут быть, например, электромагнитные, звуковые и световые волны.

Информационные сообщения передаются по каналам связи в форме сигналов. Сигнал — это изменение во времени некоторой физической величины (например, уровня напряжения). Именно изменения некоторых параметров (характеристик) сигнала отображают сообщение. Таким образом, сигналы являются материально–энергетической формой представления информации.

Сигналы могут быть аналоговыми (непрерывными) или дискретными (импульсными). Сигнал является дискретным, если его параметр может принимать только конечное число значений и существует лишь в конечное число моментов времени. В компьютерах используются сигналы, которые могут принимать только два дискретных значения — 0 и 1.

По способу передачи сигналов различают каналы проводной связи (например, кабельные) и каналы беспроводной связи (например, спутниковые).

По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные, акустические, оптические, инфракрасные и радиоканалы. Например, один из современных каналов передачи информации — световод (оптоволокно) — позволяет передавать сигналы лазеров на расстояние более 100 км без усиления.

Основной характеристикой каналов передачи информации является их пропускная способность, или скорость передачи по каналу информации.

Скорость передачи информации (информационных сообщений) — количество информации, переданное в единицу времени. Скорость передачи сообщений обычно измеряется в битах за секунду (бит/с). Кроме того, используются другие единицы: килобиты за секунду (Кбит/с), мегабиты за секунду (Мбит/с), байты за секунду (Б/с), килобайты за секунду (Кб/с).

Скорость передачи информации отображает, как быстро передается информация от источника к получателю — безотносительно к тому, по каким каналам происходит передача.

Пропускная способность канала — максимальное количество переданной или полученной по этому каналу информации за единицу времени. Таким образом, пропускная способность канала — максимально возможная скорость передачи информации по этому каналу. Например, пропускная способность современных оптоволоконных каналов — более 100 Мбит/с, т. е. в миллиарды раз выше, чем у нервной системы человека при чтении текстов.

Пропускная способность канала измеряется в тех же единицах, что и скорость передачи информации.

В сетях передачи данных по одному каналу может одновременно происходить огромное количество процессов передачи информации (от многих источников ко многим получателям). При этом скорость передачи информации для каждой конкретной пары «источник — получатель» может быть разной, а пропускная способность канала — величина, как правило, постоянная.

Конспект урока по информатике «Процесс передачи информации».

Источник

Как компьютер обрабатывает информацию

Почти в каждом доме есть компьютер и даже не один, а несколько. Но мало кто понимает, как компьютер обрабатывает информацию и понимает нас. Если вы недавно закончили школу или еще учитесь, то на уроках информатики наверняка проходили эту тему, а вот более старшее поколение этого наверняка не знает и даже не задумывается о том, что «разговаривает» с компьютером на языке цифр в двоичной системе исчисления.

Как компьютер обрабатывает информацию

2 — 10 (один-ноль) (одна единица второго разряда)

4 — 100 (один-ноль-ноль) (одна единица третьего разряда

5 — 101 (один-ноль-один)

6 — 110 (один-один-ноль)

7 — 111 (один-один-один)

8 — 1000 (один-ноль-ноль-ноль) (одна единица четвертого разряда)

9 — 1001 (один-ноль-ноль-один)

10 – 1010 (один-ноль-один-ноль)

Если вы хотите понять язык компьютера, необходимо изучить двоичную систему исчисления.

Нули и единицы в компьютере называют битами, а группы из восьми битов называют байтами.

В один байт можно записать число от 0 до 255.

В двух байтах можно записать число от 0 до 65535.

В трех байтах можно записать число от 0 до 16 миллионов.

число 2000 = 00000111 11010000

записывается в двух байтах, по 8 битов в каждом.

С числами более-менее понятно, а как же компьютер понимает текст?

Любые буквы компьютер переводит в числа. Превратив букву в число, компьютер превращает число в сигналы и записывает их, как и числа, — битами, из которых собираются байты:

Полная таблица кодов русского алфавита Ascii

Нажимая на клавишу клавиатуры вы даете компьютеру сигнал в двоичной системе исчисления, (каждой клавише соответствует свой код). Он понимает ее и при помощи специальной программы переводит этот сигнал в понятный для нас символ и выводит его на монитор. Грубо говоря, получается, что клавиатура служит переводчиком между нами и компьютером.

Тоже самое происходит и с графической информацией. Для того, чтобы сохранить картинку и работать с ней на компьютере, ее необходимо превратить в сигналы, т.е. оцифровать. Для этой цели можно воспользоваться сканером или цифровым фотоаппаратом или видеокамерой.

Каждая точка имеет свой код:

Черная точка: 0, 0, 0;

Белая точка: 255, 255, 255;

Коричневая: 153, 102, 51;

И т. д. У каждого цвета – свой шифр (цветовой код).

Ниже хорошее видео на эту тему:

Таблица
соответствия цветов их шестнадцатиричным
RGB-составляющим .

Источник

Урок 3. Как работает компьютер

Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает.

В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).

Во втором уроке мы разобрались, что компьютер нужен для обработки информации, её хранения и передачи. Посмотрим же, как происходит обработка информации.

Как хранится информация на компьютере

Компьютер хранит, передаёт и обрабатывает информацию в виде нолей «0» и единиц «1», то есть используется двоичный код и двоичная система счисления.

Например, десятичное число «9» он видит как двоичное число «1001».

В виде нолей и единиц хранятся и все данные, которые необходимо обработать, и все программы, которые руководят процессом обработки.

Например, фотографию компьютер видит так (только первые две строчки файла из 527 строк):

Так человек видит изображение:

Компьютер видит набор «0» и «1»

(первые две строчки файла):

1111 1111 1101 1000 1111 1111 1110 0000
0000 0000 0001 0000 0100 1010 0100 0110
0100 1001 0100 0110 0000 0000 0000 0001
0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0001
0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000
1111 1111 1101 1011 0000 0000 0100 0011
0000 0000 0000 0011 0000 0010 0000 0010
0000 0011 0000 0010 0000 0010 0000 0011

А текст для компьютера выглядит так:

Человек видит текст:

Компьютер опять видит набор «0» и «1»:

0100 1001 0101 0100 0010 1101 0111 0101
0111 0010 0110 1111 0110 1011 0110 1001
0010 1110 0111 0010 0111 0101

Сегодня мы не будем разбираться в тонкостях вычислений и преобразований, посмотрим на процесс в общем.

Где хранится информация

Когда информация занесена в компьютер (записана), то она хранится на специальном устройстве – накопителе данных. Обычно накопитель данных – это жесткий диск (винчестер).

Жестким диском это устройство называется из-за конструкции. Внутри его корпуса находится один или несколько твердых блинов (металлических или стеклянных), на которых и хранятся все данные (текстовые документы, фотографии, фильмы и т.д.) и установленные программы (операционная система, прикладные программы, как Word, Excel, и др.).

Жесткий диск (накопитель данных) хранит программы и данные

Информация на жестком диске хранится и после выключения компьютера.

