Ячейки памяти внутри процессора, используемые для хранения программных инструкций и обработанных данных

Обновлено: 30.06.2024

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

память компьютера, устройство, используемое для хранения данных или программ (последовательностей инструкций) на временной или постоянной основе для использования в электронном цифровом компьютере. Компьютеры представляют информацию в двоичном коде, записанном в виде последовательностей нулей и единиц. Каждая двоичная цифра (или «бит») может быть сохранена любой физической системой, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний, представляющих 0 и 1. Такая система называется бистабильной. Это может быть выключатель, электрический конденсатор, который может накапливать или терять заряд, магнит с полярностью вверх или вниз или поверхность, на которой может быть ямка или нет. Сегодня конденсаторы и транзисторы, работающие как крошечные электрические переключатели, используются для временного хранения, а для долговременного хранения используются либо диски, либо ленты с магнитным покрытием, либо пластиковые диски с узором из ямок.

Память компьютера делится на основную (или первичную) память и вспомогательную (или вторичную) память. Основная память содержит инструкции и данные во время выполнения программы, а вспомогательная память содержит данные и программы, которые в данный момент не используются, и обеспечивает долгосрочное хранение.

Как Интернет перемещает информацию между компьютерами? Какая операционная система сделана Microsoft? Войдите в этот тест и проверьте свои знания о компьютерах и операционных системах.

Основная память

Самыми ранними запоминающими устройствами были электромеханические переключатели или реле (см. компьютеры: первый компьютер) и электронные лампы (см. компьютеры: первая хранимая программа). машины). В конце 1940-х годов первые компьютеры с хранимой программой использовали в качестве основной памяти ультразвуковые волны в ртутных трубках или заряды в специальных электронных лампах. Последние были первой оперативной памятью (ОЗУ). ОЗУ содержит ячейки памяти, к которым можно получить прямой доступ для операций чтения и записи, в отличие от памяти с последовательным доступом, такой как магнитная лента, в которой необходимо последовательно обращаться к каждой ячейке, пока не будет найдена требуемая ячейка.

Магнитная память барабана

Магнитные барабаны с фиксированными головками чтения/записи для каждой из множества дорожек на внешней поверхности вращающегося цилиндра, покрытого ферромагнитным материалом, использовались как для основной, так и для вспомогательной памяти в 1950-х годах, хотя доступ к данным у них был последовательным. .

Память на магнитном сердечнике

Примерно в 1952 году была разработана первая относительно дешевая оперативная память: память на магнитных сердечниках, расположение крошечных ферритовых сердечников на проволочной сетке, через которую можно было направлять ток для изменения выравнивания отдельных сердечников. Из-за присущих ОЗУ преимуществ основная память была основной формой основной памяти, пока в конце 1960-х годов ее не вытеснила полупроводниковая память.

Полупроводниковая память

Существует два основных типа полупроводниковой памяти. Статическая RAM (SRAM) состоит из триггеров, бистабильной схемы, состоящей из четырех-шести транзисторов. Как только триггер сохраняет бит, он сохраняет это значение до тех пор, пока в нем не будет сохранено противоположное значение. SRAM обеспечивает быстрый доступ к данным, но физически она относительно велика. Он используется в основном для небольших объемов памяти, называемых регистрами, в центральном процессоре компьютера (ЦП) и для быстрой «кэш-памяти». Динамическое ОЗУ (DRAM) хранит каждый бит в электрическом конденсаторе, а не в триггере, используя транзистор в качестве переключателя для зарядки или разрядки конденсатора. Поскольку в нем меньше электрических компонентов, ячейка памяти DRAM меньше, чем SRAM. Однако доступ к его значению происходит медленнее, и, поскольку конденсаторы постепенно теряют заряд, хранящиеся значения необходимо перезаряжать примерно 50 раз в секунду. Тем не менее, DRAM обычно используется для основной памяти, потому что чип того же размера может вместить в несколько раз больше DRAM, чем SRAM.

Ячейки памяти в оперативной памяти имеют адреса. Обычно оперативную память организуют в «слова» от 8 до 64 бит или от 1 до 8 байт (8 бит = 1 байт). Размер слова обычно представляет собой количество битов, которые могут быть переданы за один раз между основной памятью и ЦП. Каждое слово и обычно каждый байт имеют адрес. Микросхема памяти должна иметь дополнительные схемы декодирования, которые выбирают набор ячеек хранения, находящихся по определенному адресу, и либо сохраняют значение по этому адресу, либо извлекают то, что там хранится.Основная память современного компьютера состоит из нескольких микросхем памяти, каждая из которых может содержать много мегабайт (миллионов байтов), а схема адресации выбирает соответствующую микросхему для каждого адреса. Кроме того, DRAM требует, чтобы схемы обнаруживали сохраненные значения и периодически обновляли их.

Для доступа к данным основной памяти требуется больше времени, чем процессору для работы с ними. Например, доступ к памяти DRAM обычно занимает от 20 до 80 наносекунд (миллиардных долей секунды), но арифметические операции ЦП могут занимать всего наносекунду или меньше. Есть несколько способов справиться с этим несоответствием. ЦП имеют небольшое количество регистров, очень быструю SRAM, в которой хранятся текущие инструкции и данные, с которыми они работают. Кэш-память — это больший объем (до нескольких мегабайт) быстрой SRAM на кристалле ЦП. Данные и инструкции из основной памяти передаются в кэш-память, а поскольку программы часто демонстрируют «локальность ссылок», то есть они некоторое время выполняют одну и ту же последовательность инструкций в повторяющемся цикле и оперируют наборами связанных данных, ссылки на память могут помещаться в быстрый кэш после того, как в него будут скопированы значения из основной памяти.

Большая часть времени доступа к DRAM уходит на декодирование адреса для выбора соответствующих ячеек памяти. Свойство локальности ссылки означает, что последовательность адресов памяти будет часто использоваться, а быстрая DRAM предназначена для ускорения доступа к последующим адресам после первого. Синхронная DRAM (SDRAM) и EDO (расширенный вывод данных) — два таких типа быстрой памяти.

Энергонезависимая полупроводниковая память, в отличие от SRAM и DRAM, не теряет своего содержимого при отключении питания. Некоторые энергонезависимые запоминающие устройства, такие как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), нельзя перезаписывать после изготовления или записи. Каждая ячейка памяти микросхемы ПЗУ имеет либо транзистор для 1 бита, либо ни одного для 0 бита. ПЗУ используются для программ, которые являются неотъемлемой частью работы компьютера, таких как программа начальной загрузки, которая запускает компьютер и загружает его операционную систему, или BIOS (базовая система ввода-вывода), которая обращается к внешним устройствам в персональном компьютере (ПК).

EPROM (стираемое программируемое ПЗУ), EAROM (электрически изменяемое ПЗУ) и флэш-память — это типы энергонезависимой памяти, которые можно перезаписывать, хотя перезапись занимает гораздо больше времени, чем чтение. Таким образом, они используются в качестве памяти специального назначения, когда запись требуется редко — если они используются, например, для BIOS, их можно изменить для исправления ошибок или обновления функций.

В наши дни почти каждый использует компьютер, будь то дома или на работе. На самом деле редко можно встретить человека, у которого нет доступа к компьютеру. Мы сильно зависим от компьютеров, особенно в деловом мире. Тем не менее, мало кто действительно понимает, как работают компьютеры. Как компьютер может выполнять команды, которые вы вводите? Ответ на этот вопрос дает микропроцессор компьютера. Конечно, знание этого мало что объясняет. Мы расскажем вам, что такое микропроцессор, как он работает и многое другое.

Что такое микропроцессор?

Микропроцессор — это центральный блок компьютерной системы, выполняющий арифметические и логические операции, которые обычно включают сложение, вычитание, перенос чисел из одной области в другую и сравнение двух чисел. Его часто называют просто процессором, центральным процессором или логическим чипом. По сути, это двигатель или мозг компьютера, который приходит в движение при включении компьютера. Это программируемое многоцелевое устройство, объединяющее функции ЦП (центрального процессора) в одной ИС (интегральной схеме).

Как работает микропроцессор?

Микропроцессор принимает двоичные данные в качестве входных данных, обрабатывает эти данные, а затем предоставляет выходные данные на основе инструкций, хранящихся в памяти. Для обработки данных используются АЛУ (арифметико-логическое устройство) микропроцессора, блок управления и массив регистров. Массив регистров обрабатывает данные через ряд регистров, которые действуют как временные ячейки памяти с быстрым доступом. Поток инструкций и данных через систему управляется блоком управления.

Преимущества микропроцессора

Но компьютерные системы — не единственные устройства, использующие микропроцессоры. В наши дни все, от смартфонов до бытовой техники и автомобилей, использует микропроцессоры. Вот несколько причин, почему микропроцессоры так широко используются:

Общие используемые термины

Когда дело доходит до обсуждения микропроцессоров, их функций и многого другого, вы, вероятно, столкнетесь с рядом терминов, с которыми, возможно, не знакомы. Ниже приведены некоторые общие термины, относящиеся к микропроцессорам:

Длина слова

Набор инструкций

Набор инструкций — это последовательность команд, которые может понять микропроцессор. По сути, это интерфейс между аппаратным и программным обеспечением.

Кэш-память

Кэш-память используется для хранения данных или инструкций, на которые программное обеспечение или программа часто ссылаются во время работы. По сути, это помогает увеличить общую скорость операции, позволяя процессору получать доступ к данным быстрее, чем из обычной оперативной памяти.

Часовая частота

Тактовая частота — это скорость, с которой микропроцессор может выполнять инструкции. Обычно он измеряется в герцах и выражается в единицах измерения, таких как МГц (мегагерцы) и ГГц (гигагерцы).

Шина — это термин, используемый для описания набора проводников, которые передают данные, адреса или управляющую информацию к различным элементам микропроцессора. Большинство микропроцессоров состоят из трех разных шин, включая шину данных, шину адреса и шину управления.

Категории микропроцессоров

Микропроцессоры можно разделить на разные категории следующим образом:

На основе длины слова

Компьютер с сокращенным набором команд (RISC)

Микропроцессоры RISC используются чаще, чем процессоры с более конкретным набором инструкций. Для выполнения инструкций в процессоре требуется специальная схема для загрузки и обработки данных. Поскольку в микропроцессорах RISC меньше инструкций, у них более простые схемы, а значит, они работают быстрее. Кроме того, микропроцессоры RISC имеют больше регистров, используют больше оперативной памяти и используют фиксированное количество тактов для выполнения одной инструкции.

Компьютер со сложным набором команд

Микропроцессоры CISC противоположны микропроцессорам RISC. Их цель — сократить количество инструкций для каждой программы. Количество циклов на инструкцию игнорируется. Поскольку сложные инструкции выполняются непосредственно аппаратно, микропроцессоры CISC сложнее и медленнее. Микропроцессоры CISC используют мало оперативной памяти, имеют больше транзисторов, меньше регистров, имеют большое количество тактов для каждой инструкции и имеют различные режимы адресации.

Специальные процессоры

Некоторые микропроцессоры предназначены для выполнения определенных функций. Например, сопроцессоры используются в сочетании с основным процессором, а транспьютер — это транзисторный компьютер: микропроцессор с собственной локальной памятью.

Микропроцессор стал поворотным моментом в современной вычислительной технике

Раньше процессоры были огромными. Только в 1960-х годах дизайнеры пытались интегрировать функции центрального процессора в микропроцессорные блоки. Именно успешное развитие микропроцессора привело к созданию домашнего компьютера. Микропроцессоры общего назначения — это то, что позволяет использовать наши компьютеры для редактирования текста, отображения мультимедиа, вычислений и связи через Интернет. Из-за того, насколько они быстрые, маленькие и энергоэффективные, они стали неотъемлемой частью разработки повседневных технологий, включая бытовую технику, смартфоны и многое другое. Поскольку микропроцессор в корне изменил мир, стоит разобраться, что это такое и как оно работает!

Насколько вы уверены, что ваш бизнес работает с использованием самых современных технологий? Пройдите наш тест сегодня!

Компьютер, на котором вы читаете эту страницу, использует для своей работы микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого обычного компьютера, будь то настольный компьютер, сервер или ноутбук. Существует множество типов микропроцессоров, но все они делают примерно одно и то же примерно одинаково.

Микропроцессор, также известный как центральный процессор или центральный процессор, представляет собой законченный вычислительный механизм, созданный на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, представленный в 1971 году. 4004 был не очень мощным — все, что он мог делать, это складывать и вычитать, и он мог делать это только 4 бита за раз. Но было удивительно, что все было на одном чипе. До 4004 инженеры строили компьютеры либо из наборов микросхем, либо из отдельных компонентов (транзисторов, соединенных по одному). На базе 4004 был создан один из первых портативных электронных калькуляторов.

Если вы когда-нибудь задумывались о том, что делает микропроцессор в вашем компьютере, или если вы когда-нибудь задумывались о различиях между типами микропроцессоров, читайте дальше.В этой статье вы узнаете, как довольно простые методы цифровой логики позволяют компьютеру выполнять свою работу, будь то игра или проверка орфографии в документе!

Развитие микропроцессоров: Intel

Представленный Intel в 1974 году, микропроцессор 8080 стал первым микропроцессором, достаточно мощным для создания компьютера. Библиотека изображений «Наука и общество»/Getty Images

С 2004 года корпорация Intel представила многоядерные микропроцессоры и еще миллионы транзисторов. Но даже эти микропроцессоры подчиняются тем же общим правилам, что и более ранние чипы.

Процессор Intel Core i9 может иметь до восьми ядер, каждое из которых может выполнять любой фрагмент кода, работавший на исходном 8088, всего примерно в 6700 раз быстрее! Каждое ядро может обрабатывать несколько потоков инструкций, что позволяет компьютеру более эффективно управлять задачами.

С 1970-х годов ассортимент продукции Intel значительно расширился. На момент написания этой статьи компания по-прежнему производит процессоры Pentium и Core для компьютеров, но более производительные ПК и серверы могут использовать чип Xeon. Кроме того, Intel предлагает линейки процессоров Celeron и Atom. Celeron предназначен для пользователей компьютеров начального уровня, а процессоры Atom лучше подходят для мобильных устройств и устройств, являющихся частью Интернета вещей.

Несмотря на то, что Intel по-прежнему занимает значительную долю рынка, у нее больше конкурентов, чем ее справедливая доля. AMD конкурирует с Intel на рынке процессоров для ПК, но также имеет большой бизнес в области чипов для графических процессоров, популярных среди геймеров. Nvidia, известная своими графическими чипами, также производит процессоры. В 2020 году Apple представила свои чипы серии M, которые заменяют чипы Intel, которые Apple использовала для своих компьютеров Macintosh. Samsung также может работать над собственным дизайном процессоров. Многие другие компании производят процессоры для других применений электроники, таких как автомобили и продукты для умного дома. Рынок становится все более и более конкурентным.

Чип также называют интегральной схемой. Как правило, это небольшой тонкий кусочек кремния, на котором выгравированы транзисторы, из которых состоит микропроцессор. Чип может быть размером с дюйм со стороны и содержать десятки миллионов транзисторов. Более простые модели могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе площадью всего несколько квадратных миллиметров. Стало обычным видеть чипы во всевозможных устройствах с несколькими ядрами, каждое из которых является процессором.

В компьютерах существует несколько типов памяти, включая ОЗУ, ПЗУ, магнитные жесткие диски, твердотельные накопители и подключаемые внешние устройства хранения, такие как SD-карты, диски Blu-ray и USB-накопители.

Два из этих типов, RAM и ROM, звучат почти одинаково, однако эти два типа памяти имеют совершенно разные определения, характеристики и назначение. Давайте рассмотрим подробнее.

ОЗУ и ПЗУ

Оперативная память — это самый быстрый и самый дорогой тип памяти в компьютере. Является ли ОЗУ постоянным хранилищем? Нет, оперативная память хранит данные только временно. Еще одной важной характеристикой ОЗУ является то, что данные ОЗУ можно легко изменить.

Напротив, ПЗУ обеспечивает постоянное хранилище. Некоторые, но не все, типы ПЗУ теперь позволяют стирать и перезаписывать данные, хотя и не так эффективно, как ОЗУ.

Однако ОЗУ и ПЗУ имеют некоторые общие черты. Каждый из них обеспечивает критически важный вид внутренней памяти, необходимой для правильной работы компьютера. Кроме того, ОЗУ и ПЗУ расположены на материнской плате компьютера, но в отдельных сменных наборах микросхем.

Чтобы узнать больше о многих различиях и сходствах между ОЗУ и ПЗУ, читайте дальше. Здесь вы найдете дополнительную информацию о типах компьютерной памяти.

И ОЗУ, и ПЗУ содержат подразделения с различными вариациями базовой технологии.

Что такое оперативная память?

Для чего используется оперативная память? По сути, функция оперативной памяти заключается в хранении данных, необходимых ЦП для работы операционной системы, программ и процессов.

Скорость оперативной памяти измеряется в наносекундах. Поскольку оперативная память работает невероятно быстро, она может быстро переключаться между задачами.

Емкость ОЗУ на компьютере обычно составляет от 64 МБ до 4 ГБ по сравнению с 4 МБ – 8 ГБ для ПЗУ. Объем ОЗУ обеспечивается чипами ОЗУ, которые устанавливаются в два-четыре слота памяти, расположенные рядом с ЦП на материнской плате компьютера.

Чтобы добавить больше емкости, вы можете обновить микросхемы ОЗУ на своем компьютере, но вам необходимо убедиться, что новый набор микросхем совместим. Например, недостаточно вставить оперативную память DDR3 в сокет DDR3. Вы должны использовать оперативную память DDR3 со скоростью, приемлемой для компьютера.

ОЗУ как энергонезависимая память

Является ли оперативная память энергозависимой или энергонезависимой? Оперативная память является энергозависимой памятью, что означает, что она хранит данные только при включенном питании.При выключении компьютера данные в оперативной памяти автоматически стираются.

Благодаря энергозависимой памяти оперативной памяти вся работа, выполненная на компьютере, постоянно сохраняется на жестком диске, чтобы данные не были потеряны в случае внезапного отключения питания.

Как работает оперативная память?

ОЗУ также является памятью для чтения и записи, что означает, что ЦП может быстро считывать инструкции из ОЗУ и записывать результаты в ОЗУ, быстро изменяя данные.

Оперативная память называется оперативной памятью, потому что компьютер может напрямую обращаться к оперативной памяти и манипулировать ею случайным образом, в любом порядке и из любого физического местоположения.

Как работает оперативная память? По сути, ОЗУ — это полупроводник, размещенный на процессоре, в котором хранятся переменные для вычислений ЦП. Оперативная память предоставляет ячейки памяти для запрошенных данных. ЦП получает инструкцию чтения данных с адресом памяти или расположением данных, а затем отправляет адрес контроллеру ОЗУ.

Контроллер, со своей стороны, передает адрес по соответствующему пути, открывая транзисторы пути и считывая значение каждого конденсатора. В конечном итоге считанные данные передаются обратно в ЦП.

Какие существуют типы оперативной памяти?

Двумя основными типами оперативной памяти являются статическая RAM (SRAM) и динамическая RAM (DRAM).

SRAM – это микросхема памяти, которая работает быстрее и потребляет меньше энергии, чем DRAM. Более дорогая, чем DRAM, SRAM обычно используется компьютером в качестве кэш-памяти. SRAM использует состояние шеститранзисторной ячейки памяти для хранения бита данных. Типичная скорость SRAM составляет от 20 наносекунд (нс) до 40 нс.

DRAM – это микросхема памяти, которая может хранить больше данных, чем микросхема SRAM, хотя она медленнее и требует большей мощности. Он использует ячейку памяти DRAM, состоящую из пары транзисторов и конденсаторов, для хранения бита данных. В отличие от SRAM, каждая ячейка DRAM должна периодически обновляться, потому что конденсаторы имеют тенденцию к утечке энергии. Типичные скорости DRAM составляют от 60 нс до 100 нс.

Что такое ПЗУ?

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) обеспечивает постоянное хранение инструкций, необходимых во время начальной загрузки или процесса включения компьютера. Он делает это, сохраняя BIOS и другую прошивку для компьютерного оборудования. Эта прошивка сильно зависит от аппаратного обеспечения и редко нуждается в обновлении.

Прошивка содержит базовый код для запуска компьютера. На большинстве современных компьютеров постоянная память расположена на микросхеме BIOS, которая подключается к материнской плате.

Помимо компьютеров, ПЗУ также используется в калькуляторах, периферийных устройствах и встроенных системах, потребности в программировании которых не изменятся. Раньше чипы ПЗУ использовались в игровых картриджах для ранних игровых автоматов, таких как оригинальные Nintendo и Gameboy.

ПЗУ как энергонезависимая память

Является ли ПЗУ энергозависимой или энергонезависимой? ПЗУ является энергонезависимой памятью, т. е. сохраняет данные как при включенном, так и при выключенном питании. Если ПЗУ не будет стерто, оно никогда не забудет данные.

Как работает ПЗУ?

ЦП может считывать данные из ПЗУ. Традиционно было невозможно изменить данные в ПЗУ. Некоторые микросхемы ПЗУ теперь имеют возможность перезаписи, и данные могут быть стерты из нескольких типов ПЗУ. Однако данные не могут быть перезаписаны или удалены так же быстро и легко, как в ОЗУ.

Как работает ПЗУ во время начальной загрузки? Когда вы нажимаете кнопку питания, микросхема BIOS пробуждается и проверяет различные компоненты компьютера, чтобы убедиться, что все они присутствуют и работают правильно.

В процессе, известном как самотестирование при включении питания (POST), BIOS дает указание ЦП начать проверку кода в разных местах. Во время теста вы можете услышать жужжание жесткого диска и увидеть мигающие индикаторы. После завершения теста ЦП вступает во владение и запускает операционную систему.

Какие существуют типы ПЗУ?

Существует три основных типа ПЗУ: программируемое ПЗУ (ППЗУ), стираемое и программируемое ПЗУ (СППЗУ) и электрически стираемое и программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ).

Читайте также: