Как называется команда, которая вводит данные с внешнего устройства в оперативную память компьютера

Обновлено: 07.07.2024

Память компьютера обычно подразделяется на внутреннюю или внешнюю память.

Внутренняя память, также называемая "основной или первичной памятью", относится к памяти, в которой хранятся небольшие объемы данных, к которым можно быстро получить доступ во время работы компьютера.

Внешняя память, также называемая «вторичной памятью», относится к устройству хранения, которое может сохранять или сохранять данные на постоянной основе. Это могут быть встроенные или съемные запоминающие устройства. Примеры включают жесткие диски или твердотельные накопители, флэш-накопители USB и компакт-диски.

Какие существуют типы внутренней памяти?

В основном существует два вида внутренней памяти: ПЗУ и ОЗУ.

ROM означает постоянную память. Он энергонезависимый, что означает, что он может сохранять данные даже без питания. Он используется в основном для запуска или загрузки компьютера.

После загрузки операционной системы компьютер использует ОЗУ , что означает оперативную память, в которой временно хранятся данные, пока центральный процессор (ЦП) выполняет другие задачи. Чем больше оперативной памяти на компьютере, тем меньше процессору приходится считывать данные из внешней или вторичной памяти (устройства хранения), что позволяет компьютеру работать быстрее. Оперативная память быстрая, но энергозависимая, что означает, что она не сохранит данные, если нет питания. Поэтому важно сохранять данные на запоминающее устройство до выключения системы.

Какие существуют типы оперативной памяти?

Существует два основных типа ОЗУ: динамическое ОЗУ (DRAM) и статическое ОЗУ (SRAM).

DRAM (произносится как DEE-RAM) широко используется в качестве основной памяти компьютера. Каждая ячейка памяти DRAM состоит из транзистора и конденсатора в интегральной схеме, а бит данных хранится в конденсаторе. Поскольку транзисторы всегда имеют небольшую утечку, конденсаторы будут медленно разряжаться, что приведет к утечке хранящейся в них информации; следовательно, DRAM необходимо обновлять (с новым электронным зарядом) каждые несколько миллисекунд, чтобы сохранить данные.
SRAM (произносится как ES-RAM) состоит из четырех-шести транзисторов. Он хранит данные в памяти до тех пор, пока в систему подается питание, в отличие от DRAM, которую необходимо периодически обновлять. Таким образом, SRAM быстрее, но и дороже, что делает DRAM более распространенной памятью в компьютерных системах.

Какие распространенные типы DRAM?

Synchronous DRAM (SDRAM) «синхронизирует» скорость памяти с тактовой частотой процессора, чтобы контроллер памяти знал точный такт, когда запрошенные данные будут готовы. Это позволяет ЦП выполнять больше инструкций в данный момент времени. Типичная SDRAM передает данные со скоростью до 133 МГц.

Rambus DRAM (RDRAM) получил свое название от компании Rambus, которая его создала. Он был популярен в начале 2000-х годов и в основном использовался для игровых устройств и видеокарт со скоростью передачи данных до 1 ГГц.

SDRAM с двойной скоростью передачи данных (DDR SDRAM) – это тип синхронной памяти, пропускная способность которого почти вдвое превышает пропускную способность SDRAM с одинарной скоростью передачи данных (SDR), работающей на той же тактовой частоте, за счет использования метода, называемого "двойной накачкой", который позволяет передавать данных о переднем и заднем фронтах тактового сигнала без увеличения тактовой частоты.

На смену DDR1 SDRAM пришли DDR2 , DDR3 и, совсем недавно, DDR4 SDRAM. Хотя модули работают по одним и тем же принципам, они не имеют обратной совместимости. Каждое поколение обеспечивает более высокую скорость передачи и более высокую производительность. Например, новейшие модули DDR4 обеспечивают высокую скорость передачи данных 2133/2400/2666 и даже 3200 МТ/с.

Рисунок 1. Типы компьютерной памяти.

Какие существуют типы пакетов DRAM?

Однорядный модуль памяти (SIMM)
Модули SIMM широко использовались с конца 1980-х по 1990-е годы и в настоящее время устарели. Обычно они имели 32-разрядную шину данных и были доступны в двух физических типах — 30- и 72-контактном.

Какие распространенные типы модулей DIMM?

Существует несколько архитектур DIMM. Разные платформы могут поддерживать разные типы памяти, поэтому лучше проверить, какие модули поддерживаются материнской платой. Вот наиболее распространенные стандартные модули DIMM со стандартной длиной 133,35 мм и высотой 30 мм.

Тип модуля DIMM

Описание

Небуферизованные модули DIMM
(UDIMM)

Используется в основном на настольных и портативных компьютерах. Они работают быстрее и стоят меньше, но не так стабильны, как регистровая память. Команды поступают непосредственно от контроллера памяти, находящегося в ЦП, к модулю памяти.

Полностью буферизованные модули DIMM
(FB-DIMM)

Обычно используемые в качестве основной памяти в системах, требующих большой емкости, таких как серверы и рабочие станции, FB-DIMM используют чипы расширенного буфера памяти (AMB) для повышения надежности, поддержания целостности сигнала и улучшения методов обнаружения ошибок для уменьшения программных ошибок. Шина AMB разделена на 14-битную шину чтения и 10-битную шину записи. Благодаря выделенной шине чтения/записи операции чтения и записи могут выполняться одновременно, что повышает производительность. Меньшее количество контактов (69 контактов на последовательный канал по сравнению с 240 контактами на параллельных каналах) приводит к меньшей сложности разводки и позволяет создавать платы меньшего размера для компактных систем с малым форм-фактором.