Подробнее об устройстве жесткого диска мы узнаем в одном из следующих IT-уроков.

Что обрабатывает всю информацию в компьютере

Основная задача компьютера – обрабатывать информацию, то есть выполнять вычисления. Большую часть вычислений выполняет специальное устройство – процессор. Это сложная микросхема, содержащая сотни миллионов элементов (транзисторов).

Процессор – обрабатывает информацию

Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.

Схема обработки данных

Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).

Но жесткий диск – относительно медленное устройство, и если бы процессор ждал, пока будет считываться информация, а потом записываться после обработки обратно, то он бы долго оставался без дела.

Не оставим процессор без дела

Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – оперативную память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.

Оперативная память – ускоряет доступ процессора к программам и данным

В оперативную память заранее считываются с жёсткого диска все необходимые программы и данные. Во время работы процессор обращается к оперативной памяти, считывает команды программы, которая говорит какие данные нужно взять и как именно их обработать.

При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).

Процесс обработки информации

Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.

Анимация процесса обработки информации компьютером (IT-uroki.ru)

Когда компьютер выключен, все программы и данные хранятся на жестком диске. При включении компьютера и запуске программы, происходит следующее:

1. Программа с жесткого диска заносится в оперативную память и сообщает процессору, какие загрузить данные в оперативную память.

2. Процессор поочередно выполняет команды программы, порциями обрабатывая данные, взяв их из оперативной памяти.

3. Когда данные обработаны, результат вычислений процессор возвращает в оперативную память и берет следующую порцию данных.

4. Результат работы программы возвращается на жесткий диск и сохраняется.

Описанные шаги показаны красными стрелками на анимации (эксклюзивно от сайта IT-uroki.ru).

Ввод и вывод информации

Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных:

Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных:

Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:

Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:

Ввод, обработка и вывод данных

То есть компьютер работает с ноликами и единичками, а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).

Подводим итог

Итак, сегодня мы вместе с сайтом IT-uroki.ru узнали, как работает компьютер. Если кратко, то компьютер получает данные с устройств ввода (клавиатура, мышь и т.д.), заносит их на жесткий диск, затем передает в оперативную память и обрабатывает с помощью процессора. Результат обработки возвращается сначала в оперативную память, затем либо на жесткий диск, либо сразу на устройства вывода (например, монитор).

Если появились вопросы, можно задать их в комментариях к этой статье.

Обо всех перечисленных в сегодняшнем уроке устройствах Вы можете узнать подробнее из последующих уроков на сайте IT-уроки. Чтобы не пропустить новые уроки – подпишитесь на новости сайта.

Копирование запрещено

Напомню, что на сайте IT-уроки есть постоянно обновляемые справочники:

Видео-дополнение

Сегодня небольшое познавательное видео о производстве процессоров.

Источник

Как передается информация в компьютере

Компьютер – наше будущее. Мы живем в мире, где почти все погружены в виртуальный мир, мир интернета. Электронные деньги, покупки, социальные сети и многое другое – это уже не новинка. Мы все время проводим за компьютером, потому что он уже стал частью нашей жизни. Мы общаемся, передаем информацию в интернете. Играем, работаем и многое другое. Компьютер стал настоящим средством помощи и развлечения. Мы все пользуемся компьютером, но не все знают, как он работает. Как передается информация в компьютере? Попробуем это выяснить.

Как передается информация в компьютере во время работы за ним?

Информация – это очень разная штука. Но мы поговорим о информации внутри компьютера. Передается информация в компьютере посредством сигналов. Для начала можно привести ряд действий: ввод, вывод, обработка, анализ, изменение, преобразование, накопление, хранение, создание, запись информации. Но информация в компьютере как-то передается?

Процесс передачи информации в компьютере схож с процессом в интернете. Существует большое количество многоуровневых протоколов. Конечно, устройство этих протоколов намного сложнее, чем интернет аналоги, да и функции расходятся, но направлены они на одно и то же.

С помощью каких уровней передается информация в компьютере?

Каждый уровень несет свои правила и обязанности. Нижний – отвечает за правила передачи маленьких порций информации внутри сети. Передаётся информация в компьюторе и может быть искажена, тогда идет запрос на восстановления лишь искаженной части, а не всей информации. Следующий уровень имеет возможности разбивать и собирать большие массивы данных. Если возникают какие-то проблемы, то этот уровень пользуется прошлым протоколом (нижним уровнем). Следующий уровень отвечает за передачу целого файла и так далее. Из этого можно составить целую систему, многоуровневую систему.

Для каждого из видов файлов существует свой многоуровневый протокол с аналогичной структурой.

Источник

Современные устройства обработки и хранения информации обладают следующими параметрами:

• информационная емкость (бит);
• используемая мощность;
• срок хранения информации;
• скорость действия.

Электронные устройства хранения информации бывают:

• внешние или периферийные;
• внутренние.

Внешние устройства ввода и хранения информации

К ним относятся жесткие диски, флэш-карты, CD, DVD, BD, магнитные диски. Эти устройства используемые для хранения информации можно отсоединить от ПК и передать информацию на другой компьютер.

Основной недостаток таких устройств – низкая скорость работы. Внешняя память рассчитана хранения файлов и данных на длительный срок.

Накопители на гибких магнитных дисках, выполненные в виде дискет формата 5,25 или 3,5 практически не используются. Объем памяти дискеты 5,25 составляет 1,2 Мб, сейчас они не применяются. Емкость дискеты формата 3,5 составляет 2,88 Мб, распространенными были накопители емкостью 1,44 Мб.

Жесткие магнитные диски более сложные устройства хранения данных. На них можно накапливать большой объем информации и передавать с высокой скоростью. НЖМД постоянно модернизируются, при этом принцип работы устройств остается неизменным.

Стримеры – позволяют записывать информацию на магнитную ленту. Алгоритм действия устройства аналогичен с кассетным магнитофоном. Запись данных осуществляется на магнитную ленту, которая протягивается через головки. Физические характеристики носителя ограничены по емкости и скорости.

Недостатки стримера:

• длительность времени доступа при чтении данных;
• маленький объем памяти, не превышающий нескольких Гб.

Оптические диски

Compact Disk (CD) выполненный в виде пластикового диска в центре которого круглое отверстие, оптическое устройство вывода и хранения информации. Классический объем памяти 700 Мб. Данные на CD записывают и считывают с помощью лазера.

Digital Versatile Dick (DVD) представляет собой оптический многофункциональный цифровой диск. Устройства записи хранения информации бывают:

• односторонние и однослойные DVD с объемом памяти 4,7 Гб;
• двухсторонние (двухслойные) с удвоенным объемом памяти 17 Гб.

Blu-Rey Disc (BD) применяется для записи и хранения данных, видео формата высокой четкости и плотности. Оптический носитель цифровой данных.

Магнитно-оптический диск CD-MO – носитель информации, с емкостью от 125 Мб до 2,6 Гб. Объединяет качества оптически и магнитных накопителей.

