Память ЭВМ

54

Память ЭВМ

Современная электронная вычислительная машина — завод в минитаюре. Под словом «завод» подразумевается, конечно, не только компиляces производственных зданий, которые заполнены станками и оборудованием; завод — это еще и технологический процесс (описываемый перечень правил обработки изделия, инструкциями, настроениями, чертежами), выполнение которого приводит к чудесному превращению сырь в готовую продукцию.

В ЭВМ сырьем, получабрикатами на всех стадиях технического процесса, а также готовой продукции является информация, то есть записанные в символьной форме сведения об объектах, явлениях и процесах окружащего мира.

Если ЭВМ — завод по переработке информации, то складом, на котором хранятся заготовленное для переработки сырь, заготовки, прошедшие часть технического процесса, а также готовая к отправке продукции, является память или запоминающее устройство (ЗУ).

Таким образом, память или ЗУ — техническое устройство, предназначенное для хранения информации. Разумеется, это устройство должно свободенно выдавать и записьать информацию. Расторпность, а точнее быстроествие, памяты выражают названиеми типов запоминающих устройств — сверхоперативная память, оперативная память, внешняя память.

Чем быстрее работает память, тем она обходится дороге. В больших ЭВМ, в которых применяют память различного быстродействия, отношения между центральной частью ЭВМ и различными видами памяти построены иерархически, так что обращение в более дешевую и емкую внешнюю память наопнимает переговоры короля с королевой в «Балладе о королевском бутерброде».

Кодирование

Физическая носитель информации является сценал (в ЭВМ — электронский сигнал). Преобразование информации из одной формы в другую осуществляется при помощи кодирования. Наши знания об окружащем мире в известной степени определяются способностью воспринимать и анализировать информацию, т. е. уменем правильно истолковывать код. Механизм кодирования может быть значительно сложнее того, который разгадает Шерлок Холмс в «Пляшуших человеках». Так, например, генетики считают, что в хромосомах клетки эмбриона записан полный «план-чертеж» будущего человека.

Создатели первых ЭВМ должны были решить, как лучше всего кодировать обработываемую и хранимую информацию, чтобы обеспечить

— простоту и надежность;
— наиболее быстроествие;
— минимум затрат оборудования (экономичность).

Нанболее полно всем этим требованиям удовлетворяет система двойного кодирования, где для изобрания информации использует числовые комбинации, состоящие всего из двух цифр — 0 и 1. Более подробно об этом можно прочесть в книге Ф. Бауэра и Г. Гооза «Информаτικά» (М., «Мир», 1976).

С точки зрения удобства общения с ЭВМ размумнее всего было бы использовать традиционную десятиную систему численения (между прочим, она привчена нам лишь потому, что именно десять пальцев

55

служили древнему человеку первыми портативными ЗУ). Но перечисленные выше технические требования оказали решающее значение при выборе системы координания — пришлось смирить с тем фактом, что с точки зрения машиной обработки информации наиболее разумной является не десятичная, а двойная система счисления.

Материал запоминает
Материал, с помощью которого человека организовывает запись и хранение информации, был самим разнообразным — камни, пальцы и палочки, а позднее — бумага и перо. Все эти материалы обладают разнообразными достоинствами, в числе которых была, например, наглядность, но общим главным недостатком подобных систем хранения оставалось очень низкое быстродействие: попробуйте-ка пересчитать несколько раз сотно камней или отыскать нужный материал в толстой книге.

Современная техника располагает материалы, которые дают возможность изготовить компактные и высококоростные устройства памяти, позволяющие хранить большие объемы информации. Целый ряд материалов и простых устройств обладает замечательным свойством сравнительно долго сохранять одно из двух устойчивых состояний: феррит (см. ниже) сохраняет свою намагниченность и после того, как выключен ток в катушке намагничивания; конденсатор остается заряженным после того, как отключено подведенное к нему напряжение; электромеханическое решение сохраняет замкнутыми свои контакты до тех пор, пока через соленодную катушку протекает ток.

Феррит
Способность материалов «запоминаать» результаты предыдущего опыта основана на замечательном свойстве, которое называют «истерезисом».
В качестве запоминающего материала, использующего явлениеистерезиса, в ЭВМ довольно распространен феррит — искусственный материал с исключительно ярким магнитным свойством. На рисунке 1 представлена зависимость направления и величины магнитного потока в феррите от величины и направления тока в катушке намагничивания. Эта зависимость имеет ступенчатый (прямоугольный) характер.

В памяти обычно используется колцеобразные ферриты: замкнутый в ферритовом колце магнитный поток налучшим образом сохраняет энергию, затрачиваему на перемагничивание (рис. 2).

При хранении информации на ферритах договораиваются, что коль-

Рис. 1. Примогуляная petляистериза — характеристика ферритов: материалы с особенно ярким магнитным свойством.

Рис. 2. Ферритовое кольо — наиболее распространенный элемент магнитных запоминающих устройств.

56

цо хранит «1», если значение магнитного потока внутри колыза соответствует точке $A_1$ (рис. 1), и «0» при значении магнитного потока, соответствующем точке $A_0$.

Чтобы записать в ферритовое колюто информацию, надо изменить направление и величины магнитного потока, для чего через катушку намагничивание пропускается электрический ток соответствующей величины и направления. Как видно из графика, резкое изменение значения магнитного потока произойдет в тот момент, когда величина тока в катушке достигает некоторого критического значения $+I_K$ (рис. 1). Узнать, что именно хранит ферритовое колюто, можно, перемагничивая колюто в определенном направлении, например к точке $A_0$. Из курса физики известно, что изменение магнитного потока в замкнутом контуре вызвает появление ЭДС. Именно по величины ЭДС можно узнать, «0» или «1» хранило ферритовое колюто. В самом деле, если колюто хранило «единицу» (значение магнитного потока равно $A_1$), а перемагничивание (при считывании) выполнен к точке $A_0$ (для этого через катушку пропускают ток — $I_K$), в колюце произойдет быстрое изменение величины и направления магнитного потока. Это изменение магнитного потока отозвется появлением ЭДС в замкнутом контуре считывания. Если колюто хранило «нуль», а по условям считывание произойдет перемагничивание током — $I_K$, то изменение потока от точки $N$ до точки $A_0$ не разрушит хранимый «нуль». Изменение магнитного потока в колюце от точки $N$ до $A_0$ выходит столь же незначительное значение ЭДС.

Итак, мы познакомились с элементом магнитной памяти — ферритом, который может помнить только одно из двух возможных состояний, обозначемых нулем и единицей. Знание о состоянии объекта, который может быть только в одном из двух положений, составляет наименьшую порцию информации — один бит*! Таким образом, феррит физических представляет 1 бит, т. е. один двойный разряд.

Единицы информации

Для измерения информации, нарушения информации, нарушения — байт (8 битов), килобайт (2$^{10}$ байтов), сокращенно — Кбайт, и мерабайт (2$^{20}$ байтов). Это единицы — «внемашинные».

Стандартная порция информации, которое выдает или принимает

*) Слово «бит» произшло от английских слов «Впагу digiТ» («двоичная цифра»).

ЭВМ, — машинное слово. «Длина» машинного слова (то есть число двойных разрядов) обычно фиксирована в каждой ЭВМ: в «Минске-32 машинное слово состоит из 37 битов, а в «ВЭСМ-6» — из 48 битов.

Машинное слово — это единца измерения объема памяти, которое часто используется программист. Для самой же машины, для работы ее устройств более важной оказывается порция информации, называемая ячейкой. Впрочем, во многих машинах поняття машинного слова и ячейки оказываются совпадющими. Но не во всех. Например, в машинах серии ЕС ячейка содержит один байт, так что одно 32-разрядное машинное слово ЕС ЭВМ располагается в четырехрядом расположенных ячейках.

Адреса ячейек

Важнейшая характеристика ячейки — ее номер во множестве всех ячейек. Этот номер называется адресом ячейки. По адресу в памяти отыскиваются ячейка или машинное слово, начинающееся в этой ячейке.

