Организация и функционирование компьютеров

От быстродействия ОЗУ, которое измеряется временем процессов перемещения информации из оперативной памяти в процессор и обратно, напрямую зависит быстродействие всего компьютера, поэтому одним из основных направлений в развитии вычислительной техники является повышение быстродействия ОЗУ. Технически ОЗУ устроено таким образом, что при выключении электрического питания информация в ячейках ОЗУ стирается. В выключенном компьютере информация хранится на внешних магнитных носителях информации, а при включении компьютера необходимые данные переписыаются с этих внешних носителей в оперативную память.

Постоянное запоминающее устройство содержит ту начальную программу, которая начинает работать при включении компьютера, и некоторые служебные программы операционной системы. В частности, в ПЗУ хранятся так называемые базовые программы ввода – вывода (англ. Base Input Output System – BIOS) и программы, предназначенные для проверки исправности и обслуживания аппаратуры самого компьютера. Они также выполняют первоначальную загрузку главной обслуживающей программы компьютера – так называемой операционной системы. Эти данные не уничтожаются при выключении компьютера.

Существуют перепрограммируемые ПЗУ, которые сохраняют информацию при отключении питания и допускают запись информации. При этом время записи во много раз больше времени считывания.

В персональном компьютере ОЗУ представляет собой автономное устройство, которое присоединяется к разъему на материнской плате компьютера. Оперативная память может состоять из нескольких блоков. ОЗУ представляет собой интегральную схему, эквивалентную последовательности триггеров. Триггером принято называть прибор, который может находиться в одном из двух состояний , одно из которых считается единицей, а другое – нулем. ПЗУ представляет собой интегральную схему, в которой программы зашифрованы соединениями, а не электрическими потенциалами, именно поэтому они сохраняются при выключении питания.

Запоминающие устройства ЭВМ, обладающие большим объемом памяти, как правило, обладают меньшим быстродействием (то есть для них увеличивается время чтения и записи информации в память). Наибольшим быстродействием обладают регистры процессора (регистры общего назначения – РОН). Быстродействие ОЗУ должно быть не меньше, чем быстродействие электронных схем операционной части. Объема памяти должно быть достаточно для записи программы решаемой задачи, а также исходных данных и промежуточных и конечных результатов. В то же время внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченным объемом памяти, но зато и наименьшим быстродействием.

Для ускорения работы ОЗУ используется так называемая КЭШ-память процессора. Она имеет меньший объем, чем ОЗУ, но зато большее быстродействие. При наличии КЭШ-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются туда, и лишь затем в процессор. При повторном обращении к памяти те данные, которые уже находятся в КЭШ-памяти, сразу переносятся в регистры процессора, за счет чего происходит экономия времени.

Если отвлечься от особенностей технической реализации, оперативную память можно представить в виде единой последовательности ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта. Эта общая последовательность конструктивно состоит из отдельных устройств. В частности, ПЗУ и память видеомонитора являются частью оперативной памяти. Соответственно та часть оперативной памяти, в которую можно записывать информацию и которую мы до сих пор называли ОЗУ, также составляет не всю оперативную память. При обмене информации с оперативной памятью центральный процессор должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из памяти данные процессор записывает в свои регистры. Процессор непосредственно может обрабатывать только те данные, которые находятся в его регистрах, а в регистр может переписывать данные только из оперативной памяти или портов ввода-вывода. Все виды оперативной памяти называются устройствами внутренней памяти, и они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера. Регистры процессора конструктивно находятся внутри процессора.