Flash-карты

Представляют собой устройства хранения информации и ввода-вывода данных. Не имеют подвижных частей и созданы на одной микросхеме. Алгоритм работы устройства основан на применении кристаллов электрически программируемой флэш-памяти. Принцип работы для всех модификаций ячеек флэш-памяти идентичен для всех устройств. Различия заключаются в интерфейсе и применяемом контроллере, что объясняет различия в емкости, быстроту передачи данных и объеме электропотребления.

Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD) практически не применяются из-за низкой скорости работы и маленькой емкости 64 Мб и 256 Мб.

SmartMedia – популярный формат для карт общего применения, таких как банковские, удостоверения личности, проездные метро и прочие. Выглядят как тонкие пластинки с открытыми контактами весом 2 гр. Емкость устройства составляет до 128 Мбайт и скорость передачи данных до 600 Кб/с. Такие параметры позволяют использовать устройства для удобного способа хранения информации в цифровой фотографии и устройствах MP3.

USB Flash Drive – устройства сопряжения с пропускной способностью 12 Мбит/с. Современная модификация USB 2.0 обладают пропускной способностью до 480 Мбит/с. Используется как переносчик файлов, как обычный накопитель, с помощью которого можно воспроизводить музыку, видео, создавать и редактировать файлы.

PC Card (PCMCIA ATA) – ведущий тип флэш-памяти для ПК. Есть следующие форматы карточек: Type I, Type II, Type III, CardBus. Различаются между собой размерами, рабочим напряжением, разъемами. Емкость устройств может достигать 4 Гб, обмен данными с жестким диском осуществляется со скоростью до 20Мбит/с.

Miniature Card (MC) – обладает объемом памяти 64 Мбайт и выше, карточка флэш-памяти используется для карманных ПК, цифровых фотокамер, мобильных телефонов.

Внутренние устройства хранения информации

Встроены непосредственно в системную плату ПК. Обладают высокой скоростью обработки данных.

Оперативная память (Random Access Memory – RAM, ОЗУ) – представляет собой устройство для хранения данных, программ, они управляют обработкой информации. Выглядит как набор микросхем, помещенных на модуле (планке). Размещается в соответствующем разъеме материнской платы и таким образом связывается с прочими устройствами ПК.

Прежде чем программа начнет работать, она загружается в оперативную память и хранит данные только во время работы компьютера. Хранит загруженную, работающую программу, данные для обработки. Если предполагается использование данных после выключения компьютера, то документы следует записать на устройство внешней памяти. Чтобы загрузить программу в оперативную память, нужна операционная система. Загружается в оперативную память, затем можно использовать инструменты для загрузки прочих программ.

Основные характеристики устройства передачи и хранения информации:

• Объем памяти складывается из максимального количества помещенной информации, показываются в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах.
• Платность записи информации отражается в количестве информации, зафиксированной на единице поверхности носителя, бит/см2;
• Время доступа к памяти выражается в минимальном времени, достаточном для помещения в память единицу информации.

Оперативная память выглядит как печатная плата с рядами контактов, на которые помещают модули памяти. Они отличаются между собой размерами и числом контактов (SIMM и DIMM), скорости работы, объему. Модули памяти имеют частоту 133 МГц и выше. Состоят из большого числа ячеек, на каждой из них хранится отдельная информация. При недостаточной памяти, устройство будет работать медленно или вовсе не будет работать.

Кэш-память отличается очень коротким временем к доступу информации. Встроена в микросхему. Средние размеры 256 или 512 Кбайт, для мощных компьютеров 1 Гб и более. В кэш-памяти хранятся копии данных последних обращений к областям оперативной памяти. Предназначена, для быстрого доступа к информации сокращает срок выполнения команд программы. Использование кэш-памяти увеличивает производительность системы, соответственно чем выше ее размер, тем выше скорость работы системы.

CMOS – память – устройство позволяющее длительно хранить информацию о настройках ПК, включая дату, время, пароли даже при выключенном ПК. Выглядит как электронная схема со средней скоростью действия и низким энергопотреблением. Работает от специального аккумулятора, память является полупостоянной.

BIOS (Basik Input/Output System) – это устройство постоянного хранения информации, постоянная память, данные в которую заносятся в процессе ее производства. Включает в себя функции для управления ПК, начальный этап загрузки ОС, программа настройки конфигурации.

 «Функциональна схема ПК»

Перечень
рассматриваемых вопросов:

1.         
Устройства
управления

2.         
Запоминающие
устройства.

Перечень
необходимой литературы и (или) других источников:

1.     Балдин,
К.В. Информатика для ВУЗов: Учебник / К.В. Балдин, В.Б. Уткин. — М.: Дашков и К,
2016. — 395 c.

3.     Блиновская,
Я.Ю. Введение в информатику: Учебное пособие / Я.Ю. Блиновская, Д.С. Задоя. —
М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2016. — 112 c.

2.     Гуда А. Н.
Информатика. Общий курс : учебник / А. Н. Гуда, М. А. Бутакова, Н. М.
Нечитайло, А. В. Чернов ; под общ. ред. В. И. Колесникова. -4-е изд. – М.:
Издательско-торговая корпорация Дашков и К, 2011. — 399 с

Рекомендации
по актуализации знаний: для более качественного освоения
материала по данной дисциплине необходимы знания школьной программы.

Конспект
лекции

В процессе работы компьютера программы,
исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо
где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в составе
компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называют памятью.
Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, представляет собой
закодированные с помощью цифр 0 и 1 различные символы (цифры, буквы, знаки),
звуки, изображения.

Память
компьютера — совокупность устройств для хранения информации.

В процессе развития вычислительной техники
люди вольно или невольно пытались по образу и подобию собственной памяти
проектировать и создавать различные технические устройства хранения информации.
Чтобы лучше понять назначение и возможности различных запоминающих устройств
компьютера, можно провести аналогию с тем, как хранится информация в памяти
человека.

Может ли человек хранить всю информацию об
окружающем мире в своей памяти и нужно ли это ему?

Информация, которую человек постоянно
хранит в своей внутренней памяти, характеризуется гораздо меньшим объемом по
сравнению с информацией, сосредоточенной в книгах, кинолентах, на
видеокассетах, дисках и других материальных носителях. Можно сказать, что
материальные носители, используемые для хранения информации, составляют внешнюю
память человека. Для того чтобы воспользоваться информацией, хранящейся в этой
внешней памяти, человек должен затратить гораздо больше времени, чем если бы
она хранилась в его собственной памяти. Этот недостаток компенсируется тем, что
внешняя память позволяет сохранять информацию сколь угодно длительное время и
использовать ее может множество людей.

Существует еще один способ хранения
информации человеком. Только что появившийся на свет малыш уже несет в себе
внешние черты и, частично, характер, унаследованный от родителей. Это так называемая
генетическая память. Новорожденный многое умеет: дышит, спит, ест… Эту
разновидность внутренней памяти человека можно назвать постоянной, неизменной.

Подобный принцип разделения памяти
использован и в компьютере. Вся компьютерная память поделена на внутреннюю и
внешнюю. Аналогично памяти человека, внутренняя память компьютера является
быстродействующей, но имеет ограниченный объем. Работа же с внешней памятью
требует гораздо большего времени, но она позволяет хранить практически
неограниченное количество информации.

Внутренняя память состоит
из нескольких частей:

 оперативной,

 постоянной и

кэш-памяти.

 Это связано с тем, что используемые
процессором программы можно условно разделить на две группы: временного
(текущего) и постоянного использования. Программы и данные временного
пользования хранятся в оперативной памяти и кэш-памяти только до тех пор, пока
включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них
часть внутренней памяти полностью очищается. Другая часть внутренней памяти,
называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее
программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения
компьютера.

Внешняя память компьютера
по аналогии с тем, как человек обычно хранит информацию в книгах, газетах,
журналах, на магнитных лентах и пр., тоже может быть организована на различных
материальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнитных лентах, на
лазерных дисках (компакт-дисках).

Существует две распространенные операции с
памятью — считывание (чтение) информации из памяти и запись ее в память для
хранения. Для обращения к областям памяти используются адреса.

При считывании порции информации из памяти
осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся
определенные действия: числа участвуют в вычислениях, слова используются при
создании текста, из звуков создается мелодия и т. д. После считывания
информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на
ее место не будет записана другая информация.

При записи (сохранении) порции
информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь
записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана
другая.

Операции чтения и записи можно
сравнить с известными вам в быту процедурами воспроизведения и записи,
выполняемыми с обычным кассетным магнитофоном. Когда вы прослушиваете музыку,
то считываете информацию, хранящуюся на ленте. При этом информация на ленте не
исчезает. Но после записи нового альбома любимой рок-группы ранее хранившаяся
на ленте информация будет затерта и утрачена навсегда.

Чтение
(считывание) информации из памяти — процесс получения информации из области
памяти по заданному адресу.

Запись
(сохранение) информации в памяти — процесс размещения информации в памяти по
заданному адресу для хранения.

Важной характеристикой памяти любого вида
является ее объем, называемый также емкостью. Этот параметр показывает, какой
максимальный объем информации можно хранить в памяти. Для измерения объема
памяти используются следующие единицы: байты, килобайты (Кбайт), мегабайты
(Мбайт), гигабайты (Гбайт).

Объем
(емкость) памяти — максимальное количество хранимой в ней информации.

Свойства памяти:

Внутренняя память ПК обладает двумя
основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность –
память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит
двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная
цифра).

Бит –
наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два
смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти
компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память
– это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта
последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа
образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц
измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.
1Кб = 210 байт =1024б
1Мб = 210 Кбайт =1024Кб
1Гб = 1024Мб

 Ячейка памяти –
группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию,
доступную для обработки отдельной командой процессора.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти
пронумерованы. Нумерация начинается с 0.
Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости
памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и
извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или
поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память
равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.
Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в
машинном слове.

Внутренняя память

Характерными особенностями внутренней
памяти по сравнению с внешней являются высокое быстродействие и ограниченный
объем. Физически внутренняя память компьютера представляет собой интегральные
микросхемы (чипы), которые размещаются в специальных подставках (гнездах) на
плате. Чем больше размер внутренней памяти, тем более сложную задачу и с
большей скоростью может решить компьютер.

Постоянная память хранит очень важную для
нормальной работы компьютера информацию. В частности, в ней содержатся
программы, необходимые для проверки основных устройств компьютера, а также для
загрузки операционной системы. Очевидно, что изменять эти программы нельзя, так
как при любом вмешательстве сразу станет невозможным последующее использование
компьютера. Поэтому разрешено только чтение хранимой там постоянно информации.
Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое ее английское
название Read Only Memory (ROM) — память только для чтения. 

Вся записанная в постоянную память
информация сохраняется и после выключения компьютера, так как микросхемы
являются энергонезависимыми. Запись информации в постоянную память происходит
обычно только один раз — при производстве соответствующих чипов фирмой-изготовителем.

Постоянная
память — устройство для долговременного хранения программ и данных.

Существует две основные разновидности
микросхем постоянной памяти: однократно программируемые (после записи
содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые.
Изменение содержимого многократно программируемой памяти производится путем
электронного воздействия.

Оперативная память хранит информацию,
необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные,
команды, промежуточные и конечные результаты. Эта память работает только при
включенном электропитании компьютера. После его выключения содержимое
оперативной памяти стирается, так как микросхемы являются энергозависимыми
устройствами.

Оперативная
память — устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются
процессором в текущем сеансе работы.

Устройство оперативной памяти обеспечивает
режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени
возможен доступ к любой ячейке памяти. Часто оперативную память называют RAM
(англ. Random Access Memory — память с произвольным доступом).

Если необходимо хранить результаты
обработки длительное время, то следует воспользоваться каким-нибудь внешним
запоминающим устройством.

ОБРАТИТЕ
ВНИМАНИЕ!
При выключении компьютера вся находящаяся в оперативной памяти информация
стирается.

Оперативная память характеризуется высоким
быстродействием и относительно малой емкостью.

Кэш-память (англ.
cache — тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера.

Кэш-память используется при обмене данными
между микропроцессором и оперативной памятью. Алгоритм ее работы позволяет
сократить частоту обращений микропроцессора к оперативной памяти и,
следовательно, повысить производительность компьютера.

Существует два типа кэш-памяти: внутренняя
(8-512 Кбайт), которая размещается в процессоре, и внешняя (от 256 Кбайт до 1
Мбайт), устанавливаемая на системной плате. 

Внешняя память

Назначение внешней памяти компьютера
заключается в долговременном хранении информации любого вида. Выключение
питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Объем этой памяти в
тысячи раз больше объема внутренней памяти. Кроме того, в случае необходимости
ее можно «нарастить» так же, как можно купить дополнительную книжную полку для
хранения новых книг. Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего
времени. Как человек затрачивает на поиск информации в справочной литературе
гораздо больше времени, чем на ее поиск в собственной памяти, так и скорость
обращения (доступа) к внешней памяти существенно больше, чем к оперативной.

Необходимо различать понятия носителя
информации и устройства внешней памяти.

Носитель
— материальный объект, способный хранить информацию.

Устройство
внешней памяти (накопитель)—физическое приспособление, позволяющее производить
считывание и запись информации на соответствующий носитель.

Носителями информации во внешней памяти
современных компьютеров являются магнитные или оптические диски, магнитные
ленты и некоторые другие.

По типу доступа к информации устройства
внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного)
доступа и устройства последовательного доступа.

В устройствах прямого (произвольного)
доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на
носителе. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует.

Рассмотрим знакомые всем примеры. Время
доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее
прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где
записана песня. Это пример последовательного доступа к информации. Время же
доступа к песне на грампластинке не зависит от того, первая эта песня на диске
или последняя. Чтобы прослушать любимое произведение, достаточно установить
звукосниматель проигрывателя в определенное место на диске, где записана песня,
или на музыкальном центре указать ее номер. Это пример прямого доступа к
информации.