Адрес играет основную роль при поиске информации в памяти. Когда известен адрес ячейки, добавляется ее содержимого, при определении устройств памяти, столбже простро, как найти заданный клеточку в игре «Морской бой» или увидеть фигуру на указанном шахматном поле. Устройня такая обработка памяти (ее обычно делают на ферритах) называется память с прямым (или произвольным) доступом.

Аналогичную роль играет адрес при определении места в памяти для хранения информации.

Быстродействие

Физические процессы, протекающие в памяти в момент записи или считывании информации, требуют определенного времени. Именно это время определения памяти, а зачастую и быстрое определение ЭВМ в целом. Время поиска ячейки в памяти примого доступа (выполненной на ферритовых колыцах) составляет 2—5 микросекунд (1 микросекунду).

57

да=10⁻⁶ секунд), а в сверхоперативной памяти оно еще меньше — 10—100 наносекунд (1 наносекунд=10⁻⁹ секунд).

Память на ферритовых колыхв в настоящие время не является самой скоростной. Успех полупроводниковой интерральной технологии позволяет широко использовать в современных ЭВМ принципально новые материалы и устройства. Пока стоимость таких устройств высока, новые элементы памяти применяются при создании сверхоперативной памяти — небольших по объему, но весма быстродействующих запоминающих устройств, в которых записьют как правило, информацию, наиболее часто используемого при решении данной задачи на ЭВМ. Рассказу об интерральных схемах, используемых в памяти ЭВМ, будет посвящена отдельная статья в одном из следующих номеров «Кванта».

Магнитофон

Хорошими характеристиками с точки зрения объема и дешевизны памяти обладает магнитофон. С «домашним» родственником этого типа памяти — бытовым магнитофоном — вы, верятно, знакомы. Правда, в отличие от бытового собратьта, магнитофон, применяемый в ЭВМ, солиднее не только по внешнему виду: высококачественная магнитофонная лента позволяет записывать информацию с очень высокой плотностью (например, 64 бита на одном миллиметре). Если учеть, чтолина магнитофонной ленты достигает в магнитофонах 750 метров, то можно понять, наколько ему является такая внешняя память.

Информация располагается на магнитофонной ленте последовательно, и каждый участок фиксированной длины, именуемый зоной, имеет свой собственный номер. Зона состоит, как правило, из большого числа (сотен и тысяч) ячеек. При хранении на ленте индивидуальное ячеек и их адрес игнорируются; порция обработываемой информации становится зона; отличить ячеек одну от другой можно по относительной номеру, отчитываемому от начала зоны, после того как зона с ленты будет переписана в оперативную память. Размер зоны, вообще говоря, произвольен (в некоторых пределах), но фиксируется на время решения одной или несколько задач. Разбивка магнитной ленты на зоны, называемая разметкой, выполняется программistically не во время вычисления, а до них: в этом, по существу, состоит преварительная подготовка физического носителя информации — ленты — к участию в вычислительной процеде.

При разметке магнитной ленты в начале каждой ленты автоматически расставляется номера зон. В дальнейшем это позволяет записать информацию в конкретную зону и прочитать ее оттуда, когда она потребуется. При считывании информации магнитофону заказываются номер зоны, тогда он начинает перемещать ленту в нужном направлении. Время поиска информации занимает десяти секунд, а иногда до минут. Дело в том, что для поиска нужной ячейки памяти на ленте надо сначала просмотрить все представленные зоны, а затем в нужной зоне, вызванной в оперативную память, просмотрить последовательное все ячейки, предшествующие искомой. Такого вида память называют память с последовательным доступом.

Иерархия запоминающих устройств

В состав ЭВМ входят устройства, промежуточные по своему быстроествиею между сверхоперативной и оперативной памятью — устройствами прямого доступа, с одной стороны, и магнитофонами — памяти с последовательным доступом, с другой стороны. Это, прежде всего, манитиные диски и манитиные барабаны. Оба этих устройств используются на ферромагнитное покрытие благодаря тому, что изменение величины или направления тока в катушке намагничивания вызывает изменение магнитного поля, которое формирует на магнитном покрытии «отпечаток» информации;