З
наете ли вы, что такое оперативная память? Конечно, знаете. Это такое устройство, от которого зависит скорость работы компьютера. В общем, так оно и есть, только выглядит такое определение немного дилетантски. Но что в действительности представляет собой оперативная память? Как она устроена, как работает и чем один вид памяти отличается от другого?
Она же RAM (англ.) - это энергозависимая часть компьютерной памяти, предназначенной для хранения временных данных, обрабатываемых процессором. Хранятся эти данные в виде бинарной последовательности, то есть набора нулей и единиц. Энергозависимой же она называется потому, что для её работы необходимо постоянное подключение к источнику электрического тока. Стоит только отключить её от питания, как вся хранящаяся в ней информация будет утеряна.
Но если ОЗУ это одна часть компьютерной памяти, тогда что представляет собой её другая часть? Носителем этой части памяти является жесткий диск. В отличие от ОЗУ, он может хранить информацию, не будучи подключён к источнику питания. Жесткие диски, флешки и CD-диски - все эти устройства именуются ПЗУ, что расшифровывается как постоянное запоминающее устройство. Как и ОЗУ, ПЗУ хранят данные в виде нулей и единиц.
Тут может возникнуть вопрос, а зачем вообще нужна оперативная память? Разве нельзя выделить на жестком диске буфер для временного помещения обрабатываемых процессором данных? В принципе можно, но это был бы очень неэффективный подход.
Физическое устройство оперативной памяти таково, что чтение/запись в ней производится намного быстрее . Если бы вместо ОЗУ у вас было ПЗУ, компьютер бы работал очень медленно.
Физически ОЗУ представляет съёмную плату (модуль) с располагающимися на ней микросхемами памяти. В основе микросхемы лежит конденсатор - устройство, известное уже больше сотни лет.
Каждая микросхема содержит множество конденсаторов связанных в единую ячеистую структуру - матрицу или иначе ядро памяти. Также микросхема содержит выходной буфер - особый элемент, в который попадает информация перед тем, как быть переданной на шину памяти. Из уроков физики мы знаем, что конденсатор способен принимать только два устойчивых состояния: либо он заряжен, либо разряжен. Конденсаторы в ОЗУ играют ту же роль, что и магнитная поверхность жёсткого диска, то есть удержание в себе электрического заряда, соответствующего информационному биту. Наличие заряда в ячейке соответствует единице, а отсутствие - нулю.
Понять, как в ОЗУ происходит запись и считывание данных будет проще, если представить её в виде обычной таблицы. Чтобы считать данные из ячейки, на горизонтальную строку выдаётся сигнал выбора адреса строки (RAS) . После того как он подготовит все конденсаторы выбранной строки к чтению, по вертикальной колонке подаётся сигнал выбора адреса столбца (CAS) , что позволяет считать данные с конкретной ячейки матрицы.
Характеристика, определяющая количество информации, которое может быть записано или прочитано за одну операцию чтения/записи, именуется разрядностью микросхемы или по-другому шириной шины данных. Как нам уже известно, перед тем как быть переданной на шину микросхемы, а затем в центральный процессор, информация сначала попадает в выходной буфер. С ядром он связывается внутренним каналом с пропускной способностью равной ширине шины данных. Другой важной характеристикой ОЗУ является частота шины памяти. Что это такое? Это периодичность, с которой происходит считывание информации, а она совсем не обязательно должна совпадать с частотой подающегося на матрицу памяти сигнала, что мы и увидим на примере памяти DDR.
В современных компьютерах используется так называемая синхронная динамическая оперативная память - SDRAM . Для передачи данных в ней используется особый синхросигнал. При его подаче на микросхему происходит синхронное считывание информации и передача её в выходной буфер.
Представим, что у нас есть микросхема памяти с шириной шины данных 8 бит , на которую с частотой 100 МГц подаётся синхросигнал. В результате за одну транзакцию в выходной буфер по 8-битовому каналу попадает ровно 8 бит или 1 байт информации. Точно такой же синхросигнал приходит на выходной буфер, но на этот раз информация попадает на шину микросхемы памяти. Умножив частоту синхросигнала на ширину шины данных, мы получим ещё один важный параметр - пропускную способность памяти .