Дополнительно к введенным ранее общим
характеристикам памяти для внешней памяти используют понятия плотности записи и
скорости обмена информацией.

Плотность записи определяется
объемом информации, записанным на единице длины дорожки. Единицей измерения
плотности записи служат биты на миллиметр (бит/мм). Плотность записи зависит от
плотности нанесения дорожек на поверхность, то есть числа дорожек на
поверхности диска.

ПЛОТНОСТЬ
записи — объем информации, записанной на единице длины дорожки.

Скорость обмена информации зависит
от скорости ее считывания или записи на носитель, что, в свою очередь,
определяется скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. По
способу записи и чтения устройства внешней памяти (накопители) подразделяются в
зависимости от вида носителя на магнитные, оптические и электронные
(флэш-память). Рассмотрим основные виды внешних носителей информации.

Гибкие магнитные диски

Одним из наиболее распространенных
носителей информации являются гибкие магнитные диски (дискеты) или флоппи-диски
(от англ. floppy disk. Раньше использовались  гибкие диски с внешним диаметром
3,5″ (дюйма), или 89 мм, называемые обычно 3-дюймовыми. Диски называются
гибкими потому что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала
и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности
диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. 

Поверхность диска покрывается специальным
магнитным слоем. Именно этот слой обеспечивает хранение данных, представленных
двоичным кодом. Наличие намагниченного участка поверхности кодируется как 1,
отсутствие — как 0. Информация записывается с двух сторон диска на дорожках,
которые представляют собой концентрические окружности. Каждая дорожка
разделяется на секторы. Дорожки и секторы представляют собой намагниченные
участки поверхности диска.

Работа с дискетой (запись и чтение)
возможна только при наличии на ней магнитной разметки на дорожки и секторы.
Процедура предварительной подготовки (разметки) магнитного диска называется
форматированием. Для этого в состав системного программного обеспечения
включена специальная программа, с помощью которой и производится форматирование
диска.

Разметка
поверхности гибкого диска

Форматирование
диска — процесс магнитной разметки диска на дорожки и секторы.

Для работы с гибкими магнитными дисками
предназначено устройство, называемое дисководом, или накопителем на гибких
магнитных дисках (НГМД). Дисковод для гибких дисков относится к группе
накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока.

Гибкий диск вставляется в щель дисковода,
после чего автоматически открывается шторка и происходит вращение диска вокруг
своей оси. При обращении к нему соответствующей программы магнитная головка
записи/чтения устанавливается над тем сектором диска, куда надо записать или
откуда требуется считать информацию. Для этого дисковод снабжен двумя шаговыми
электродвигателями. Один двигатель обеспечивает вращение диска внутри защитного
конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация, а
значит, увеличивается скорость обмена информацией. Второй двигатель перемещает
головку записи/чтения вдоль радиуса поверхности диска, что и определяет другую
характеристику внешней памяти — время доступа к информации.

В защитном конверте имеется специальное
окно защиты записи. Это окно может быть открыто или закрыто с помощью бегунка.
Для предохранения информации на диске от изменения или удаления это окно
открывают. При этом запись на гибкий диск становится невозможна и доступным
остается только чтение с диска. (18 и 19 слайд).

Для обращения к диску, установленному в
дисководе, используются специальные имена в виде латинской буквы с двоеточием.
Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличить имя дисковода от
буквы, поскольку это общее правило. Дисководу для считывания информации с 3-дюймового
диска присваивается имя А: или иногда В:.

Жесткие магнитные диски

Одним из обязательных компонентов
персонального компьютера являются жесткие магнитные диски. Они представляют
собой набор металлических либо керамических дисков (пакет дисков), покрытых
магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри
герметичного корпуса накопителя, обычно называемого винчестером. Накопитель на
жестких магнитных дисках (винчестер) относится к накопителям с прямым доступом.

Термин «винчестер» возник из жаргонного
названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IBM, 1973 г.), имевшего
30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30″/30″
известного охотничьего ружья «Винчестер».

Жесткий магнитный диск представляет собой
очень сложное устройство с высокоточной механикой чтения/записи и электронной
платой, управляющей работой диска. Чтобы сохранить информацию и
работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов, резких
толчков.

Производители винчестеров сосредоточили
свои усилия на создании жестких дисков большей емкости, надежности, скорости
обмена данными и меньшей шумности.

Для обращения к жесткому диску
используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае
если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква
латинского алфавита D: и т. д. Для удобства работы в операционной системе
предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно
разбивать один физический диск на несколько независимых частей, называемых
логическими дисками. В этом случае каждой части одного физического диска
присваивается свое логическое имя, что позволяет независимо обращаться к ним:
С:, D: и т. д.

Оптические диски (21 и 22 слайд)

Оптические, или лазерные носители —
это диски, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча.
Эти диски изготовлены из органических материалов с напылением на поверхность
тонкого алюминиевого слоя. Такие диски часто называют компакт-дисками у или CD
(англ. Compact Disk — компакт -диск). Лазерные диски в настоящее время являются
наиболее популярными носителями информации. При габаритах (диаметр — 120 мм),
сопоставимых с флоппи-дисками (диаметр — 89 мм), емкость современного
компакт-диска примерно в 500 раз больше, чем у дискеты. Емкость лазерного диска
составляет примерно 650 Мбайт, что эквивалентно хранению текстовой информации
объемом около 450 книг или звукового файла длительностью 74 минуты.

В отличие от магнитных дисков, лазерный
диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация на дорожке-спирали
записывается мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления,
и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании
информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как
единица (1), впадины поглощают луч и, соответственно, воспринимаются как ноль
(0). 

Бесконтактный способ считывания информации
с помощью лазерного луча определяет долговечность и надежность ком-
пакт-дисков. Как и магнитные, оптические диски относятся к устройствам с
произвольным доступом к информации. Оптическому диску присваивается имя —
первая свободная буква латинского алфавита, не использованная для имен жестких
дисков.

Различают два типа накопителей (оптических
дисководов) для работы с лазерными дисками:

♦ устройство для чтения с компакт-дисков, которое позволяет только читать
информацию, ранее записанную на диск. Этим обусловлено название оптического
дисковода CD-ROM (от англ. Compact Disk Read Only Memory — компакт-диск только
для чтения). Невозможность записи информации в этом устройстве объясняется тем,
что в нем установлен источник слабого лазерного излучения, мощности которого
хватает только для считывания информации;
♦ оптический дисковод, который позволяет не только считывать, но и выполнять
запись информации на компакт-диск. Он называется CD-RW (Rewritable). Устройства
CD-RW обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую
способность участков поверхности в процессе записи диска и прожигать
микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, производя
тем самым запись непосредственно в дисководе компьютера.