Зарегистрированные модули DIMM
(RDIMM)

Также известная как "буферизованная" память, часто используется в серверах и других приложениях, требующих стабильности и надежности. RDIMM имеют встроенные регистры памяти (отсюда и название «зарегистрированные»), расположенные между памятью и контроллером памяти. Контроллер памяти буферизует команды, адресацию и тактовый цикл, направляя инструкции в выделенные регистры памяти вместо прямого доступа к DRAM. В результате инструкции могут выполняться примерно на один такт ЦП дольше, но буферизация снижает нагрузку на контроллер памяти ЦП.

Загрузка модулей DIMM с уменьшенным объемом
(LR-DIMM)

Используйте технологию Isolation Memory Buffer (iMB), которая снижает нагрузку на контроллер памяти за счет буферизации каналов данных и адресов. В отличие от регистра модулей RDIMM, которые буферизуют только команды, адресацию и тактовый цикл, микросхема iMB также буферизует сигналы данных. Чип iMB изолирует всю электрическую нагрузку, включая сигналы данных чипов DRAM на модулях DIMM, от контроллера памяти, поэтому контроллер памяти видит только iMB, а не чипы DRAM. Затем буфер памяти обрабатывает все операции чтения и записи в чипы DRAM, повышая как емкость, так и скорость. (Источник: изолирующий буфер памяти)

Таблица 1. Распространенные типы модулей DIMM.

Помимо модулей DIMM стандартного размера, существуют ли модули DIMM малого форм-фактора для систем с ограниченным пространством?

Малогабаритные модули DIMM (SO-DIMM) представляют собой альтернативу модулям DIMM меньшего размера. В то время как стандартные модули DIMM DDR4 имеют длину около 133,35 мм, модули SO-DIMM почти вдвое меньше обычных модулей DIMM и имеют длину 69,6 мм, что делает их идеальными для ультрапортативных устройств. Оба обычно имеют высоту 30 мм, но могут быть доступны в формате очень низкого профиля (VLP) с высотой 20,3 мм или сверхнизкого профиля (ULP) с высотой от 17,8 до 18,2 мм. Другим типом модулей DIMM малого форм-фактора является Mini-RDIMM, длина которого составляет всего 82 мм по сравнению со 133 мм обычных модулей RDIMM.

Продукты ATP DRAM

ATP предлагает промышленные модули памяти различной архитектуры, емкости и форм-фактора. Модули ATP DRAM обычно используются в промышленных ПК и встроенных системах. Устойчивые к вибрации, ударам, пыли и другим сложным условиям, модули ATP DRAM хорошо работают даже при самых ресурсоемких рабочих нагрузках и приложениях, а также в различных операционных средах.

Стремясь обеспечить долговечность продуктов, ATP также продолжает предлагать устаревшие модули DRAM в определенных форм-факторах в соответствии с лицензионным соглашением с Micron Technology, Inc. Для получения информации об устаревших продуктах SDRAM ATP посетите сайт Legacy SDRAM .

Чтобы обеспечить высокую надежность, ATP проводит тщательное тестирование и проверку от уровня ИС до уровня модуля и продукта, используя автоматическое испытательное оборудование (ATE) для различных электрических параметров, таких как предельное напряжение, частота сигнала, тактовая частота, синхронизация команд и синхронизация данных. непрерывные термические циклы. Испытание во время прожига (TDBI) использует специальную мини-термокамеру, в которой модули подвергаются низким и повышенным температурным испытаниям, чтобы отсеять дефектные компоненты и свести к минимуму младенческую смертность IC, тем самым обеспечивая более высокое качество производства и уменьшая фактические отказы в полевых условиях.

В таблице ниже представлены продукты DDR4 DRAM компании ATP.

Тип модуля DIMM

Размер (Д x В мм) / Изображение

DDR4
RDIMM ECC

Стандартный: 133,35 x 31,25

Очень низкий профиль (VLP): 133,35 x 18,75

DDR4
UDIMM ECC

133,35 x 31,25

DDR4
SO-DIMM ECC

69,6 x 30

DDR4
Mini-DIMM
Небуферизованный ECC

Очень низкий профиль (VLP): 80 x 18,75

Таблица 2.Продукты ATP DDR4 DRAM. (Также доступны версии без ECC.)

В таблице ниже показано сравнение размеров различных типов модулей DRAM.

Тип модуля DIMM

Размер (Д x В мм)

DDR4

VLP (очень низкий профиль)

DDR3

133,35 x 18,28–18,79

ULP (сверхнизкий профиль)

133,35 x 17,78–18,28

DDR2

133,35 x 18,28–18,79

ГДР

133,35 x 18,28–18,79

SDRAM

133,35 x 25,4–43,18

Таблица 3. Сравнение размеров DDR4/DDR3/DDR2/DDR.

Для получения подробного списка, спецификаций и описаний продуктов DRAM компании ATP посетите веб-сайт ATP или обратитесь к дистрибьютору/представителю ATP в вашем регионе.

Периферийное устройство — это «устройство, которое используется для ввода информации в компьютер или получения информации из него». [1]

Существует три различных типа периферийных устройств:

Ввод, используемый для взаимодействия или отправки данных на компьютер (мышь, клавиатура и т. д.)
Вывод, обеспечивающий вывод пользователю данных с компьютера (мониторы, принтеры и т. д.)
Хранилище, в котором хранятся данные, обрабатываемые компьютером (жесткие диски, флешки и т. д.)

Периферийные устройства человеко-машинного интерфейса (HMI).

Обзор

Периферийное устройство обычно определяется как любое вспомогательное устройство, такое как компьютерная мышь или клавиатура, которое каким-либо образом подключается к компьютеру и работает с ним. Другими примерами периферийных устройств являются карты расширения, графические карты, сканеры изображений, ленточные накопители, микрофоны, громкоговорители, веб-камеры и цифровые камеры. ОЗУ — оперативная память — занимает грань между периферийным и основным компонентом; технически это периферийное устройство для хранения данных, но оно требуется для каждой основной функции современного компьютера, и удаление ОЗУ эффективно отключит любую современную машину. Многие новые устройства, такие как цифровые часы, смартфоны и планшетные компьютеры, имеют интерфейсы, которые позволяют использовать их в качестве периферийных устройств на полном компьютере, хотя они не зависят от хоста, как другие периферийные устройства. Согласно наиболее техническому определению, единственными частями компьютера, которые не считаются периферийными устройствами, являются центральный процессор, блок питания, материнская плата и корпус компьютера.

В системе на чипе периферийные устройства встроены в ту же интегральную схему, что и центральный процессор. Их по-прежнему называют «периферийными устройствами», несмотря на то, что они постоянно подключены к своему хост-процессору (и в некотором смысле являются его частью).

Общие периферийные устройства

Ввод
- Клавиатура
- Компьютерная мышь
- Графический планшет
- Сенсорный экран
- Сканер штрих-кода
- Сканер изображений
- Микрофон
- Веб-камера
- Игровой контроллер
- Световое перо
- Сканер
- Цифровая камера
- Дисплей компьютера
- Принтер
- Проектор
- Динамик
- Диск для гибких дисков
- Флэш-накопитель
- Диск
- Интерфейс для хранения данных на смартфоне или планшете.
- CD/DVD-привод
- Модем
- Контроллер сетевого интерфейса (NIC)
Устройства ввода

В вычислительной технике устройство ввода – это периферийное устройство (часть аппаратного компьютерного оборудования), используемое для передачи данных и управляющих сигналов в систему обработки информации, такую как компьютер или другое информационное устройство. К устройствам ввода относятся клавиатуры, мыши, сканеры, цифровые камеры и джойстики.

Многие устройства ввода можно классифицировать по следующим признакам:
- модальность ввода (например, механическое движение, звук, изображение и т. д.)
- ввод является дискретным (например, нажатия клавиш) или непрерывным (например, положение мыши, хотя и оцифровано в дискретную величину, достаточно быстро, чтобы считаться непрерывным)
Указывающие устройства, которые представляют собой устройства ввода, используемые для указания положения в пространстве, можно дополнительно классифицировать в соответствии с:
- Прямой или косвенный вход. При прямом вводе пространство ввода совпадает с пространством отображения, т. е. указание производится в пространстве, где появляется визуальная обратная связь или указатель. Сенсорные экраны и световые перья предполагают прямой ввод. Примеры непрямого ввода включают мышь и шаровой манипулятор.
- Является ли информация о местоположении абсолютной (например, на сенсорном экране) или относительной (например,с помощью мыши, которую можно поднимать и перемещать)
Прямой ввод почти всегда является абсолютным, но косвенный ввод может быть как абсолютным, так и относительным. Например, оцифровывающие графические планшеты, которые не имеют встроенного экрана, включают непрямой ввод и определяют абсолютные положения и часто работают в режиме абсолютного ввода, но они также могут быть настроены для имитации режима относительного ввода, такого как сенсорная панель, где стилус или шайбу можно поднять и переместить.

Устройства ввода и вывода составляют аппаратный интерфейс между компьютером и сканером или контроллером 6DOF.

Клавиатуры

Клавиатура – это устройство взаимодействия с пользователем, представленное в виде набора кнопок. Каждая кнопка или клавиша может использоваться либо для ввода лингвистического символа в компьютер, либо для вызова определенной функции компьютера. Они действуют как основной интерфейс ввода текста для большинства пользователей. В традиционных клавиатурах используются пружинные кнопки, хотя в более новых вариантах используются виртуальные клавиши или даже проекционные клавиатуры. Это похожее на пишущую машинку устройство, состоящее из матрицы переключателей.

Примеры типов клавиатур включают:
- Кейер
- Клавиатура
- Подсвеченная программная функциональная клавиатура (LPFK)
Указывающие устройства

Компьютерная мышь

Указывающие устройства – наиболее часто используемые сегодня устройства ввода. Указывающее устройство — это любое устройство интерфейса пользователя, которое позволяет пользователю вводить пространственные данные в компьютер. В случае с мышами и сенсорными панелями это обычно достигается путем обнаружения движения по физической поверхности. Аналоговые устройства, такие как 3D-мыши, джойстики или джойстики, работают, сообщая об угле отклонения. Движения указывающего устройства повторяются на экране движениями указателя, создавая простой и интуитивно понятный способ навигации по графическому пользовательскому интерфейсу компьютера (GUI).

Композитные устройства

Пульт Wii с прикрепленным ремешком

Устройства ввода, такие как кнопки и джойстики, можно объединить на одном физическом устройстве, которое можно рассматривать как составное устройство. Многие игровые устройства имеют такие контроллеры. Технически мыши являются составными устройствами, так как они отслеживают движение и предоставляют кнопки для нажатия, но обычно считается, что составные устройства имеют более двух различных форм ввода.
- Игровой контроллер
- Геймпад (или джойстик)
- Пэддл (игровой контроллер)
- Поворотный переключатель/манипулятор (или ручка)
- Пульт Wii
Устройства обработки изображений и ввода

Датчик Microsoft Kinect

Устройства ввода видео используются для оцифровки изображений или видео из внешнего мира в компьютер. Информация может храниться в различных форматах в зависимости от требований пользователя.
- Цифровая камера
- Цифровая видеокамера
- Портативный медиаплеер
- Веб-камера
- Сенсор Microsoft Kinect
- Сканер изображений
- Сканер отпечатков пальцев
- Сканер штрих-кода
- 3D-сканер
- Лазерный дальномер
- Отслеживание взгляда
- Компьютерная томография
- Магнитно-резонансная томография
- Позитронно-эмиссионная томография
- Медицинское УЗИ
Устройства ввода звука

Устройства ввода звука используются для захвата звука. В некоторых случаях устройство вывода звука можно использовать в качестве устройства ввода для захвата производимого звука.
- Микрофоны
- MIDI-клавиатура или другой цифровой музыкальный инструмент
Устройства вывода

Устройство вывода – это любая часть аппаратного компьютерного оборудования, используемая для передачи результатов обработки данных, выполняемой системой обработки информации (например, компьютером), которая преобразует сгенерированную электронным способом информацию в удобочитаемую форму. [3] [4]

Устройства отображения

Устройство отображения – это устройство вывода, которое визуально передает текст, графику и видеоинформацию. Информация, отображаемая на устройстве отображения, называется электронной копией, поскольку эта информация существует в электронном виде и отображается в течение временного периода.Устройства отображения включают ЭЛТ-мониторы, ЖК-мониторы и дисплеи, газовые плазменные мониторы и телевизоры. [5]

Ввод/вывод

Входные данные – это сигналы или данные, полученные системой, а выходные – сигналы или данные, отправленные из нее.

Существует множество устройств ввода и вывода, таких как многофункциональные принтеры и компьютерные навигационные системы, которые используются для специализированных или уникальных приложений. [6] В вычислительной технике ввод/вывод относится к связи между системой обработки информации (например, компьютером) и внешним миром. Входы — это сигналы или данные, полученные системой, а выходы — это сигналы или данные, отправленные из нее.

Примеры

Эти примеры устройств вывода также включают устройства ввода/вывода. [7] [8] Принтеры и визуальные дисплеи являются наиболее распространенным типом устройств вывода для взаимодействия с людьми, но голосовая связь становится все более доступной. [9]
- Динамики
- Наушники
- Экран (монитор)
- Принтер
- Помощь в голосовом общении
- Автомобильная навигационная система
- Тиснение Брайля
- Проектор
- Плоттер
- Телевидение
- Радио
Память компьютера

В вычислительной технике под памятью понимаются устройства, используемые для хранения информации для использования в компьютере. Термин «первичная память» используется для систем хранения данных, которые функционируют на высокой скорости (т. е. ОЗУ), в отличие от вторичной памяти, которая обеспечивает хранение программ и данных, доступ к которым медленный, но обеспечивает большую емкость памяти. При необходимости первичная память может быть сохранена во вторичной памяти с помощью метода управления памятью, называемого «виртуальной памятью». Архаичным синонимом памяти является хранилище. [10]

Энергозависимая память

DDR-SD-RAM, SD-RAM и две старые формы RAM.

Энергозависимая память – это компьютерная память, для хранения которой требуется питание. Большая часть современной полупроводниковой энергозависимой памяти представляет собой статическое ОЗУ (см. SRAM) или динамическое ОЗУ (см. DRAM). SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока подключено питание, и к ней легко подключиться, но она использует шесть транзисторов на бит. Динамическое ОЗУ сложнее в интерфейсе и управлении и требует регулярных циклов обновления, чтобы предотвратить потерю его содержимого. Однако DRAM использует только один транзистор и конденсатор на бит, что позволяет достичь гораздо более высокой плотности и, с большим количеством битов на микросхеме памяти, быть намного дешевле в расчете на бит. SRAM не подходит для системной памяти настольных компьютеров, где преобладает DRAM, но используется для их кэш-памяти. SRAM является обычным явлением в небольших встроенных системах, которым может потребоваться всего несколько десятков килобайт или меньше. Будущие технологии энергозависимой памяти, которые надеются заменить или конкурировать с SRAM и DRAM, включают Z-RAM, TTRAM, A-RAM и ETA RAM.

Приготовьтесь к путешествию в прошлое, чтобы взглянуть на первые дни памяти и хранения и узнать, как мы пришли к тому, что мы имеем сегодня.

Опубликовано: 16 сентября 2020 г. | Дэвид Бот

Дополнительные ресурсы по Linux

В первых двух статьях этой серии я рассматривал Историю компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов и Центральный процессор (ЦП): его компоненты и функциональные возможности. Я обсуждал память и хранилище в обеих статьях, но только как дополнение к пониманию того, как работает ЦП. В этой статье я углублюсь в различные типы памяти и хранилища. Я также исследую, почему у нас есть разные типы памяти, такие как ОЗУ, кэш-память и жесткие диски (включая твердотельные устройства (SSD)).

Термины память и хранилище часто используются в технологической отрасли как синонимы, и определения обоих терминов в Free Dictionary of Computing (FOLDOC) подтверждают это. Оба могут применяться к любому типу устройств, в которых данные могут храниться и впоследствии извлекаться.

Идеальный компьютер должен иметь только один тип памяти. Это было бы и быстро, и недорого, и обеспечивало бы произвольный доступ к любому местоположению для чтения и записи. Произвольный доступ гораздо более гибкий, чем последовательный доступ, и обеспечивает более быстрый путь к определенным ячейкам памяти. Доступ к каждому местоположению осуществляется так же быстро, как и к любому другому.

Волатильность в сравнении со стоимостью и скоростью

Несмотря на то, что устройства хранения данных имеют хорошо известные атрибуты, такие как емкость, которые влияют на то, как конкретный компонент используется в компьютере, наиболее важными отличительными характеристиками являются скорость и изменчивость.

Энергозависимая память сохраняет хранящиеся в ней данные только до тех пор, пока подается питание. Оперативная память — RAM — бывает разных скоростей и размеров. Он состоит из транзисторных ячеек памяти и всегда энергозависим. Он сохраняет данные, хранящиеся в нем, только до тех пор, пока подается питание. Энергонезависимая память может быть довольно быстрой.

Энергонезависимая память сохраняет сохраненные данные даже при отключении питания. Дисководы изготовлены из дисков, покрытых магнитным материалом. Данные записываются с использованием магнитных полей, а полученные магнитные данные сохраняются в виде микроскопических магнитных битов на круглых полосах на диске. Диски и другие магнитные носители энергонезависимы и сохраняют данные даже при отключении питания. Энергонезависимая память работает значительно медленнее, чем энергозависимая память.

Как мы видели в предыдущих статьях этой серии, ЦП выполняет свою задачу быстрее, чем большая часть оперативной памяти. Это приводит к использованию предиктивного анализа для перемещения данных через несколько уровней все более быстрой кэш-памяти, чтобы гарантировать, что необходимые данные будут доступны для ЦП, когда это необходимо.

Все это хорошо, но более быстрая память всегда была дороже, чем более медленная. Энергонезависимая память также дороже, чем энергонезависимая. Пока.

Раннее хранение

Одним из первых устройств энергонезависимой памяти была бумажная лента с пробитыми в ней отверстиями и телетайп со считывателем бумажной ленты. Преимущество этого метода заключалось в том, что он был относительно недорогим, но он был медленным и ненадежным. Бумажные ленты могли быть повреждены, поэтому были программы для дублирования бумажных лент и наборы для исправления. Обычно программы хранились на ленте, а данные вводились с консоли или с другой ленты. Вывод можно было распечатать на консоли или записать на другую ленту.

Перфокарты были еще одним ранним устройством для хранения данных. Поскольку каждая карта представляет собой запись, большая часть обработки, например извлечение нужных данных из большего набора, может выполняться в автономном режиме на таких устройствах, как сортировщики и подборщики. Перфокарты были более универсальным вариантом бумажной ленты.

Энергозависимое хранилище было грубым и состояло из блоков электромеханических реле. Такая память была очень медленной и дорогой. Еще одним ранним энергозависимым носителем данных, более подходящим для основного хранилища, была электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Каждый ЭЛТ может хранить 256 бит данных по цене около 1 доллара США за бит. Да – побитно.

Некоторое время использовалась память звуковой линии задержки. Один из типов перфораторов, который я обслуживал, когда работал в IBM, использовал этот тип памяти. Он был очень ограничен по емкости и скорости и обеспечивал только последовательный доступ, а не случайный. Тем не менее, он хорошо работал по назначению.

Хранилища на магнитных дисках и магнитных лентах быстро развивались в 1950-х годах, и IBM представила RAMAC, первый коммерческий жесткий диск в 1956 году. В этом энергонезависимом устройстве хранения использовалось 50 магнитных дисков на одном вращающемся шпинделе для хранения около 3,75 МБ. да, мегабайты — данных. При аренде в размере 750 долларов США в месяц стоимость этого хранилища составляла около 0,47 долларов США за байт в месяц.

Магнитные диски — это то, что я называю полуслучайным доступом. Данные записываются тысячами концентрических кольцевых дорожек на диске, и каждая дорожка содержит много секторов данных. Для доступа к данным в определенном секторе и дорожке головки чтения/записи должны сначала найти правильную дорожку, а затем дождаться, пока диск повернется так, чтобы нужный сектор данных попал под головку. Какими бы быстрыми ни казались современные жесткие диски, они все же довольно медленны по сравнению с твердотельной оперативной памятью.

Память на магнитных сердечниках широко использовалась в 1950-х и 60-х годах и предлагала произвольный доступ. Его недостатки заключались в том, что он был дорогим и медленным. Стоимость памяти на магнитных сердечниках начиналась с 1 доллара США за бит, но упала примерно до 0,01 доллара США за бит, когда производство пластин сердечника было перенесено в Азию.

Когда в 1950-х годах были изобретены транзисторы, компьютерная память и другие компоненты были перенесены на новые полупроводниковые запоминающие устройства, которые также называются твердотельными. Память этого типа энергозависима, и данные теряются при отключении питания.

К 1970 году оперативная память была сжата до интегральных схем (ИС). Поскольку микросхемы упаковывали больше памяти в меньшие пространства, они также становились быстрее. Первоначальная стоимость памяти IC составляла около 0,01 доллара США за бит или восемь центов за байт.

Первый твердотельный накопитель (SSD) был продемонстрирован в 1991 году. Технология SSD использует флэш-память для хранения данных на энергонезависимом полупроводниковом запоминающем устройстве. Эта технология по-прежнему используется сегодня в картах памяти SD и флэш-накопителях. Устройства SSD намного быстрее, чем жесткие диски с вращающимся диском, но все же значительно медленнее, чем оперативная память, используемая для основного хранилища.

Сегодня

Современные жесткие диски могут содержать несколько терабайт данных на магнитном энергонезависимом носителе записи. Типичный жесткий диск емкостью 4 ТБ можно купить примерно за 95 долларов, поэтому стоимость составляет около 0,0000000023 доллара за байт. Современной оперативной памяти может быть огромное количество, и она очень быстрая. Оперативная память может стоить всего 89 долларов за 16 ГБ, что составляет около 0,00000055625 долларов за байт. При таком раскладе 4 ТБ ОЗУ стоят около 22 250 долларов США, поэтому хранилище в ОЗУ по-прежнему примерно в 250 раз дороже, чем хранилище на жестком диске.

Хотя это и не является основной темой этой статьи, у нас также есть так называемые автономные хранилища, такие как устройства CD/DVD-ROM/RW, и съемные носители, такие как внешние жесткие диски и ленточные накопители.

Разные типы хранилищ работают вместе

У нас есть диски, на которых хранятся несколько терабайт данных на энергонезависимом носителе. Они медленнее любого типа полупроводниковой памяти и не обеспечивают настоящего произвольного доступа, поэтому они не подходят для использования в качестве основной памяти, к которой ЦП имеет прямой доступ. У нас также есть быстрая оперативная память, которая значительно дороже, чем хранилище на жестком диске, но она быстрая, и ЦП может иметь к ней прямой доступ. Флэш-накопители, CD/DVD и другие типы хранилищ используются для хранения данных и программ, когда они нужны нечасто или, возможно, только при установке приложения.

Поэтому наши компьютеры используют комбинацию типов хранилищ. У нас есть онлайн-хранилище с гигабайтами оперативной памяти для хранения программ и данных, пока они обрабатываются процессором. У нас есть устройства HDD или SSD, которые предоставляют терабайты места на жестком диске для долгосрочного хранения данных, к которым можно получить доступ в любой момент. На рис. 1 показано, как все это работает вместе.

Рис. 1. Комбинация различных типов хранилищ позволяет сбалансировать скорость, емкость и стоимость.

Ближайшие к ЦП данные хранятся в кэш-памяти, которая является самой быстрой оперативной памятью в системе. Это также самая дорогая память. Основное хранилище также является ОЗУ, но не таким быстрым и дорогостоящим, как кеш. Когда процессору нужны данные — будь то программный код или данные, используемые программой, — они по возможности предоставляются кэшем. Если данные еще не находятся в кэше, модуль управления памятью ЦП находит их в ОЗУ. Он перемещает их в кеш, из которого их можно передать ЦП в виде инструкций или данных.

Программный код и данные, используемые программами, хранятся в онлайн-хранилище, например на жестком диске (HDD) или твердотельном накопителе (SDD), до тех пор, пока они не потребуются. Затем они загружаются в ОЗУ, чтобы ЦП мог получить к ним доступ.

Архивное хранилище в основном используется для долгосрочных целей, таких как резервное копирование и другое обслуживание данных. Носителем данных обычно являются ленты большой емкости, которые относительно недороги, но при этом являются самыми медленными для доступа к данным, хранящимся на них. Однако для архивного хранения можно также использовать флэш-накопители USB и внешние накопители. Резервные копии и архивные данные, как правило, хранятся за пределами офиса в безопасных, географически разделенных хранилищах, поэтому их извлечение при необходимости занимает много времени.

Данные из архивного и автономного хранилища можно копировать на онлайн-хранилище или непосредственно в основное хранилище. Отличным примером последнего являются флеш-накопители Fedora live USB. Система загружается непосредственно на эти флэш-накопители, поскольку они монтируются и используются точно так же, как и традиционные хранилища на жестких дисках.

Конвергенция

Картина хранения данных, которую я описал до сих пор, менялась с начала компьютерной эры. Новые устройства постоянно разрабатываются, и многие из тех, что можно найти в исторических хронологиях Музея истории компьютеров, отошли на второй план. Вы когда-нибудь слышали о пузырьковой памяти?

По мере развития устройств хранения меняется и способ их использования. Мы видим зачатки нового подхода к хранению данных, которым руководят телефоны, часы, планшеты и одноплатные компьютеры (SBC), такие как Arduino и Raspberry Pi. Ни одно из этих устройств не использует жесткие диски для хранения. Они используют как минимум две формы ОЗУ: одну, например карту micro-SD, для онлайн-хранилища, а другую — более быструю ОЗУ для основной памяти.

Я полностью ожидаю, что стоимость и скорость этих двух типов ОЗУ сойдутся, так что все хранилища ОЗУ будут одинаковыми: быстрыми, недорогими и энергонезависимыми. Твердотельные устройства хранения данных с такими характеристиками в конечном итоге заменят текущую реализацию раздельного основного и дополнительного хранилища.

[ Хотите проверить свои навыки системного администратора? Пройдите оценку навыков сегодня. ]

Наследие более ранних разработок, таких как разностная машина Бэббиджа и перфокартные системы мейнфреймов 1970-х годов, оказывают значительное влияние на современные компьютерные системы. В своей первой статье из этой исторической серии «История компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов» я обсудил несколько предшественников современного компьютера и перечислил характеристики, определяющие то, что мы сегодня называем компьютером.

В этой статье я расскажу о центральном процессоре (ЦП), включая его компоненты и функциональные возможности. Многие темы относятся к первой статье, поэтому обязательно прочитайте ее, если вы еще этого не сделали.

Центральный процессор (ЦП)

ЦП современных компьютеров — это воплощение «мельницы» в разностной машине Бэббиджа. Термин центральный процессор возник еще в далекие компьютерные времена, когда в одном массивном корпусе содержалась схема, необходимая для интерпретации программных инструкций машинного уровня и выполнения операций с предоставленными данными. Центральный процессор также завершил всю обработку всех подключенных периферийных устройств. Периферийные устройства включали принтеры, устройства чтения карт и ранние устройства хранения, такие как барабаны и дисководы. Современные периферийные устройства сами обладают значительной вычислительной мощностью и разгружают некоторые задачи обработки с ЦП. Это освобождает ЦП от задач ввода-вывода, так что его мощность применяется к основной задаче под рукой.

Ранние компьютеры имели только один ЦП и могли выполнять только одну задачу за раз.

Сегодня мы сохраняем термин ЦП, но теперь он относится к процессорному пакету на типичной материнской плате. На рис. 1 показан стандартный пакет процессоров Intel.

Рис. 1. Процессор Intel Core i5 (Джуд МакКрени, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Здесь действительно не на что смотреть, кроме самого пакета процессора. Пакет процессора представляет собой микросхему, содержащую процессор(ы), запечатанную внутри металлического контейнера и установленную на небольшой печатной плате (ПК). Пакет просто вставляется в гнездо ЦП на материнской плате и фиксируется с помощью фиксирующего рычага. Процессорный кулер крепится к корпусу процессора. Существует несколько различных физических разъемов с определенным количеством контактов, поэтому, если вы собираете свои собственные компьютеры, очень важно подобрать правильный корпус, подходящий для разъема материнской платы.

Как работает процессор

Давайте рассмотрим ЦП более подробно. На рис. 2 представлена концептуальная схема гипотетического ЦП, позволяющая упростить визуализацию компонентов. ОЗУ и системные часы заштрихованы, поскольку они не являются частью ЦП и показаны только для ясности. Кроме того, никакие связи между тактовым генератором ЦП и блоком управления и компонентами ЦП не используются. Достаточно сказать, что сигналы от тактового генератора и блока управления являются неотъемлемой частью любого другого компонента.

Рисунок 2. Упрощенная концептуальная схема типичного процессора.

Этот дизайн не выглядит особенно простым, но на самом деле все еще сложнее. Этой цифры достаточно для наших целей, но она не слишком сложная.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические функции, за которые отвечает компьютер. A и B регистры содержат входные данные, а накопитель получает результат операции. Регистр инструкций содержит инструкцию, которую должен выполнить АЛУ.

Например, при добавлении двух чисел одно число помещается в регистр A, а другое — в регистр B. АЛУ выполняет сложение и помещает результат в аккумулятор. Если операция логическая, сравниваемые данные помещаются в регистры ввода. Результат сравнения, 1 или 0, помещается в аккумулятор. Независимо от того, является ли это логической или арифметической операцией, содержимое накопителя затем помещается в ячейку кэша, зарезервированную программой для результата.

Существует еще один тип операций, выполняемых ALU. Результатом является адрес в памяти, который используется для вычисления нового местоположения в памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат помещается в регистр указателя команд.

Регистр инструкций и указатель

Указатель инструкции указывает место в памяти, содержащее следующую инструкцию, которую должен выполнить ЦП.Когда ЦП завершает выполнение текущей инструкции, следующая инструкция загружается в регистр инструкций из ячейки памяти, на которую указывает указатель инструкции.

После загрузки инструкции в регистр инструкций указатель регистра инструкций увеличивается на один адрес инструкции. Увеличение позволяет ему быть готовым к перемещению следующей инструкции в регистр инструкций.

Кэш

ЦП никогда не обращается напрямую к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кеша. Способность ЦП выполнять вычисления намного быстрее, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП. Причины этого выходят за рамки этой статьи, но я расскажу об этом подробнее в следующей статье.

Кэш-память быстрее системной ОЗУ и ближе к ЦП, поскольку находится на кристалле процессора. Кэш обеспечивает хранение данных и инструкции, чтобы ЦП не ждал, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору нужны данные (а инструкции программы также считаются данными), кэш определяет, имеются ли уже данные, и предоставляет их центральному процессору.

Если запрошенных данных нет в кеше, они извлекаются из ОЗУ и с помощью алгоритмов прогнозирования перемещают больше данных из ОЗУ в кеш. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные потребуются из оперативной памяти. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Храня некоторые данные ближе к ЦП в кеше, который быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и не тратить циклы на ожидание данных.

Наш простой ЦП имеет три уровня кэша. Уровни 2 и 3 предназначены для прогнозирования того, какие данные и программные инструкции потребуются в следующий раз, для перемещения этих данных из ОЗУ и перемещения их как можно ближе к ЦП, чтобы они были готовы, когда это необходимо. Эти размеры кэша обычно варьируются от 1 МБ до 32 МБ в зависимости от скорости и предполагаемого использования процессора.

Кэш уровня 1 расположен ближе всего к центральному процессору. В нашем процессоре есть два типа кеша L1. L1i — это кэш инструкций, а L1d — кэш данных. Размер кэша уровня 1 обычно составляет от 64 КБ до 512 КБ.

Блок управления памятью

Блок управления памятью (MMU) управляет потоком данных между основной памятью (ОЗУ) и ЦП. Он также обеспечивает защиту памяти, необходимую в многозадачных средах, и преобразование адресов виртуальной памяти в физические адреса.

Часы процессора и блок управления

Все компоненты ЦП должны быть синхронизированы для бесперебойной совместной работы. блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые распространяются на ЦП.< /p>
Оперативная память (ОЗУ)

Хотя ОЗУ или основное хранилище показаны на этой и следующей диаграммах, на самом деле они не являются частью ЦП. Его функция заключается в хранении программ и данных, чтобы они были готовы к использованию, когда они потребуются процессору.

Как это работает

ЦП работают по циклу, который управляется блоком управления и синхронизируется с часами ЦП. Этот цикл называется циклом инструкций ЦП и состоит из ряда компонентов выборки/декодирования/выполнения. Инструкция, которая может содержать статические данные или указатели на переменные данные, извлекается и помещается в регистр инструкций. Команда декодируется, и любые данные помещаются в регистры данных A и B. Инструкция выполняется с использованием регистров A и B, а результат помещается в аккумулятор. Затем ЦП увеличивает значение указателя инструкции на длину предыдущего и начинает заново.

Базовый цикл инструкций ЦП выглядит следующим образом.

Рисунок 3. Базовый цикл инструкций ЦП.

Потребность в скорости

Хотя базовый ЦП работает хорошо, ЦП, работающие в этом простом цикле, можно использовать еще эффективнее. Существует несколько стратегий повышения производительности ЦП, и здесь мы рассмотрим две из них.

Ускорение цикла инструкций

Одной из проблем, с которой столкнулись первые разработчики ЦП, была трата времени на различные компоненты ЦП. Одной из первых стратегий повышения производительности ЦП было перекрытие частей цикла инструкций ЦП для более полного использования различных частей ЦП.

Например, когда текущая инструкция декодирована, следующая извлекается и помещается в регистр инструкций. Как только это произошло, указатель инструкции обновляется адресом памяти следующей инструкции. Использование перекрывающихся циклов команд показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Цикл инструкций ЦП с перекрытием.

Этот дизайн выглядит красиво и плавно, но такие факторы, как ожидание ввода-вывода, могут нарушить поток. Отсутствие правильных данных или инструкций в кэше требует, чтобы MMU находил правильные данные и перемещал их в ЦП, а это может занять некоторое время. Для выполнения некоторых инструкций также требуется больше циклов ЦП, чем для других, что мешает плавному перекрытию.

Тем не менее, это мощная стратегия повышения производительности ЦП.

Гиперпоточность

Еще одна стратегия повышения производительности ЦП — гиперпоточность. Гиперпоточность заставляет одно ядро процессора работать как два процессора, предоставляя два потока данных и инструкций. Добавление второго указателя инструкций и регистра инструкций к нашему гипотетическому ЦП, как показано на рис. 5, заставляет его функционировать как два ЦП, выполняя два отдельных потока инструкций в течение каждого командного цикла. Кроме того, когда один поток выполнения останавливается в ожидании данных (опять же, инструкции также являются данными), второй поток выполнения продолжает обработку. Каждое ядро, реализующее гиперпоточность, эквивалентно двум ЦП по способности обрабатывать инструкции.

Рис. 5. Концептуальная схема ЦП с технологией Hyper-Threading.

Помните, что это очень упрощенная схема и объяснение нашего гипотетического процессора. Реальность гораздо сложнее.

Дополнительная терминология

Я столкнулся с множеством различных терминов ЦП. Чтобы более точно определить терминологию, давайте рассмотрим сам ЦП с помощью команды lscpu.

Процессор Intel, показанный выше, представляет собой корпус, который подключается к одному разъему на материнской плате. Пакет процессора содержит шесть ядер. Каждое ядро поддерживает гиперпоточность, поэтому каждое из них может одновременно запускать два потока, что в сумме дает 12 ЦП.
- Ядро. Ядро — это наименьшая единица физического оборудования, способная выполнять задачу обработки. Он содержит одно АЛУ и один или два набора вспомогательных регистров. Второй набор регистров и поддерживающих схем обеспечивает гиперпоточность. Одно или несколько ядер можно объединить в один физический пакет.
- ЦП. Логический аппаратный блок, способный обрабатывать один поток выполнения. Современное использование термина центральный процессор относится к общему количеству потоков, которые процессорный пакет может выполнять одновременно. Одноядерный процессор, не поддерживающий гиперпоточность, эквивалентен одному процессору. В этом случае ЦП и ядро являются синонимами. Процессор Hyper-Threading с одним ядром является функциональным эквивалентом двух процессоров. Процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading с восемью ядрами функционально эквивалентен 16 процессорам.
- Пакет – физический компонент, содержащий одно или несколько ядер, как показано на рис. 1 выше.
- Процессор. 1) Устройство, которое обрабатывает инструкции программы для обработки данных. 2) Часто используется как синоним пакета.
- Сокет. Иногда используется как синоним пакета, но более точно относится к физическому сокету на материнской плате, в который вставляется корпус процессора.
Термины сокет, процессор и пакет часто используются взаимозаменяемо, что может вызвать некоторую путаницу. Как видно из приведенных выше результатов команды lscpu, Intel предоставляет нам собственную терминологию, и я считаю ее авторитетным источником. На самом деле мы все используем эти термины по-разному, но если мы понимаем друг друга в любой момент времени, это действительно важно.

Обратите внимание, что указанный выше процессор имеет два кэша уровня 1 по 512 КиБ каждый: один для инструкций (L1i) и один для данных (L1d). Кэш уровня 1 находится ближе всего к ЦП, и он ускоряет работу, разделяя инструкции и данные на этом этапе. Кэши уровня 2 и уровня 3 больше, но инструкции и данные сосуществуют в каждом из них.

Что все это значит?

Хороший вопрос. На заре мейнфреймов каждый компьютер имел только один ЦП и не мог одновременно запускать более одной программы. Мейнфрейм может выполнять расчет заработной платы, затем учет запасов, затем выставление счетов клиентам и т. д., но одновременно может выполняться только одно приложение. Каждая программа должна была завершиться, прежде чем системный оператор мог запустить следующую.

В некоторых ранних попытках одновременного запуска нескольких программ применялся простой подход, направленный на более эффективное использование одного процессора.Например, программа1 и программа2 были загружены, а программа1 выполнялась до тех пор, пока не была заблокирована в ожидании ввода-вывода. В этот момент программа2 работала до тех пор, пока не была заблокирована. Такой подход назывался многопроцессорной обработкой и позволял полностью использовать ценное компьютерное время.

Все ранние попытки многозадачности включали очень быстрое переключение контекста выполнения одного ЦП между потоками выполнения нескольких задач. Эта практика не является настоящей многозадачностью, как мы ее понимаем, потому что в действительности одновременно обрабатывается только один поток выполнения. Правильнее будет назвать это разделением времени.

Все современные компьютеры, от смарт-часов и планшетов до суперкомпьютеров, поддерживают настоящую многозадачность с несколькими процессорами. Наличие нескольких процессоров позволяет компьютерам выполнять множество задач одновременно. Каждый ЦП выполняет свои функции одновременно со всеми остальными ЦП. Восьмиъядерный процессор с технологией Hyper-Threading (т. е. 16 ЦП) может одновременно выполнять 16 задач.

Заключительные мысли

Мы рассмотрели концептуальный и упрощенный ЦП, чтобы немного узнать о структурах. В этой статье я лишь поверхностно коснулся функциональности процессора. Вы можете узнать больше, воспользовавшись встроенными ссылками на изученные нами темы.

Помните, что схемы и описания в этой статье носят чисто концептуальный характер и не представляют реальный ЦП.

В следующей части этой серии статей я рассмотрю оперативную память и дисковые накопители как разные типы хранилищ и поясню, почему каждый из них необходим современным компьютерам.

Читайте также: