Cum funcționează memoria calculatorului

Când te gândești la asta, este uimitor câte tipuri diferite de memorie electronică întâlnești în viața de zi cu zi. Multe dintre ele au devenit o parte integrantă a vocabularului nostru:

• RAM
• ROM
• Cache
• RAM dinamică
• RAM statică
• Memoria flash
• Memorie Sticks
• Memorie virtuală
• Memorie video
• BIOS

Știți deja că computerul din fața dumneavoastră are memorie. Ceea ce s-ar putea să nu știți este că majoritatea obiectelor electronice pe care le folosiți în fiecare zi au, de asemenea, o anumită formă de memorie. Iată doar câteva exemple din numeroasele elemente care folosesc memoria:

• Telefoane mobile
• PDA-uri
• Console de jocuri
• Radiouri auto
• Videocasetofoane
• Televizoare

Care dintre aceste dispozitive utilizează diferite tipuri de memorie în moduri diferite!

În această ediție a emisiunii HowStuffWorks, veți afla de ce există atât de multe tipuri diferite de memorie și ce înseamnă toți termenii.

• Cum funcționează memoria calculatorului
• Cum funcționează BIOS-ul
• Cum funcționează memoria cache
• Cum funcționează memoria flash
• Cum funcționează memoria RAM
• Cum funcționează memoria detașabilă Storage Works
• How ROM Works
• How Virtual Memory Works

Bazele memoriei
Deși memoria este, din punct de vedere tehnic, orice formă de stocare electronică, ea este utilizată cel mai adesea pentru a identifica formele rapide și temporare de stocare. Dacă unitatea centrală de procesare a computerului dumneavoastră ar trebui să acceseze în mod constant hard disk-ul pentru a prelua fiecare bucată de date de care are nevoie, acesta ar funcționa foarte încet. Atunci când informațiile sunt păstrate în memorie, CPU le poate accesa mult mai rapid. Majoritatea formelor de memorie sunt destinate stocării temporare a datelor.

După cum puteți vedea în diagrama de mai sus, unitatea centrală de procesare accesează memoria în conformitate cu o ierarhie distinctă. Fie că provin din stocarea permanentă (hard disk-ul) sau din intrare (tastatura), majoritatea datelor ajung mai întâi în memoria cu acces aleatoriu (RAM). Apoi, CPU stochează bucăți de date pe care va trebui să le acceseze, adesea într-o memorie cache, și menține anumite instrucțiuni speciale în registru. Vom vorbi mai târziu despre cache și registre.

Toate componentele calculatorului dumneavoastră, cum ar fi CPU, hard disk-ul și sistemul de operare, lucrează împreună ca o echipă, iar memoria este una dintre cele mai esențiale părți ale acestei echipe. Din momentul în care porniți computerul și până în momentul în care îl închideți, unitatea centrală de procesare utilizează în mod constant memoria. Să aruncăm o privire la un scenariu tipic:

• Porniți calculatorul.
• Computerul încarcă datele din memoria numai pentru citire (ROM) și efectuează un autotest de pornire (POST) pentru a se asigura că toate componentele majore funcționează corect. Ca parte a acestui test, controlerul de memorie verifică toate adresele de memorie cu o operațiune rapidă de citire/scriere pentru a se asigura că nu există erori în cipurile de memorie. Citire/scriere înseamnă că datele sunt scrise pe un bit și apoi citite de pe acel bit.
• Computerul încarcă sistemul de bază de intrare/ieșire (BIOS) din ROM. BIOS-ul furnizează cele mai elementare informații despre dispozitivele de stocare, secvența de pornire, securitatea, capacitatea Plug and Play (recunoașterea automată a dispozitivelor) și alte câteva elemente.
• Computerul încarcă sistemul de operare (OS) de pe hard disk în memoria RAM a sistemului. În general, părțile critice ale sistemului de operare sunt menținute în RAM atâta timp cât calculatorul este pornit. Acest lucru permite procesorului să aibă acces imediat la sistemul de operare, ceea ce îmbunătățește performanța și funcționalitatea sistemului în ansamblu.
• Când deschideți o aplicație, aceasta este încărcată în RAM. Pentru a economisi utilizarea RAM, multe aplicații încarcă inițial doar părțile esențiale ale programului și apoi încarcă alte părți în funcție de necesități.
• După ce o aplicație este încărcată, toate fișierele care sunt deschise pentru a fi utilizate în acea aplicație sunt încărcate în RAM.
• Când salvați un fișier și închideți aplicația, fișierul este scris pe dispozitivul de stocare specificat, iar apoi acesta și aplicația sunt șterse din RAM.

În lista de mai sus, de fiecare dată când ceva este încărcat sau deschis, acesta este plasat în RAM. Acest lucru înseamnă pur și simplu că a fost plasat în zona de stocare temporară a computerului, astfel încât procesorul să poată accesa mai ușor informația respectivă. Procesorul solicită datele de care are nevoie din RAM, le procesează și scrie date noi înapoi în RAM într-un ciclu continuu. În majoritatea computerelor, această amestecare a datelor între CPU și RAM are loc de milioane de ori pe secundă. Atunci când o aplicație este închisă, aceasta și toate fișierele care o însoțesc sunt de obicei purjate (șterse) din RAM pentru a face loc noilor date. Dacă fișierele modificate nu sunt salvate pe un dispozitiv de stocare permanentă înainte de a fi șterse, acestea se pierd.

Nevoia de viteză
O întrebare obișnuită despre computerele desktop care apare tot timpul este: „De ce are nevoie un computer de atât de multe sisteme de memorie?”. Un calculator tipic are:

• Memorii cache de nivel 1 și de nivel 2
• Memoria RAM normală a sistemului
• Memoria virtuală
• Un hard disk

De ce atât de multe? Răspunsul la această întrebare vă poate învăța multe despre memorie!

Procesoarele rapide și puternice au nevoie de acces rapid și ușor la cantități mari de date pentru a-și maximiza performanța. Dacă procesorul nu poate ajunge la datele de care are nevoie, acesta se oprește literalmente și le așteaptă. Procesoarele moderne care rulează la viteze de aproximativ 1 gigahertz pot consuma cantități masive de date – potențial miliarde de octeți pe secundă. Problema cu care se confruntă proiectanții de computere este că memoria care poate ține pasul cu un CPU de 1 gigahertz este extrem de scumpă – mult mai scumpă decât își poate permite oricine în cantități mari.

Proiectanții de calculatoare au rezolvat problema costurilor prin „etapizarea” memoriei – folosind memorie scumpă în cantități mici și apoi susținând-o cu cantități mai mari de memorie mai puțin costisitoare.

Cea mai ieftină formă de memorie de citire/scriere folosită pe scară largă în prezent este discul dur. Discurile dure oferă cantități mari de stocare permanentă și ieftină. Puteți cumpăra spațiu pe hard disk pentru câțiva cenți pe megabyte, dar citirea unui megabyte de pe un hard disk poate dura o bună bucată de timp (apropiindu-se de o secundă). Deoarece spațiul de stocare de pe un hard disk este atât de ieftin și de abundent, acesta formează ultima etapă a ierarhiei de memorie a unei unități centrale de procesare, numită memorie virtuală.

Următorul nivel al ierarhiei este memoria RAM. Discutăm în detaliu despre RAM în Cum funcționează RAM, dar câteva puncte despre RAM sunt importante aici.

Dimensiunea în biți a unui CPU vă spune câți octeți de informație poate accesa din RAM în același timp. De exemplu, un CPU pe 16 biți poate procesa 2 octeți odată (1 octet = 8 biți, deci 16 biți = 2 octeți), iar un CPU pe 64 de biți poate procesa 8 octeți odată.

Megahertz (MHz) este o măsură a vitezei de procesare a unui CPU, sau a ciclului de ceas, în milioane pe secundă. Așadar, un Pentium III pe 32 de biți la 800 MHz poate procesa potențial 4 octeți simultan, de 800 de milioane de ori pe secundă (posibil și mai mult, pe bază de pipelining)! Scopul sistemului de memorie este de a îndeplini aceste cerințe.

Singura memorie RAM de sistem a unui computer nu este suficient de rapidă pentru a egala viteza procesorului. Acesta este motivul pentru care aveți nevoie de o memorie cache (a se vedea secțiunea următoare). Cu toate acestea, cu cât memoria RAM este mai rapidă, cu atât mai bine. Majoritatea cipurilor de astăzi funcționează cu o rată de ciclu de 50 până la 70 de nanosecunde. Viteza de citire/scriere este, de obicei, o funcție a tipului de RAM utilizat, cum ar fi DRAM, SDRAM, RAMBUS. Vom vorbi despre aceste diferite tipuri de memorie mai târziu.

Viteza RAM de sistem este controlată de lățimea și viteza busului. Lățimea autobuzului se referă la numărul de biți care pot fi trimiși simultan către CPU, iar viteza autobuzului se referă la numărul de ori de câte ori un grup de biți poate fi trimis în fiecare secundă. Un ciclu de bus are loc de fiecare dată când datele călătoresc de la memorie la CPU. De exemplu, un autobuz de 100 MHz pe 32 de biți este teoretic capabil să trimită 4 octeți (32 de biți împărțiți la 8 = 4 octeți) de date către CPU de 100 de milioane de ori pe secundă, în timp ce un autobuz de 66 MHz pe 16 biți poate trimite 2 octeți de date de 66 de milioane de ori pe secundă. Dacă faceți calculele, veți descoperi că simpla schimbare a lățimii autobuzului de la 16 biți la 32 de biți și a vitezei de la 66 MHz la 100 MHz, în exemplul nostru, permite ca de trei ori mai multe date (400 de milioane de octeți față de 132 de milioane de octeți) să treacă către CPU în fiecare secundă.

În realitate, memoria RAM nu funcționează de obicei la o viteză optimă. Latența schimbă ecuația în mod radical. Latența se referă la numărul de cicluri de ceas necesare pentru a citi un bit de informație. De exemplu, o memorie RAM evaluată la 100 MHz este capabilă să trimită un bit în 0,00000001 secunde, dar poate dura 0,00000005 secunde pentru a începe procesul de citire pentru primul bit. Pentru a compensa latența, unitățile centrale de procesare utilizează o tehnică specială numită modul rafală.

Modul rafală depinde de așteptarea ca datele solicitate de CPU să fie stocate în celule de memorie secvențiale. Controlerul de memorie anticipează că orice lucru la care lucrează CPU va continua să provină din aceeași serie de adrese de memorie, așa că citește mai mulți biți consecutivi de date împreună. Acest lucru înseamnă că numai primul bit este supus întregului efect al latenței; citirea biților succesivi durează semnificativ mai puțin timp. Modul rafală nominal al memoriei este exprimat în mod normal sub forma a patru numere separate prin liniuțe. Primul număr indică numărul de cicluri de ceas necesare pentru a începe o operațiune de citire; al doilea, al treilea și al patrulea număr indică câte cicluri sunt necesare pentru a citi fiecare bit consecutiv din rând, cunoscut și sub numele de linie de cuvânt. De exemplu: 5-1-1-1-1-1 vă spune că sunt necesare cinci cicluri pentru a citi primul bit și un ciclu pentru fiecare bit care urmează. Evident, cu cât aceste numere sunt mai mici, cu atât mai bună este performanța memoriei.

Modul burst este adesea utilizat împreună cu pipelining-ul, un alt mijloc de minimizare a efectelor latenței. Pipelining-ul organizează recuperarea datelor într-un fel de proces de linie de asamblare. Controlerul de memorie citește simultan unul sau mai multe cuvinte din memorie, trimite cuvântul sau cuvintele curente către CPU și scrie unul sau mai multe cuvinte în celulele de memorie. Folosite împreună, modul rafală și pipelining pot reduce drastic decalajul cauzat de latență.

Atunci de ce nu ați cumpăra cea mai rapidă și mai largă memorie pe care o puteți obține? Viteza și lățimea magistralei de memorie ar trebui să se potrivească cu magistrala sistemului. Puteți folosi memorie proiectată să funcționeze la 100 MHz într-un sistem de 66-MHz, dar va funcționa la viteza de 66-MHz a magistralei, deci nu există niciun avantaj, iar memoria de 32 de biți nu va încăpea pe o magistrală de 16 biți.

Cache și registre
Chiar și cu un magistrală largă și rapidă, tot durează mai mult ca datele să ajungă de la cardul de memorie la CPU decât durează ca CPU să proceseze efectiv datele. Memoria cache este concepută pentru a atenua acest blocaj prin punerea la dispoziție instantanee a datelor utilizate cel mai des de către CPU. Acest lucru se realizează prin construirea unei cantități mici de memorie, cunoscută sub numele de memorie cache primară sau de nivel 1, chiar în CPU. Memoria cache de nivel 1 este foarte mică, variind în mod normal între 2 kilobiți (KB) și 64 KB.

Ancheta secundară sau de nivel 2 se află de obicei pe o cartelă de memorie amplasată lângă CPU. Memoria cache de nivel 2 are o conexiune directă cu CPU. Un circuit integrat dedicat de pe placa de bază, controlerul L2, reglează utilizarea cache-ului de nivel 2 de către CPU. În funcție de procesor, dimensiunea cache-ului de nivel 2 variază între 256 KB și 2 megabytes (MB). În majoritatea sistemelor, datele de care are nevoie procesorul sunt accesate din memoria cache în aproximativ 95 la sută din timp, ceea ce reduce foarte mult costurile suplimentare necesare atunci când procesorul trebuie să aștepte date din memoria principală.

Câteva sisteme necostisitoare renunță complet la memoria cache de nivel 2. Multe unități centrale de procesare de înaltă performanță au acum memoria cache de nivel 2 încorporată efectiv în cipul CPU în sine. Prin urmare, dimensiunea cache-ului de nivel 2 și dacă acesta este onboard (pe CPU) este un factor determinant major în performanța unui CPU. Pentru mai multe detalii despre memoria cache, consultați How Caching Works (Cum funcționează memoria cache).

Un anumit tip de memorie RAM, memoria statică cu acces aleatoriu (SRAM), este utilizată în principal pentru memoria cache. SRAM utilizează mai mulți tranzistori, de obicei patru până la șase, pentru fiecare celulă de memorie. Ea are o matrice de porți externe cunoscută sub numele de multivibrator bistabil care comută, sau flip-flops, între două stări. Acest lucru înseamnă că nu trebuie să fie reîmprospătată în mod continuu, precum DRAM. Fiecare celulă își va păstra datele atâta timp cât este alimentată. Fără a fi nevoie de o reîmprospătare constantă, SRAM poate funcționa extrem de rapid. Însă complexitatea fiecărei celule o face prohibitiv de scumpă pentru utilizarea ca RAM standard.

SRAM din memoria cache poate fi asincronă sau sincronă. SRAM sincronă este proiectată pentru a se potrivi exact cu viteza procesorului, în timp ce SRAM asincronă nu este. Acest mic moment de sincronizare face o diferență în ceea ce privește performanța. Potrivirea vitezei de ceas a procesorului este un lucru bun, așa că întotdeauna căutați SRAM sincronizată. (Pentru mai multe informații despre diferitele tipuri de memorie RAM, consultați Cum funcționează memoria RAM.)

Etapa finală a memoriei este reprezentată de registre. Acestea sunt celule de memorie încorporate chiar în CPU care conțin date specifice de care are nevoie CPU, în special unitatea aritmetică și logică (ALU). Parte integrantă a CPU-ului însuși, ele sunt controlate direct de compilatorul care trimite informații pentru ca CPU-ul să le proceseze. Consultați Cum funcționează microprocesoarele pentru detalii despre registre.

Tipuri de memorie
Memoria poate fi împărțită în două categorii principale: volatile și nevolatile. Memoria volatilă pierde orice date de îndată ce sistemul este oprit; necesită o alimentare constantă pentru a rămâne viabilă. Majoritatea tipurilor de memorie RAM se încadrează în această categorie.

Memoria nevolatilă nu-și pierde datele atunci când sistemul sau dispozitivul este oprit. O serie de tipuri de memorie se încadrează în această categorie. Cea mai cunoscută este ROM, dar dispozitivele de stocare a memoriei Flash, cum ar fi cardurile CompactFlash sau SmartMedia, sunt, de asemenea, forme de memorie nevolatilă. Consultați linkurile de mai jos pentru informații despre aceste tipuri de memorie.