Учебное пособие для студентов педагогичес ких вузов. М. Карпов Е. В., 2016. 152 с
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
Глава 4. Память ЭВМ. Физические принципы записи и хранения информации § 12. Память ЭВМ Память ЭВМ – это функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. Термин «память» используют, если хотят подчеркнуть логическую функцию, выполняемую устройством памяти, или место расположения в составе оборудования ЭВМ (оперативная память, внешняя память и т.д.). Внешняя память – это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого внешней памя- ти (ВЗУ) не зависит от того, включен или выключен компьютер. Запоминающее устройство (ЗУ) – это комплекс технических средств, реализующих функцию памяти. Термин запоминающее устройство обычно употребляют, если речь идет о физических принципах записи информации (полупроводниковые ЗУ, ЗУ на магнитных дисках и т.д.). Запись информации может быть ре- ализована в средах с различными физическими свойствами: сверхпро- водниках, магнетиках и т.п. Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значи- тельной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. В данной ЭВМ одновременно используются несколько типов ЗУ, отлича- ющихся принципами действия, характеристиками и назначением. В состав внешней памяти входят: 1) накопители на жестких маг- нитных дисках; 2) накопители на гибких магнитных дисках; 3) накопи- тели на магнитооптических компакт-дисках; 4) накопители на оптиче- ских дисках (CD-ROM); 5) накопители на магнитной ленте и др. Дисковод (накопитель) – устройство записи/считывания информа- ции. Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носи- тель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды. По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса: 89 – устройства прямого (произвольного) доступа – время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе; – устройство последовательного доступа – такая зависимость суще- ствует. Для реализации функций памяти используется запоминающая сре- да, т.е. физический материал, в котором данные информации могут быть представлены в виде физических изменений состояния среды. Таким об- разом, среда должна иметь, по крайней мере, два устойчивых состояния. Запоминающий элемент хранит наименьшую единицу информации. 12.1. Функции памяти Рис. 18. Функции памяти Запись информации – перевод среды под действием сигнала в не- которое устойчивое состояние; Хранение информации – способность среды сохранять устойчивое состояние сколь угодно долго; Считывание информации – оценка физических параметров среды в данной ячейке (данного устойчивого состояния). После считывания старая информация должна сохраняться в той же ячейке ЗУ и при необходимости может быть вновь считана. При исполь- зовании некоторых физических сред считывание приводит к разруше- нию хранящейся в ячейке информации. В этом случае после каждого считывания необходимо производить запись той же информации в ту же ячейку, т.е. необходимо предусмотреть перезапись информации (восста- новление информации). Функции памяти Запись информации Хранение информации Считывание информации 90 12.2. Характеристики запоминающих устройств Рис. 19. Характеристики запоминающих устройств Информационная емкость ЗУ (или удельная информационная ем- кость) – максимальное количество данных, которые могут в ней хра- ниться. Быстродействие ЗУ – определяется продолжительностью опера- ции обращения информации ение восстановл считывания поиска счит обр записи стирания поиска зап обр обр t t t t t t t t 2 1 t Информационная емкость и быстродействие тесно связаны между собой: с ростом емкости падает быстродействие. Поэтому в ЭВМ одно- временно используется несколько ЗУ с различными характеристиками: сверхоперативные (СОЗУ) с малой емкостью, но с быстродей- ствием, сравнимым с быстродействием запоминающего эле- мента; оперативные (ОЗУ), всю память можно просмотреть за 1 с и т.д. 12.3 . Запоминающие среды По типу физической среды, используемой для хранения информа- ции, различают следующие виды ЗУ: Характеристики ЗУ Информационная емкость Быстродействие Физический объем Потребляемая мощность Надежность хранения информации 91 1) механические среды, в которых для фиксации информации при- меняется механическое изменение целостности носителя информации (перфокарты, перфоленты); 2) магнитные среды (магнетики), в которых элементами памяти яв- ляются ферритовые кольца, ферритовые пластины, тонкие магнитные пленки; 3) сверхпроводящие среды (криогенные), использующие свойство материалов находиться в двух устойчивых состояниях: сверхпроводя- щем и нормальном; 4) оптические среды, использующие в качестве элементов памяти прозрачные и непрозрачные участки фотоматериалов; хранение инфор- мации может осуществляться в оптических системах, построенных с ис- пользованием принципов голографии; 5) электронные среды: элементами памяти являются заряженные или незаряженные участки на экране электронно-лучевой трубки, мат- рицы триггеров на биполярных и униполярных транзисторах. Область поиска новых принципов построения элементов памяти, является весьма обширной и связывает вычислительную технику с кван- товой механикой, разрабатываются элементы памяти на молекулярном и атомном уровнях. Ниже приведена классификация устройств хранения данных. Заме- тим, что эта классификация неполная, она детализирована в части энер- гонезависимых устройств, которые будут рассмотрены далее более по- дробно. 92 Рис. 20. Классификация устройств хранения данных 93 12.4. Перфокарты и перфоленты Перфорационные карты, как уже было сказано выше, являлись основным устройством памяти в первых поколениях ЭВМ. Их внешний вид со времен Германа Холлерита (см. главу 1) практически не изменил- ся. Современная перфокарта очень похожа на ту, которая была введена фирмой IBM еще в 1928 г. (рис. 21). Для удобства при складывании в колоду и однозначного расположения относительно других карт их пра- вый верхний угол немного срезан. Цифры, буквы и другие символы перфорируются на карте в 80 вертикальных колонок в соответствии с кодом, предложенным Холлеритом. Цифра кодируется одним отверсти- ем в одной из горизонтальных нижних строк, буква − двумя отверстия- ми: одно расположено в так называемой числовой строке, другое − в од- ной из трех строк в верхней части карты; другие символы кодируются двумя и более отверстиями. Рис. 21. Перфокарта (слева), считывание информации с перфокарты электромеханическим (справа вверху) и оптическим (справа внизу) спо- собами. Считывание информации с перфокарт (и с перфолент) может быть произведено одним из двух самых распространенных способов: элек- тромеханическим или оптическим. При электромеханическом считыва- нии перфокарта зажимается между металлическим роликом и рядом из 80 маленьких металлических щеточек − по одной щеточке на каждую колонку карты. Попадая в отверстие, щеточка соприкасается с роликом, электрическая цепь замыкается и посылает сигнал компьютеру (преоб- разует пробитую на картах информацию в электрические импульсы). 94 При оптическом считывании фотоэлектрические элементы регистриру- ют световые лучи, проходящие через отверстия в карте (реализуется принцип оптических ворот). § 13. Запись информации на магнитных носителях Начало в развитии магнитной памяти положил датский инженер В. Поулсен (Копенгагенская телефонная компания) в 1898 г. Он проде- монстрировал прибор, с помощью которого можно было записывать речь. В качестве носителя информации использовалась стальная струна. Принцип записи использовался следующий: человек перемещался вдоль струны, говоря в микрофон, присоединенный к электромагнитной ка- тушке. Последняя перемещалась по струне с помощью тележки. Затем микрофон был заменен динамиком. Тележка приводилась в движение, и можно было услышать речь, записанную на струне. Рис. 22. Схема опыта В. Поулсена Именно этот принцип используется для записи информации и те- перь, с той лишь разницей, что вместо струны используется тонкая маг- нитная лента или слой ферромагнитного вещества. В запоминающих устройствах используются ферромагнитные мате- риалы и ферриты. 95 Ферритовые запоминающие устройства используются в большин- стве современных ЭВМ, преимущественно в качестве оперативной па- мяти с обращением по произвольному адресу. Количество хранимой информации достигает в ферритовых запоминающих устройствах десят- ков млн. бит, время выборки – от десятых долей до нескольких микросе- кунд. В ферритовых запоминающих устройствах сочетаются высокое быстродействие, малые габариты, высокая надёжность, технологичность изготовления, экономичность. Информационные свойства магнетиков связаны с явлением гисте- резиса. Явление магнитного гистерезиса – это явление отставания намаг- ниченности ферромагнитного образца от величины внешнего магнитно- го поля. Замкнутую кривую, описывающую цикл перемагничивания об- разца, называют петлей гистерезиса. Площадь петли п S соответствует энергии перемагничивания образ- ца. В ЗУ используются вещества с прямоугольной петлей гистерезиса. На рисунке изображен график B=f(H) – петля магнитного гистере- зиса: В – магнитная индукция; В r – остаточная магнитная индукция; Н – напряженность магнитного поля; B m – максимальная магнитная индук- ция (насыщения); Н m – напряженность перемагничивающего поля, соот- ветствующая B m ; Н c – коэрцитивная сила. Материал хранит два устойчивых состояния: «1» (+B r ) или «0» (– B r ). Рис. 23. Петля гистерезиса 96 13.1. Запись информации на магнитной пленке Существует два способа записи информации на магнитные носите- ли: продольный и поперечный. Наиболее часто используется первый из них. Заключается он в следующем: над магнитной средой, нанесенный на диэлектрический материал, располагается магнитная головка с зазо- ром и намотанной на нее катушкой (рис. 24). При протекании тока по катушке в зазоре сердечника магнитной головки создается магнитное поле, силовые линии которого выходят за пределы зазора и пронизыва- ют слой ферромагнетика. Вследствие этого происходит его намагничи- вание, и образование областей с различным направлением вектора маг- нитной индукции (все они лежат в плоскости слоя). Одно из этих направлений принимают за «1», другое – за «0». Происходит запись цифровой информации. Если же через катушку пропустить переменный ток от микрофона, то можно записать голос человека, музыку и т.д. (аналоговая информация). Рис. 24. Продольный способ записи информации Поперечный способ записи информации осуществляется несколько иначе. Принципиальным его отличием является наличие двух магнит- ных головок, расположенных так, как показано на рисунке 25 ниже. Ес- ли по обмотке большого вспомогательного полюса протекает ток, в стержне устанавливается магнитный поток, происходит намагничивание в плоскости перпендикулярной плоскости слоя ферромагнетика. У этого способа есть ряд преимуществ, главным из которых большая плотность записи информации, так как области не прилегают друг к другу, полюс к полюсу. 97 Рис. 25. Поперечный способ записи информации 13.2. Запись информации на ферритовых кольцах и магнитной матрице Память на магнитных кольцах была основным типом с середины 1950-х и до середины 1970-х годов. Память на магнитных кольцах или ферритовая память осуществляет хранение информации на ферритовых кольцах, которые обычно размещены в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходят провода для считывания и записи информации. Применение ферритовых колец (ФК) в качестве запоминающих элементов памяти обусловлено их свойством после намагничивания со- хранять одно из двух возможных устойчивых магнитных состояний, со- ответствующих значениям остаточной магнитной индукции (+B r или – B r ). Это позволяет им хранить информацию, представленную в двоич- ном коде. Если по проводу, пронизывающему кольцевой ферритовый сердечник (рис. 26), пропускать импульсы тока, достаточные для созда- ния магнитного поля Н т > H c (H c – коэрцитивная сила), то можно управ- лять магнитным состоянием ФК. Под действием перемагничивающего поля +Н т ФК после снятия поля оказывается в состоянии +B r , эту опера- цию принято называть «записью 1». Для «записи 0» подают импульс то- ка противоположного направления, создающий поле –Н т , после воздей- ствия которого ФК оказывается в состоянии –B r . Сигнал, возникающий в 98 проводе считывания ФК при изменении значения его магнитной индук- ции от +B r до –B r , называется сигналом «считывания 1»; при «считыва- нии 0» магнитная индукция в ФК меняется незначительно и считанный сигнал оказывается значительно меньше сигнала «считывания 1». Рис. 26. Ферритовое кольцо Для записи больших массивов информации используются феррито- вые матрицы − это запоминающие устройства с плоской выборкой ин- формации (см. рис.). Чтобы намагнитить избранное кольцо до насыщения, необходимо пропустить критический ток ( крит I ). Если пропускаем ток в обратном направлении, то кольца перемагничиваются – меняется направление магнитного поля. Если пропустить ток по шинам X и Y, причем y крит x крит крит I I I 2 1 2 1 , то воздействие произойдет только на одну избранную ячейку, и она намагнитится до насыщения в определенном направлении. Для считы- вания пропускаем ток в обратном направлении. Процесс считывания сопровождается «стиранием» хранившейся информации, так как при этом ФК всегда переводится в состояние –В т , т.е. записывается 0. Схема предусматривает восстановление информа- ции. Возможна схема с использованием четырех проводников, которая работает по принципу совпадения токов. 99 Рис. 27 X, Y — провода возбуждения, S — считывания, Z — запрета Матрица памяти на магнитных сердечниках Направление намагниченности одного ферритового кольца позво- ляет хранить один бит информации. Через кольцо проходят четыре про- вода: два провода возбуждения X и Y и провод запрета Z под углом 45° (к плоскости ферритового кольца); и провод считывания S под углом 90°. Для считывания значения бита, на провода возбуждения подается импульс тока таким образом, что сумма токов через отверстие сердечни- ка приводит к тому, что намагниченность кольца принимает определен- ное направление независимо от того, какое направление она имела до этого. Значение бита можно определить, измерив ток на проводе считыва- ния. Если намагниченность сердечника изменилась, то в проводе считы- вания возникает индукционный ток. Процесс считывания разрушает со- храненную информацию, следовательно, после считывания бита, его необходимо повторно записать. Для записи, на провода возбуждения подается импульс тока в об- ратном направлении, и намагниченность сердечника меняет направле- ние (относительно того, которое она имеет после считывания). Однако если при этом в другом направлении подается ток на провод запрета, то суммы токов через кольцо недостаточно, чтобы изменить намагничен- ность сердечника, и она остается такой же, как после считывания. Матрица памяти состоит из N² кольцеобразных сердечников нани- занных на пересечения перпендикулярных проводов возбуждения. Через все сердечники проплетается один провод считывания и один провод за- 100 прета. Таким образом, матрица позволяет считывать или записывать би- ты только последовательно. Отметим и еще одну интересную особенность и преимущество памяти на ферритовых кольцах по сравнению с полупроводниковыми или электронными. Они могут быть использованы в критически важных устройствах (например, в военных и космических системах − в частно- сти, ее использовали в компьютерах зенитно-ракетных комплексов C- 300 и бортовых компьютерах Шаттлов до 1991 года), которые должны сохранять работоспособность в условиях аномально высоких электро- магнитных полей, например, возникающих при ядерных взрывах. Си- стемы памяти нужного объема на классических ферритовых кольцах имеют массу в несколько сотен килограммов. 13 .3. Нанокольца и наностержни для магнитной записи Термин «нанокольцо» появился в 2000 году. К настоящему време- ни получены нанокольца диаметром от нескольких нанометров до не- скольких микрометров из металлов, полупроводников и диэлектриков. Перспективы использования этих структур еще не совсем ясны, но од- ним из применений может быть создание элементов памяти нового типа (MRAM – Magnetic Random Access Memory). Физический принцип со- здания этой памяти следующий. В одном из университетов США были получены магнитные нано- кольца из металлического кобальта. Магнитный поток в них направлен по окружности, сохраняется при температуре выше комнатной и может иметь два состояния: по часовой стрелке и против. Но их самым инте- ресным свойством является то, что в такой структуре магнитный поток является замкнутым, т.е. все магнитное поле заключено внутри кольца, а магнитное поле снаружи равняется нулю. Это важно, так как эти кольца, расположенные рядом, не влияют друг на друга. Кроме того, они устой- чивы к помехам и наводкам извне. 101 Рис. 28. Наноразмерные кольца Система, которую предлагается создать из наноколец, напоминает матрицу из ферритовых колец, но они имеют диаметр менее 1 мм, а мас- са их будет составлять несколько граммов без ущерба емкости и функ- циональных характеристик (см. конец п. 17.2). Нанотехнологии обладают огромным потенциалом для решения проблемы миниатюризации устройств хранения памяти, что чрезвычай- но важно, так как возможности полупроводниковых технологий почти достигли своего предела. |