8 бит * 100 МГц = 100 Мб/с
Это был простейший пример работы SDR - памяти с однократной скоростью передачи данных. Этот тип памяти сейчас практически не используется, сегодня его место занимает DDR - память с удвоенной скоростью передачи данных. Разница между SDR и DDR заключается в том, что данные с выходного буфера такой ОЗУ читаются не только при поступлении синхросигнала, но и при его исчезновении. Также при подаче синхросигнала в выходной буфер с ядра памяти информация попадает не по одному каналу, а по двум, причём ширина шины данных и сама частота синхросигнала остаются прежними.
Для памяти DDR принято различать два типа частоты. Частота, с которой на модуль памяти подаётся синхросигнал, именуется базовой, а частота, с которой с выходного буфера считывается информация - эффективной. Рассчитывается она по следующей формуле:
эффективная частота = 2 * базовая частота
В нашем примере с микросхемой 8 бит и частотой 100 МГц это будет выглядеть следующим образом.
8 бит * (2 * 100 МГц) = 200 Мб/с
Количеством связывающих ядро с выходным буфером каналов, эффективной частотой, а значит и пропускной способностью памяти. Что касается ширины шины данных (разрядности) , то в большинстве современных модулей памяти она составляет 8 байт (64 бит) . Допустим, что у нас есть модуль памяти стандарта DDR2-800 . Как рассчитать его пропускную способность? Очень просто. Что такое 800 ? Это эффективная частота памяти в мегагерцах. Умножаем её на 8 байт и получаем 6400 Мб/с .
Умные электронные машины уже давно и прочно вошли в повседневную жизнь человека. Но, несмотря на это, их устройство до сих пор вызывает элементарные вопросы у многих пользователей. Например, далеко не все знают, какие бывают виды памяти . А ведь здесь все не так уж сложно, хотя и не совсем просто. Существуют две основные разновидности – внутренняя память и внешняя, которые, в свою очередь, имеют собственную градацию.
Внутренняя память называется так потому, что она встроена в основные блоки компьютера и является неотъемлемым элементом системы, обеспечивающим ее работоспособность. Удалить или извлечь ее без негативных последствий невозможно. Различают следующие ее виды:
Быстродействие и «интеллектуальный уровень» компьютера во многом определяются его оперативной памятью. В ней хранятся данные, используемые во время активной работы электронной машины. Она также может быть разных видов, но чаще всего используются блоки DDR, DDR2,DDR3. Различаются они количеством контактов и скоростными характеристиками.
Внешняя память компьютера представлена различными видами съемных носителей информации. На сегодняшний день основными из них являются жесткие диски, usb-накопители, или флешки и карты памяти. Устаревшими считаются лазерные диски и дискеты. Но , хотя и является съемным, все же используется в качестве вместилища постоянной памяти и без него компьютер работать не будет. Однако его можно свободно достать и переместить в другой системный блок, поэтому его и относят к категории внешних устройств памяти.
В российской науке произошло знаковое событие. Наши ученые запатентовали фотонный компьютер, в котором вычислительные операции совершают не электроны, а кванты света. По сравнению с ним современные электронные супермашины - даже не вчерашний, а позавчерашний день. Его производительность в тысячи раз выше при одинаковом энергопотреблении. О сути проекта "РГ" рассказывает его автор - главный научный сотрудник Всероссийского НИИ экспериментальной физики (Госкорпорации "Росатом", г. Саров), лауреат Государственной премии РФ Сергей Степаненко.
В традиционном компьютере логика вычислений строится с помощью 1 и 0, что соответствует наличию или отсутствию тока в транзисторе. А что в вашем компьютере 1 и 0, ведь там нет электронов?
Сергей Степаненко: В фотонном компьютере все вычислительные операции должны выполняться не с электронами, а с фотонами - носителями света. Но логика строится на тех же принципах, что и в случае с электронами, только здесь 1 - это наличие света в определенной точке пространства в определенный момент времени, а 0 - его отсутствие. Такая идентичность логики крайне важна, она позволит применить к фотонным устройствам те же структурные решения, которые уже наработаны в электронной вычислительной технике. И еще. Все решаемые электронными компьютерами задачи вполне по силам фотонным. В этом, кстати, их отличие от квантовых компьютеров, для которых в современном представлении класс задач очень ограничен.
Производительность фотонного компьютера в тысячи раз выше, чем у электронных супермашин
Принцип действия фотонного компьютера был продемонстрирован в США в 1990 году, но почти за 30 лет реальной машины так и не появилось. Почему? Какой принципиальный прорыв осуществили наши ученые?
Сергей Степаненко: Сразу отмечу, что таким компьютером занимались не только в США, но и в других странах. В РАН коллектив под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева в начале 90-х годов опубликовал по оптическим компьютерам много работ, актуальных и сегодня.
Почему не удавалось создать фотонную вычислительную машину, которая могла бы конкурировать с электронной? Причин несколько. Например, применялись элементы, в которых под действием света менялась прозрачность. Это требует довольно много времени и энергии. Как следствие, оптические операции получаются "дороже" электронных. Мы предлагаем использовать в фотонном компьютере оптические логические элементы, в которых взаимодействуют не только световые импульсы, но и участвуют вещества окружающей среды. Это позволит кардинально улучшить длительность выполнения операций и энергоэффективность. Кстати, принцип действия этих элементов предложен и запатентован в России еще в 1997 году.
Был и второй барьер, который долгие годы не удавалось преодолеть создателям фотонного компьютера. Дело в том, что вольно или невольно они пытались повторить классическую архитектуру электронных машин, в частности вариант известного ученого Джона фон Неймана. Например, хотели "воспроизвести" оперативную память компьютера в оптическом виде, но это крайне сложно и дорого. Ведь свет не имеет массы покоя. Словом, создать фотонный компьютер, конкурентоспособный электронному, не удавалось.
Но ученым вашего института это удалось. В чем секрет прорыва?
Сергей Степаненко: Удалось найти несколько принципиальных решений, выделю основные. Я уже упоминал пассивные оптические логические элементы, в которых операции будут выполняться при взаимодействии световых импульсов, а длительность операции определяется размером элемента и скоростью света. Кроме того, вместо архитектуры машины фон Неймана применен принципиально иной вариант. Он должен обеспечить выполнение операций сразу по готовности необходимой информации без задержек, вызванных обращением в память и "конфликтов" из-за одновременного использования исполнительных устройств и каналов связи.
В результате можно получить производительность вычислительной машины в тысячи раз больше, чем у электронной, при том же энергопотреблении.
Вопрос принципиальный. Ведь современные суперкомпьютеры потребляют, а главное, выделяют много энергии. Их охлаждение стало серьезным препятствием для увеличения производительности. Как вы решаете эту проблему?
Сергей Степаненко: Энергия экономится благодаря тому, что вычислительные операции будут выполняться в результате взаимодействия лишь световых импульсов. В итоге предельно сокращается "общение" света с внешней средой. Сегодня конструкторы электронных компьютеров стремятся преодолеть барьер производительности 1 эксафлопс (10 в 18 степени операций в секунду). По нашим оценкам, фотонный компьютер такой же производительности будет потреблять энергии примерно в 10 тысяч раз меньше.
Как в таком компьютере хранить информацию? Ведь традиционный магнитный носитель, который используется в электронных машинах, здесь не применишь. Свет не "законсервируешь"…
Сергей Степаненко: Оптическую память, в принципе, создать можно, но ее производительность будет меньше, чем у фотонного процессора, а значит, тормозить вычисления. Поэтому часть функций, в частности хранение информации, предполагается поручить электронным компьютерам. Они близки к технологическим пределам, но вполне могут быть использованы для хранения, подготовки и обработки информации, вырабатываемой фотонным компьютером. Это своеобразная "инфраструктура" для обеспечения собственно фотонных вычислений. Оснащать фотонный компьютер всеми видами памяти и связи, наверное, нецелесообразно. Согласитесь, абсурдно "вешать" на космический корабль инфраструктуру космодрома, она в полете не нужна, да и корабль "не потянет".
В какой стадии сейчас находится эта разработка? Когда фотонный компьютер "выйдет в свет"?
Сергей Степаненко: Разработаны основные положения и получены оценки параметров. Они опубликованы в ряде научных журналов. В настоящее время мы выполняем моделирование отдельных компонентов и по результатам должны выбрать наиболее эффективное техническое решение. Создание фотонного компьютера - масштабная задача, требующая больших ресурсов и надлежащей организации работ. Ее можно и нужно решить в течение 5-10 лет. Если фотонный компьютер не сделаем мы, то сделают другие. Как говорится, время пошло.
Класс: 6
Цель урока: дать учащимся представления об информации в памяти компьютера и системах счисления
Задачи:
Тип урока - Урок изучения и первичного закрепления нового материала
Используемые технологии - ТРКМ, дифференцированный подход, ИКТ, здоровьесбережения
Оборудование и материалы - компьютер, мультимедийный проектор, доска, экран, ноутбуки для учащихся, презентация, маркеры разных цветов, раздаточный материал для групповой и парной работы, запись МР3 для физкультминутки
Ход урока
I. Организационный момент (Создание благоприятного климата на уроке. Учащиеся занимают свои места за партами) На экране слайд презентации с темой урока.
II. Стадия Вызов
Посмотрите на экран. (Картинка компьютер ) Зачем человеку он нужен? (варианты ответов детей ) О чем-нибудь она вам говорит? Как вы думаете, о чем пойдет речь? У вас на столах есть листы бумаги, напишите, двумя словами, о чем пойдет речь, и знаете ли вы это. Теперь листочки переверните и отодвиньте на край парты.
Как Информация сохраняется в памяти компьютера. А разве на прошлом уроке мы об этом не говорили? Говорили. Давайте проверим с помощью электронной тетради насколько хорошо у вас в памяти материал прошлого урока сохранился. Быстро выполняем упражнения – у каждого уже написано, с какого задания он выполняет. Кто выполнил – возвращается на свое место.
(учащиеся садятся за ноутбуки и выполняют задания 11-20 (приложение 1), у всех разный набор заданий – дифференцированный подход )
Скажите, какой результат вам больше всего запомнился?
(дети проговаривают одну из поговорок, которую они запомнили )
Теперь мы работаем в трех группах. Каждая группа получила несколько значков и рисунок компьютера. (Приложение 2) Расположите эти значки. Что у вас получилось? (все значки должны располагаться на системном блоке )
III. Стадия Осмысление
Так какой вопрос возникает? Выходит, компьютер должен ухитриться и представить в своей памяти место и под музыку, и под картинки, и под текст, а ведь есть еще и исполняемые файлы.
Сейчас каждая группа будет решать свою задачу. (Приложение 3) Закодировать картину, мелодию и команды.
Придумайте какой-нибудь способ и покажите в ячейках памяти компьютера.
(проходит работа в группах )
Давайте, сравним – какие кодировки вы придумали
(вывешиваются на доску, каждая группа объявляет свой способ кодирования ). Удивляются похожести (при правильном выполнении задания)
Вот вы закрасили, нарисовали крестики, а я использовала две цифры 0 и 1. Вот мой рисунок. Похож на ваши? Сейчас нам в том, как же представлена информация в компьютере расскажут знакомые вам мультяшные герои Фиксики (слайды презентации 2 )
Так что же нам предложили Фиксики? Оказывается, используя только 2 цифры 0 и 1 можно в компьютере представлять любую информацию. И эти две цифры имеют свое название. Приставка, обозначающая количество два – би, поэтому эти цифры и назвали бит. 1 бит – это двоичный код.
Предлагаю вам поработать с небольшими текстами. Можете ставить на полях значки “+”, “-”, “//” (знаю, не знаю, слышал)
(Тексты для всех учащихся одинаковые .)
Для компьютера его память – это “клетки”-биты, заполненные 0 и 1.
Память компьютера – лист в клетку.
Бит – это каждая “клетка” памяти компьютера.
В каждой “клетке” хранится только одно из двух значений 0 или 1, соответствующих двум состояниям электронной схемы: 0 – “выключено” или 1 – “включено”.
Цифры 0 и 1, хранящиеся в “клетках” памяти компьютера, называются значениями битов .
Цифровое (двоичное) кодирование – представление самой разнообразной информации с помощью последовательности битов (0 и 1).
Числовая, текстовая, графическая, звуковая и видеоинформация в памяти компьютера представлена в виде цепочек из 0 и 1.
Преимущества цифровых данных: просто копировать и изменять; хранить и передавать одними и теми же методами, независимо от типа данных.
Каких значков на ваших полях больше всего? Хорошо, а сейчас
Физминутка
(Эмоциональная разрядка под веселую музыку дети встают и выполняют движения, головой, рукам, шеей, кистями рук, имитируют ходьбу )
Молодцы. Занимайте места. Чтобы вы быстрее включились в работу, предлагаю решить такую задачу
Задача-шутка. С помощью чего быстрее набрать текст – 2-кнопочной мыши или 102-клавишной клавиатуры?
Сейчас будем работать по заполнению вот такого кластера. Вам пригодитсяМатериал для любознательных : параграф 4.1.– параграф 4.10. с.81 .
Система счисления – это совокупность приёмов и правил для обозначения и именования чисел.
Составление (заполнение) кластера (приложение 4)
Работа с учебником, каждая из групп представляет один из видов систем счисления – унарная, позиционная непозиционная. Записывает примеры чисел. Проходит взаимопроверка
IV. Стадия Рефлексии
Посмотрите на свои листочки. И попробуйте ответить на ваше “не знаю” или “знаю” (Обсуждение)
Проблемная задача. Какое десятичное число соответствует восьмеричному числу 789?
Практическая работа
Итоги урока, рефлексия (Дать качественную оценку работы класса и отдельных обучаемых,) вопросы:
Можете ли вы назвать тему урока?
Вам было легко или были трудности?
Что у вас получилось лучше всего и без ошибок?
Какое задание было самым интересным и почему?
Как бы вы оценили свою работу? (слайд 29)
Домашнее задание:
Наше занятие мне хотелось бы закончить высказыванием Козьмы Пруткова: “Глядя на мир, нельзя не удивляться!”.
Список учебной и дополнительной литературы.
Прежде, чем рассматривать конкретные особенности устройства компьютера, мы хотим предупредить, что в основном все сказанное будет относиться к персональным компьютерам, серверам, рабочим станциям – компьютерам, которые принято называть миникомпьютерами. Устройство мейнфреймов и суперкомпьютеров существенно сложнее. Однако многие принципиальные вещи будут относиться и к ним.
Вся информация в компьютере представляется в двоичном коде. Для чисел это естественно. Для нечисловой информации (например, текста) используется стандартный прием: всевозможные элементарные значения нумеруются, и вместо самих значений хранятся их номера (которые играют роль кодов). Так, при представлении текстовой информации все символы сводятся в таблицу, а текст записывается номерами символов. Для представления видеоинформации существуют различные способы кодирования цветовых точек, составляющих картинку. Для аудиоинформации звук раскладывается на гармоники, которые также кодируются. В любом случае коды нечисловых данных, хранящиеся в компьютере, не имеют содержания вне таблиц кодирования и алгоритмов кодирования и декодирования.
Количество двоичных разрядов, необходимых для записи символа или точки картинки зависит от числа вариантов для объекта кодирования. Наибольшее число, которое в двоичной системе счисления можно записать с помощью N цифр, состоит из N единиц. Это число равно 1+2+4+…+2 N -1 = 2 N -1 . Например, с помощью восьми двоичных цифр можно различать 2 8 = 256 символов текста. Восемь двоичных разрядов (битов) составляют один байт.
Это рассуждение настолько важно для всей идеологии хранения информации в двоичном коде, что в информатике принято измерять объем не в десятичной системе счисления, а в специальных единицах измерения, использующих степени двойки. Используя то обстоятельство, что 2 10 = 1024 не очень отличается от 10 3 = 1000, принято 1024 байт называть килобайтом (1Кб). Аналогично мегабайт – это 1024 килобайта (1Мб), а гигабайт – 1024 мегабайта (1Гб). Количество информации в современном мире столь велико, что приходится вводить еще одну единицу – терабайт, равную 1024 гигабайта (1Тб). Если не нужна особая точность, то можно считать, что 1 тб = 10 3 гб = 10 6 мб = 10 9 кб = 10 12 байт.
То устройство компьютера, в котором хранится информация, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью. С логической точки зрения ОЗУ представляет собой линейную последовательность байтов. Длина этой последовательности составляет в современных персональных компьютерах несколько гигабайт (на 2011г.). Еще больше (десятки и сотни гигабайт) оперативная память суперкомпьютеров. В этой памяти хранятся данные, а также программы, разбитые на машинные команды. Конкретное выделение памяти под числа и команды производится операционной системой компьютера в процессе его работы.
Порядковый номер байта в оперативной памяти называется адресом. Нумерация байтов начинается с нуля. Адрес (в руководствах или в сообщениях об ошибках) принято записывать в шестнадцатиричной системе счисления. Для задания участка оперативной памяти в машинной команде указываются адрес его начального байта и длина.
Количество байтов, выделяемых для хранения одного числа, варьируется от одного до 10 байтов и зависит от типа числа. Различают два основных формата представления числа в памяти компьютера: с фиксированной и плавающей запятой. Числа с фиксированной запятой записываются в их двоичном представлении: 1 бит = 1 двоичный разряд. Один бит выделяется для представления знака числа (0 – плюс, 1 – минус). Число с плавающей запятой должно быть представлено в так называемой нормализованной (или экспоненциальной) форме: X=M∙10 n , где число М (называемое мантиссой) заключено от 1 до 10, число n (называемое порядком) - целое. В памяти записывается отдельно мантисса и отдельно порядок. Следует отметить, что поддерживаются также смешанные форматы, когда десятичные цифры числа записываются в двоичной системе.
Форматы одного класса могут различаться количественными параметрами, от которых зависит диапазон чисел, которые могут быть представлены в данном формате. Например, если переменная – число месяца, то для ее хранения достаточно одного байта. Для хранения целых величин, изменяющихся в диапазоне от -2 15 = –32768 до 2 15 -1 = 32767, в формате с фиксированной запятой достаточно двух байтов. Если целое число не вмещается в этот диапазон, то для его хранения выделяется четыре байта (диапазон от –2 31 до 2 31 -1). Представление с плавающей запятой используется, как правило, в научно-технических задачах, когда переменные могут изменяться в большом диапазоне значений или нужна очень большая точность.
Для кодирования текстовой информации используются таблицы кодирования символов. В настоящее время существует стандарт ASCII (American Standard Code for Informational Interchange), содержащий набор и номера 128 основных символов (коды от 0 до 127) и набор и номера 128 расширенных символов (коды от 128 до 255). Код символа ASCII занимает один байт. Поскольку в стандарт ASCII не входят символы национальных алфавитов (которых значительно больше, чем 128), в каждой стране 128 кодов расширенных символов (от 128 до 255) заменяются символами национального алфавита. Для того, чтобы корректно кодировать и изображать символы при печати и выводе на экран, для каждого языка нужна специальная программа – языковый драйвер.
В стандарте Unicode каждый символ занимает два байта. Благодаря этому в стандарте Unicode можно закодировать 2 16 = 65536 различных символов, что позволяет унифицировать символы разных языков, включая иероглифы, и большое количество специальных символов и знаков.
Логическая величина – это величина, которая может принимать всего два значения – true и false («истина» и «ложь»). Для хранения значения логической переменной достаточно одного бита. Обычно значение «ноль» бита памяти ассоциируется с истиной, значение «единица» – с ложью.
Для хранения в памяти компьютера более сложных объектов, таких как видеоизображения или звуки, описания этих объектов преобразуются в числовую форму. Способов кодирования такого вида информации существует достаточно много, но следует помнить, что в конечном итоге изображение или звук всегда представлены в памяти компьютера в виде последовательности нулей и единиц, которые размещаются в битах памяти компьютера. Изображение картинки на экране или прослушивание музыки в динамиках есть результат действия программ, которые декодируют и интерпретируют информацию. Такие программы зачастую также называются драйверами.