Диски DVD, также как и CD, хранят данные
за счет расположенных выпуклостей (насечек) вдоль спиральных дорожек на
отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в
устройствах записи/чтения DVD дисков лазер создает насечки более мелкого
размера, что позволяет увеличить плотность записи данных. 

Флэш-память

Флэш-память относится к электронному
энергонезависимому типу памяти. Принцип работы флэш-памяти аналогичен принципу
работы модулей оперативной памяти компьютера.

Главное отличие состоит в том, что она
энергонезависима, то есть хранит данные до тех пор, пока вы их сами не удалите.
При работе с флэш-памятью используются такие же операции, что и с другими
носителями: запись, чтение, стирание (удаление).

Флэш-память имеет ограниченный срок
службы, который зависит от объема перезаписываемой информации и от частоты ее
обновления.

Магнитные ленты

Магнитные ленты представляют собой
носитель, аналогичный используемому в аудиокассетах бытовых магнитофонов.
Устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации с магнитных
лент, называется стримером (от англ. stream — поток, течение; струиться).
Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информации и
характеризуется гораздо меньшей скоростью записи и считывания информации по
сравнению с дисководами.

Основное назначение стримеров — создание
архивов данных, резервное копирование, надежное хранение информации. Многие
большие банки, коммерческие фирмы, торговые предприятия в конце плановых
периодов переносят важные сведения на магнитные ленты и убирают кассеты в
архивы. Кроме того, на кассеты стримеров периодически записывается информация с
винчестера, чтобы воспользоваться ею в случае непредвиденного сбоя жесткого
диска, когда необходимо срочно восстановить хранившуюся на нем информацию.

Компьютерная память

Связанные понятия

Операти́вная па́мять (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом) или операти́вное запомина́ющее устро́йство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Запоминающее устройство с произвольным доступом (сокращённо ЗУПД), также Запоминающее устройство с произвольной выборкой (сокращённо ЗУПВ; англ. Random Access Memory, RAM) — один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большей частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может.

Данные — поддающееся многократной интерпретации представление информации в формализованном виде, пригодном для передачи, связи, или обработки (ISO/IEC 2382-1:1993).

Блок управления памятью или устройство управления памятью (англ. memory management unit, MMU) — компонент аппаратного обеспечения компьютера, отвечающий за управление доступом к памяти, запрашиваемым центральным процессором.

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Запомина́ющее устро́йство (ЗУ) — устройство, предназначенное для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. Устройство, реализующее компьютерную память.

Ввод-вывод (от англ. input/output, I/O) в информатике — взаимодействие между обработчиком информации (например, компьютер) и внешним миром, который может представлять как человек, так и любая другая система обработки информации. Ввод — сигнал или данные, полученные системой, а вывод — сигнал или данные, посланные ею (или из неё). Термин также может использоваться как обозначение (или дополнение к обозначению) определенного действия: «выполнять ввод-вывод» означает выполнение операций ввода или вывода…

Виртуа́льная па́мять (англ. virtual memory) — метод управления памятью компьютера, позволяющий выполнять программы, требующие больше оперативной памяти, чем имеется в компьютере, путём автоматического перемещения частей программы между основной памятью и вторичным хранилищем (например, жёстким диском). Для выполняющейся программы данный метод полностью прозрачен и не требует дополнительных усилий со стороны программиста, однако реализация этого метода требует как аппаратной поддержки, так и поддержки…

Счётчик кома́нд (также PC = program counter, IP = instruction pointer, IAR = instruction address register, СЧАК = счётчик адресуемых команд) — регистр процессора, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей.

Машинное слово — машинно-зависимая и платформозависимая величина, измеряемая в битах или байтах (тритах или трайтах), равная разрядности регистров процессора и/или разрядности шины данных (обычно некоторая степень двойки).

Килоба́йт (русское обозначение: Кбайт; международное: Kbyte, KB) — единица измерения количества информации, равная 1024 байт.

Адрес — символ или группа символов, которые идентифицируют регистр, отдельные части памяти или некоторые другие источники данных, либо место назначения информации.

Разрядность числа в математике — количество числовых разрядов, необходимых для записи этого числа в той или иной системе счисления. Разрядность числа иногда также называется его длиной.

Прерывание (англ. interrupt) — сигнал от программного или аппаратного обеспечения, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события, требующего немедленного внимания. Прерывание извещает процессор о наступлении высокоприоритетного события, требующего прерывания текущего кода, выполняемого процессором. Процессор отвечает приостановкой своей текущей активности, сохраняя свое состояние и выполняя функцию, называемую обработчиком прерывания (или программой обработки прерывания), которая реагирует…

Прямой доступ к памяти (англ. direct memory access, DMA) — режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, в котором центральный процессор (ЦП) не участвует. Так как данные не пересылаются в ЦП и обратно, скорость передачи увеличивается.

Энергонезависимая память (англ. Non Volatile Random Access Memory; NVRAM) — разновидность запоминающих устройств с произвольным доступом, которые способны хранить данные при отсутствии электрического питания. Может состоять из модуля SRAM, соединённого со своей собственной батарейкой. В другом случае SRAM может действовать в связке с EEPROM, например, флеш-памятью.

Кэш или кеш (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом к нему, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.

Систе́ма кома́нд (также набо́р команд) — соглашение о предоставляемых архитектурой средствах программирования, а именно…

Шина адреса — компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи.

Регистр — устройство для записи, хранения и считывания n-разрядных двоичных данных и выполнения других операций над ними.

Архитектура набора команд (англ. instruction set architecture, ISA) — часть архитектуры компьютера, определяющая программируемую часть ядра микропроцессора. На этом уровне определяются реализованные в микропроцессоре конкретного типа…

Микроко́д — программа, реализующая набор инструкций процессора. Так же как одна инструкция языка высокого уровня преобразуется в серию машинных инструкций, в процессоре, использующем микрокод, каждая машинная инструкция реализуется в виде серии микроинструкций — микропрограммы, микрокода.

Защищённый режим (режим защищённой виртуальной адресации) — режим работы x86-совместимых процессоров. Частично был реализован уже в процессоре 80286, но там существенно отличался способ работы с памятью, так как процессоры ещё были 16-битными и не была реализована страничная организация памяти. Первая 32-битная реализация защищённого режима — процессор Intel 80386. Применяется в совместимых процессорах других производителей. Данный режим используется в современных многозадачных операционных системах…

Сегментная адресация памяти — схема логической адресации памяти компьютера в архитектуре x86. Линейный адрес конкретной ячейки памяти, который в некоторых режимах работы процессора будет совпадать с физическим адресом, делится на две части: сегмент и смещение. Сегментом называется условно выделенная область адресного пространства определённого размера, а смещением — адрес ячейки памяти относительно начала сегмента. Базой сегмента называется линейный адрес (адрес относительно всего объёма памяти…

Сопроцессор — специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для ПК начиная с Intel 486DX).

Тактовый сигнал или синхросигнал — сигнал, использующийся для согласования операций одной или более цифровых схем.

Байт (англ. byte) (русское обозначение: байт и Б; международное: B, byte) — единица хранения и обработки цифровой информации; совокупность битов, обрабатываемая компьютером одномоментно. В современных вычислительных системах байт состоит из восьми битов и, соответственно, может принимать одно из 256 (28) различных значений (состояний, кодов). Однако в истории компьютерной техники существовали решения с иными размерами байта (например, 6, 32 или 36 битов), поэтому иногда в компьютерных стандартах…

Реальный режим (или режим реальных адресов; англ. real-address mode) — режим работы процессоров архитектуры x86, при котором используется сегментная адресация памяти (адрес ячейки памяти формируется из двух чисел: сдвинутого на 4 бита адреса начала сегмента и смещения ячейки от начала сегмента; любому процессу доступна вся память компьютера). Изначально режим не имел названия, был назван «реальным» только после создания процессоров 80286, поддерживающих режим, названный «защищённым» (режим назван…

Математический сопроцессор — сопроцессор для расширения командного множества центрального процессора и обеспечивающий его функциональностью модуля операций с плавающей запятой, для процессоров, не имеющих интегрированного модуля.

Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

В информатике термин инструкция обозначает одну отдельную операцию процессора, определённую системой команд. В более широком понимании, «инструкцией» может быть любое представление элемента исполнимой программы, такой как байт-код.

Термин «ядро микропроцессора» (англ. processor core) не имеет чёткого определения и в зависимости от контекста употребления может обозначать особенности, позволяющие выделить модель в отдельный вид…

Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Флеш-память, (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Шина данных — часть системной шины, предназначенная для передачи данных между компонентами компьютера.

Адресация — осуществление ссылки (обращение) к устройству или элементу данных по его адресу; установление соответствия между множеством однотипных объектов и множеством их адресов; метод идентификации местоположения объекта.

Контроллер памяти — цифровая схема, управляющая потоками данных между вычислительной системой и оперативной памятью. Может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирована в более сложную микросхему, например, в состав северного моста, микропроцессор или систему на кристалле.

Встра́иваемая систе́ма (встро́енная систе́ма, англ. embedded system) — специализированная микропроцессорная система управления, контроля и мониторинга, концепция разработки которой заключается в том, что такая система будет работать, будучи встроенной непосредственно в устройство, которым она управляет.

Твердотельный накопитель, или ТТН (англ. solid-state drive, SSD) — компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, которое идёт на смену HDD. Кроме микросхем памяти, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором…

Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation lookaside buffer, TLB) — это специализированный кэш центрального процессора, используемый для ускорения трансляции адреса виртуальной памяти в адрес физической памяти.

А́дресное пространство (англ. address space) — совокупность всех допустимых адресов каких-либо объектов вычислительной системы — ячеек памяти, секторов диска, узлов сети и т. п., которые могут быть использованы для доступа к этим объектам при определенном режиме работы (состоянии системы).

Цифровой сигнальный процессор (англ. digital signal processor, DSP, цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС)) — специализированный микропроцессор, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени).

Поток данных (англ. stream) в программировании — абстракция, используемая для чтения или записи файлов, сокетов и т. п. в единой манере.

Оперативная память это важная часть любой компьютерной системы и сейчас я объясню, почему это так.

В процессе работы память выступает в качестве буфера между накопителем и процессором, то есть данные сперва считываются с жесткого диска (или другого накопителя) в оперативную память и уже затем обрабатываются центральным процессором. Такая схема применяется, потому что процессор — очень быстрое устройство и ему требуется быстро получать доступ к нужным данным и командам, иначе он будет простаивать и производительность системы уменьшится, а так как жёсткий диск и SSD не могут обеспечить необходимую скорость, все нужные данные считываются и перемещаются в более быструю оперативную память и хранятся там, пока не понадобятся процессору для обработки.

Физически, оперативная память представляет собой набор микросхем припаянных к плате. Если посмотреть внутрь одной такой микросхемы, можно увидеть что она состоит из множества, соединённых друг с другом слоёв, каждый слой состоит из огромного количества ячеек, образующие прямоугольные матрицы.

Одна ячейка может содержать 1 бит информации, а состоит она из одного полевого транзистора и одного конденсатора.

Выглядит эта конструкция довольно сложно и может различаться в зависимости от применённых технологий, так что для наглядности лучше представить ячейку в виде схемы.

Так легче понять, что именно конденсатор хранит информацию, а транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания. Когда конденсатор заряжен, можно получить логическую единицу, а когда разряжен, ноль. Таких конденсаторов в чипе, очень много но считать заряд с одной конкретной ячейки нельзя, считывается вся страница целиком.

Чтобы сделать это необходимо на нужную нам горизонтальную линию которая называется строка, подать сигнал, который откроет транзисторы, после чего усилители расположенные на концах вертикальных линий считают заряды которые находились на конденсаторах.

Каждое такое считывание опустошает заряды на странице, из-за чего приходится её заново переписывать, для этого на строку так же подаётся открывающий транзистор заряд, а на столбцы подаётся более высокое напряжение, тем самым заряжая конденсаторы и записывая информацию. Задержки между этими операциями называются таймингами, чем они меньше тем более быстрая будет вся система в целом

Но вернёмся к модулю памяти в макро масштабе и посмотрим что, помимо самих чипов памяти, на модуль распаиваются SMD-компоненты резисторы и конденсаторы обеспечивающие развязку сигнальных цепей и питание чипов, а также Микросхема SPD – это специальная микросхема, в которой хранятся данные о параметрах всего модуля (ёмкость, рабочее напряжение, тайминги, число банков и так далее). Это нужно чтобы во время запуска системы, BIOS на материнской плате выставил оптимальные настройки согласно информации, отображенной в микросхеме.

Так же существует несколько форм факторов модулей, модули для компьютеров называются DIMM, а для ноутбуков и компактных систем SO-DIMM, отличаются они размером и количеством контактов для подключения. Это двухрядные модули которые имеют два независимых ряда контактов по одному с каждой стороны.

Например в старых модулях Simm контакты с двух сторон были замкнуты и они могли передать только 32 бита информации за такт, в то время как dimm могут передавать 64 бита.

Ко всему этому модули делятся на одноранговые, двухранговые и четырёхранговые. Ранг — это блок данных шириной 64 бита, который может быть набран разным количеством чипов память.Одноранговая память имеет ширину 64 бита, тогда как Двухранговая память имеет ширину 128 бит. Но, так как один канал памяти имеет ширину всего 64 бита, как и одноранговый модуль, контроллер памяти может одновременно обращаться только к одному рангу. В то время как двухранговый модуль может заниматься ответом на переданную ему команду, а другой ранг уже может подготавливать информацию для следующей команды, что незначительно увеличивает производительность.

Так же хочется отдельно сказать о памяти с коррекцией ошибок, ECC-памяти, так как эти модули имеют дополнительный банк памяти на каждые 8 микросхем. Дополнительные банки и логика в модуле служат для проверки и устранения ошибок.

Использование буферов и коррекции ошибок незначительно ухудшает производительность, но сильно повышает надёжность данных. Поэтому ECC память широко используется в серверах и рабочих станциях

Ещё немного расскажу о типах памяти, так как в современных компьютерах используется синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных DDR SDRAM 4-го поколения и скоро будет распространено пятое.

Память типа ddr пришла на смену памяти типа SDR. SDR SDRAM работает синхронно с контроллером. В ней внутренняя и внешняя шина данных работает на одной и той же частоте. При подаче сигнала на микросхему происходит синхронное считывание информации и передача её в выходной буфер. Передача каждого бита из буфера происходит с каждым тактом работы ядра памяти. В SDR памяти синхронизация обмена данными происходит по фронту тактового импульса.

При подаче сигнала на микросхему происходит синхронное считывание информации и передача её в выходной буфер. Передача каждого бита из буфера происходит с каждым тактом работы ядра памяти. В SDR памяти синхронизация обмена данными происходит по фронту тактового импульса.

После SDR, вышла DDR память, в ней обмен данными по внешней шине идет не только по фронту тактового импульса, но и по спаду, из-за чего на той же частоте можно передать вдвое больше информации, а чтобы воспользоваться этим увеличением, внутреннею шину расширили вдвое. То есть работая на тех же частотах что SDR, DDR память передаёт в 2 раза больше данных.

Следующие поколения памяти DDR не сильно отличаются, увеличивается только частота работы буферов ввода вывода, а также расширяется шина, связывающая ядро памяти с буферами, сам принцип работы не меняется, но даже так, каждое новое поколение получает таким способом существенное увеличение пропускной способности, без увеличения частоты работы самих ячеек памяти.

Понятно что с каждый новым поколением улучшается работа логики, техпроцесс и многое другое. Но сам принцип работы остаётся одним и для общего понимая этого достаточно.

Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает.

В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).

Во втором уроке мы разобрались, что компьютер нужен для обработки информации, её хранения и передачи. Посмотрим же, как происходит обработка информации.

Как хранится информация на компьютере

Компьютер хранит, передаёт и обрабатывает информацию в виде нолей «0» и единиц «1», то есть используется двоичный код и двоичная система счисления.

Например, десятичное число «9» он видит как двоичное число «1001».

В виде нолей и единиц хранятся и все данные, которые необходимо обработать, и все программы, которые руководят процессом обработки.

Например, фотографию компьютер видит так (только первые две строчки файла из 527 строк):

 А текст для компьютера выглядит так:

Сегодня мы не будем разбираться в тонкостях вычислений и преобразований, посмотрим на процесс в общем.

Где хранится информация

Когда информация занесена в компьютер (записана), то она хранится на специальном устройстве – накопителе данных. Обычно накопитель данных – это жесткий диск (винчестер).

Жестким диском это устройство называется из-за конструкции. Внутри его корпуса находится один или несколько твердых блинов (металлических или стеклянных), на которых и хранятся все данные (текстовые документы, фотографии, фильмы и т.д.) и установленные программы (операционная система, прикладные программы, как Word, Excel, и др.).

Информация на жестком диске хранится и после выключения компьютера.

Подробнее об устройстве жесткого диска мы узнаем в одном из следующих IT-уроков.

Что обрабатывает всю информацию в компьютере

Основная задача компьютера – обрабатывать информацию, то есть выполнять вычисления. Большую часть вычислений выполняет специальное устройство – процессор. Это сложная микросхема, содержащая сотни миллионов элементов (транзисторов).

Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.

Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).

Но жесткий диск – относительно медленное устройство, и если бы процессор ждал, пока будет считываться информация, а потом записываться после обработки обратно, то он бы долго оставался без дела.

Не оставим процессор без дела

Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – оперативную память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.

В оперативную память заранее считываются с жёсткого диска все необходимые программы и данные. Во время работы процессор обращается к оперативной памяти, считывает команды программы, которая говорит какие данные нужно взять и как именно их обработать.

При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).

Процесс обработки информации

Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.

Когда компьютер выключен, все программы и данные хранятся на жестком диске. При включении компьютера и запуске программы, происходит следующее:

1. Программа с жесткого диска заносится в оперативную память и сообщает процессору, какие загрузить данные в оперативную память.

2. Процессор поочередно выполняет команды программы, порциями обрабатывая данные, взяв их из оперативной памяти.

3. Когда данные обработаны, результат вычислений процессор возвращает в оперативную память и берет следующую порцию данных.

4. Результат работы программы возвращается на жесткий диск и сохраняется.

Описанные шаги показаны красными стрелками на анимации (эксклюзивно от сайта IT-uroki.ru).

Ввод и вывод информации

Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных:

• Клавиатура (с помощью неё мы вводим текст и управляем компьютером);
• Мышь (с помощью мыши мы управляем компьютером);
• Сканер (заносим изображение в компьютер);
• Микрофон (записываем звук) и т.д.

Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных:

• Монитор (выводим изображение на экран);
• Принтер (выводим текст и изображение на бумагу);
• Акустические системы или «колонки» (слушаем звуки и музыку);

Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:

• Внешних накопителей(с них мы копируем уже имеющиеся данные в компьютер):
  • флэшка,
  • компакт-диск (CD или DVD),
  • переносной жесткий диск,
  • дискета;

• Компьютерной сети (получаем данные с других компьютеров через Интернет или городскую сеть).

Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:

То есть компьютер работает с ноликами и единичками, а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).

Подводим итог

Итак, сегодня мы вместе с сайтом IT-uroki.ru  узнали, как работает компьютер. Если кратко, то компьютер получает данные с устройств ввода (клавиатура, мышь и т.д.), заносит их на жесткий диск, затем передает в оперативную память и обрабатывает с помощью процессора. Результат обработки возвращается сначала в оперативную память, затем либо на жесткий диск, либо сразу на устройства вывода (например, монитор).

Если появились вопросы, можно задать их в комментариях к этой статье.

Обо всех перечисленных в сегодняшнем уроке устройствах Вы можете узнать подробнее из последующих уроков на сайте IT-уроки. Чтобы не пропустить новые уроки – подпишитесь на новости сайта.

Автор: Сергей Бондаренко http://it-uroki.ru/

Копирование запрещено

Напомню, что на сайте IT-уроки есть постоянно обновляемые справочники:

Справочник по аппаратному обеспечению

Каталог программ

Видео-дополнение

Сегодня небольшое познавательное видео о производстве процессоров.

P.S. В следующем уроке – Внешнее устройство компьютера, описание внешних разъемов, индикаторов и кнопок. Не пропустите!

Читать дальше: IT-урок №4. Внешнее устройство компьютера

---

Поделитесь с друзьями:

---

Понравились IT-уроки?

Все средства идут на покрытие текущих расходов (оплата за сервер, домен, техническое обслуживание)
и подготовку новых обучающих материалов (покупка необходимого ПО и оборудования).

---

Много интересного в соц.сетях: