Як працює оперативна пам'ять і навіщо вона потрібна

1. Вступна
2. Загальна
3. Як же працює оперативна пам'ять?
4. Детальніше
5. Навіщо потрібна ця сама оперативна пам'ять?
6. компонування модулів
7. Температура, лаг, енергозалежність і взагалі "на пальцях"
8. Післямова

Моє шанування, шановні читачі, други, недруги і інші особистості!

Сьогодні хочеться поговорити з Вами про таку важливу і корисною штуці як оперативна пам'ять, в зв'язку з чим опубліковано відразу дві статті, одна з яких розповідає про пам'ять взагалі (тобішь нижче по тексту), а інша розповідає про те як цю саму пам'ять вибрати (Власне, стаття знаходиться прямо під цією, просто опублікована окремо).

Спочатку це був один матеріал, але, щоб не робити чергову многобуквенную сторінку-простирадло, та й просто з міркувань поділу і систематизації статей, було вирішено розбити їх на дві.

Так як процес дроблення був проведений на льоту і майже в останній момент, то можливі деякі огріхи в тексті, яких не варто лякатися, але можна повідомити про оних в коментарях, щоб, власне, їх так само на льоту виправити.

Ну, а зараз, приступаємо.

Вступна

Перед кожним користувачем рано чи пізно (або ніколи) постає питання модернізації свого вірного «залізного коня». Деякі відразу змінюють «голову» - процесор, інші - чаклують над відеокартою, однак, найпростіший і дешевий спосіб - це збільшення обсягу оперативної пам'яті.

Чому найпростіший?

Та тому що не вимагає спеціальних знань технічної частини, установка займає мало часу і не створює ніяких складнощів (і ще він найменш витратний з усіх, які я знаю).

Отже, щоб дізнатися трохи більше про таке просте і водночас ефективного інструмента апгрейда, як оперативна пам'ять (далі ОП), для цього звернемося до рідної теорії.

Загальна

ОЗУ (оперативне запам'ятовуючий пристрій), воно ж RAM ( "Random Access Memory" - пам'ять з довільним доступом), являє собою область тимчасового зберігання даних, за допомогою якої забезпечується функціонування програмного забезпечення. Фізично, оперативна пам'ять в системі являє собою набір мікросхем або модулів (що містять мікросхеми), які зазвичай підключаються до системної плати.

В процесі роботи пам'ять виступає в якості тимчасового буфера (в ній зберігаються дані і запущені програми) між дисковими накопичувачами і процесором, завдяки значно більшій швидкості читання і запису даних.

Примітка.
Зовсім новачки часто плутають оперативну пам'ять з пам'яттю жорсткого диска (ПЗУ - постійне запам'ятовуючий пристрій), чого робити не потрібно, тому що це зовсім різні види пам'яті. Оперативна пам'ять (по типу є динамічною - Dynamic RAM), на відміну від постійної - енергозалежна, тобто для зберігання даних їй необхідна електроенергія, і при її відключенні (виключення комп'ютера) дані видаляються. Приклад незалежній пам'яті ПЗУ - флеш-пам'ять, в якій електрику використовується лише для запису і читання, в той час як для самого зберігання даних джерело живлення не потрібен.

За своєю структурою пам'ять нагадує бджолиний стільник, тобто складається з осередків, кожна з яких призначена для зберігання меду певного обсягу даних, як правило, одного або чотирьох біт. Кожна осередок оной має свій унікальний «домашній» адреса, який ділиться на два компонента - адреса горизонтальної рядка (Row) і вертикального стовпчика (Column).

Осередки представляють собою конденсатори здатні накопичувати електричний заряд. За допомогою спеціальних підсилювачів аналогові сигнали переводяться в цифрові, які в свою чергу утворюють дані.

Для передачі на мікросхему пам'ять адреси рядка служить якийсь сигнал, який зветься RAS (Row Address Strobe), а для адреси стовпця - сигнал CAS (Column Address Strobe).

З цим розібралися, йдемо далі. Торкнемося ще одне важливе питання:

Як же працює оперативна пам'ять?

Робота оперативної пам'яті безпосередньо пов'язана з роботою процесора і зовнішніх пристроїв комп'ютера, так як саме їй останні «довіряють» свою інформацію. Таким чином, дані спершу потрапляють з жорсткого диска (або іншого носія) в саму ОЗУ і вже потім обробляються центральним процесором (дивіться зображення).

Обмін даними між процесором і пам'яттю може відбуватися безпосередньо, але частіше все ж буває за участю кеш-пам'яті.

Кеш-пам'ять є місцем тимчасового зберігання найбільш часто запитуваної інформації і являє собою відносно невеликі ділянки швидкої локальної пам'яті. Її використання дозволяє значно зменшити час доставки інформації в регістри процесора, так як швидкодія зовнішніх носіїв (оперативки і дискової підсистеми) набагато гірше процесорного. Як наслідок, зменшуються, а часто і повністю усуваються, вимушені простої процесора, що підвищує загальну продуктивність системи.

Оперативною пам'яттю управляє контролер, який знаходиться в чіпсеті материнської плати, а точніше в тій його частині, яка називається North Bridge (північний міст) - він забезпечує підключення CPU (процесора) до вузлів, що використовують високопродуктивні шини: ОЗУ, графічний контролер (дивіться зображення) .

Примітка.
Важливо розуміти, що якщо в процесі роботи оперативної пам'яті проводиться запис даних в будь-яку осередок, то її вміст, яке було до надходження нової інформації, буде безповоротно втрачено. Тобто по команді процесора дані записуються в зазначену осередок, одночасно стираючи при цьому те, що там було записано раніше.

Розглянемо ще один важливий аспект роботи оперативки - це її розподіл на декілька розділів за допомогою спеціального програмного забезпечення (ПО), яке підтримується операційними системами.

Зараз Ви зрозумієте, про що це я.

Детальніше

Справа в тому, що сучасні пристрої оперативної пам'яті є досить об'ємними (привіт двохтисячним, коли вистачало і 32 Mб), щоб в ній можна було розміщувати дані від декількох одночасно працюючих завдань. Процесор також може одночасно обробляти кілька задач. Ця обставина сприяло розвитку так званої системи динамічного розподілу пам'яті, коли під кожну оброблювану процесором завдання відводяться динамічні (змінні по своїй величині і розташування) розділи оперативної пам'яті.

Динамічний характер роботи дозволяє розпоряджатися наявною пам'яттю більш економно, своєчасно «вилучаючи» зайві ділянки пам'яті у одних завдань і «додаючи» додаткові ділянки - іншим (в залежності від їх важливості, обсягу оброблюваної інформації, терміновості виконання і т.п.). За «правильне» динамічний розподіл пам'яті в ПК відповідає операційна система, тоді як за «правильне» використання пам'яті, відповідає прикладне програмне забезпечення.

Цілком очевидно, що прикладні програми повинні мати здатність працювати під управлінням операційної системи, в іншому випадку остання не зможе виділити такий програмі оперативну пам'ять або вона не зможе «правильно» працювати в межах відведеної пам'яті. Саме тому не завжди вдається запустити під сучасної операционкой, раніше написані програми, які працювали під управлінням застарілих систем, наприклад під ранніми версіями Windows (98 наприклад).

Ще (для загального розвитку) слід знати, що підтримка пам'яті залежить від розрядності системи, наприклад, операційна система Windows 7, розрядністю 64 біта, підтримує обсяг пам'яті до 192 Гбайт (молодший 32 -бітний побратим "бачить" не більш 4 Гбайт). Однак, якщо Вам і цього мало, будь ласка, 128-розрядний Windows 8 заявляє підтримку насправді колосальних обсягів - я навіть не наважуюся озвучити цю цифру. Трохи докладніше про розрядність ми писали тут .

Що це таке розібралися.

Далі, на черзі, як і говорив заголовок, у нас не менше цікаве питання:

Навіщо потрібна ця сама оперативна пам'ять?

Як ми уже знаємо, обмін даними між процесором і пам'яттю відбувається найчастіше за участю кеш-пам'яті. У свою чергу, нею керує спеціальний контролер, який, аналізуючи виконувану програму, намагається передбачити, які дані і команди найімовірніше знадобляться найближчим часом процесору, і підкачує їх, тобто кеш-контролер завантажує в кеш-пам'ять потрібні дані з оперативної пам'яті, і повертає, коли потрібно, модифіковані процесором дані в оперативну пам'ять.

Після процесора, оперативну пам'ять можна вважати самим швидкодіючим пристроєм. Тому основний обмін даними і відбувається між цими двома девайсами. Вся інформація в персональному комп'ютері зберігається на жорсткому диску. При включенні компа в ОЗУ з гвинта записуються драйвери, спеціальні програми і елементи операційної системи. Потім туди записуються ті програми - додатки, які ми будемо запускати, при закритті останніх вони будуть стерті з оной.

Дані, записані в оперативній пам'яті, передаються в CPU (він же не раз згаданий процесор, він же Central Processing Unit), там обробляються і записуються назад. І так постійно: дали команду процесору взяти біти по таким-то адресами (як то: обработатьіх і повернути на місце або записати на нове) - він так і зробив (дивіться зображення).

Все це добре до тих пір, поки осередків пам'яті (1) вистачає. А якщо немає?

Тоді в роботу вступає файл підкачки (2). Цей файл розташований на жорсткому диску і туди записується все, що не влазить в осередку оперативної пам'яті. Оскільки швидкодія гвинта значно нижче ОЗУ, то робота файлу підкачки сильно уповільнює роботу системи. Крім цього, це знижує довговічність самого жорсткого диска. Але це вже зовсім інша історія.

Примітка.
У всіх сучасних процесорах є кеш (cache) - масив надшвидкісний оперативної пам'яті, що є буфером між контролером порівняно повільної системної пам'яті і процесором. У цьому буфері зберігаються блоки даних, з якими CPU працює в поточний момент, завдяки чому істотно зменшується кількість звернень процесора до надзвичайно повільній (в порівнянні зі швидкістю роботи процесора) системної пам'яті.

Проте, кеш-пам'ять малоефективна при роботі з великими масивами даних (відео, звук, графіка, архіви), бо такі файли просто туди не поміщаються, тому весь час доводиться звертатися до оперативної пам'яті, або до HDD (у якого також є свій кеш) .

компонування модулів

До речі, давайте розглянемо з чого ж складається (з яких елементів) сам модуль.

Оскільки практично всі модулі пам'яті, складаються з одних і тих же конструктивних елементів, ми для наочності візьмемо стандарт SD-RAM (для настільних комп'ютерів). На зображенні спеціально наведено різний конструктивне виконання оних (щоб Ви знали не тільки «шаблонне» виконання модуля, але і вельми «екзотичне»).

Отже, модулі стандарту SD-RAM (1): DDR (1.1), DDR2 (1.2).

опис:

1. Чіпи (мікросхеми) пам'яті
2. SPD (Serial Presence Detect) - мікросхема енергонезалежної пам'яті, в яку записані базові настройки будь-якого модуля. Під час старту системи BIOS материнської плати зчитує інформацію, відображену в SPD, і виставляє відповідні тайминги і частоту роботи ОЗУ;
3. «Ключ» - спеціальна проріз плати, по якій можна визначити тип модуля. Механічно перешкоджає невірної установці плашок в слоти, призначені для оперативної пам'яті;
4. SMD -компоненти модулів (резистори, конденсатори). Забезпечують електричну розв'язку сигнальних ланцюгів і управління живленням чіпів;
5. Cтікери виробника - вказують стандарт пам'яті, штатну частоту роботи і базові таймінги;
6. РСВ - друкована плата. На ній розпаювали інші компоненти модуля. Від якості часто залежить результат розгону: на різних платах однакові чіпи можуть вести себе по-різному.

Тепер Обощая, спрощуючи.

Температура, лаг, енергозалежність і взагалі "на пальцях"

Умовно кажучи, якщо дуже просто, то оперативна пам'ять це багато дрібних осередків, що зберігають дані і кожен біт цих даних зберігається зарядом (або його відсутністю) на крихітному конденсаторі в мікросхемі (про що йшлося вище по тексту).

Ця пам'ять є енергозалежною, саме тому під час режиму сну (глибокого сну комп'ютера) вміст пам'яті записується на жорсткий диск , А час пробудження завантажується назад. Коли комп'ютер вимкнений, - пам'ять порожня.

Файл підкачки , Який є "продовженням" цієї пам'яті, логічним чином, зберігає в собі дані на жорсткому диску, що, в загальному випадку, небезпечно.

Інформація в осередках з часом "втрачається", причому, чим вище температура , Тим швидше це відбувається.

Щоб уникнути втрати збережених даних, вони повинні регулярно оновлюватися, щоб відновити заряд (якщо він є) до початкового рівня. Цей процес оновлення включає читання кожного біта, а потім запис його назад. Це відбувається не цілком, а блоками. У процесі такого «оновлення» пам'ять зайнята і не може виконувати звичайні операції, такі як запис або зберігання бітів. У загальному випадку через це оновлення пам'ять гальмує кожні 7,8 мкс .

Післямова

Власне, це основи основ і базисний базис, а тому, сподіваюся, що стаття була цікава Вам як з точки зору розширення кругозору, так і в якості цеглинки в персональних знаннях про персональному комп'ютері :).

На сім все. Як і завжди, якщо є якісь питання, коментарі, доповнення та тп, то можете сміливо бігти в коментарі, які розташовані нижче. І да, не забувайте прочитати матеріал за вибором цієї самої оперативної пам'яті .