Bộ nhớ máy tính

Kvant 1980, số 4 tr. 54-57 Thẻ DBAP

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Bộ nhớ máy tính

Một máy tính điện tử hiện đại là một nhà máy thu nhỏ. Tất nhiên, từ “nhà máy” không chỉ có nghĩa là tập hợp các tòa nhà công nghiệp chứa đầy máy móc và thiết bị; Nhà máy cũng là một quy trình công nghệ (danh sách mô tả các quy tắc xử lý sản phẩm, hướng dẫn, tâm trạng, bản vẽ), việc thực hiện quy trình này dẫn đến sự biến đổi kỳ diệu của nguyên liệu thô thành thành phẩm.

Trong máy tính, nguyên liệu thô, bán thành phẩm ở tất cả các giai đoạn của quy trình kỹ thuật cũng như thành phẩm đều là thông tin, tức là thông tin được ghi lại dưới dạng ký hiệu về các vật thể, hiện tượng và quá trình của thế giới xung quanh.

Nếu máy tính là một nhà máy xử lý thông tin, thì kho chứa nguyên liệu thô được chuẩn bị để xử lý, phôi đã trải qua một phần quy trình kỹ thuật cũng như các sản phẩm sẵn sàng vận chuyển được lưu trữ là bộ nhớ hoặc thiết bị lưu trữ (thiết bị lưu trữ).

Vì vậy, bộ nhớ hay bộ lưu trữ là một thiết bị kỹ thuật được thiết kế để lưu trữ thông tin. Tất nhiên, thiết bị này phải tự do xuất và ghi thông tin. Tốc độ, hay đúng hơn là tốc độ của bộ nhớ được thể hiện bằng tên và loại thiết bị lưu trữ - bộ nhớ truy cập siêu ngẫu nhiên, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, bộ nhớ ngoài.

Bộ nhớ hoạt động càng nhanh thì chi phí vận hành càng đắt. Trong các máy tính lớn sử dụng bộ nhớ với nhiều tốc độ khác nhau, mối quan hệ giữa phần trung tâm của máy tính và các loại bộ nhớ khác nhau được xây dựng theo thứ bậc, do đó việc truy cập vào bộ nhớ ngoài rẻ hơn và có dung lượng lớn hơn gợi nhớ đến cuộc đàm phán giữa nhà vua và hoàng hậu trong “The Ballad of the Royal Sandwich”.

Mã hóa

Phương tiện lưu trữ vật lý là một cảnh (trong máy tính - tín hiệu điện tử). Việc chuyển đổi thông tin từ dạng này sang dạng khác được thực hiện bằng cách sử dụng mã hóa. Kiến thức của chúng ta về thế giới xung quanh ở một mức độ nhất định được xác định bởi khả năng nhận thức và phân tích thông tin của chúng ta, tức là chúng ta sẽ có thể diễn giải mã một cách chính xác. Cơ chế mã hóa có thể phức tạp hơn nhiều so với cơ chế được Sherlock Holmes giải quyết trong The Dancing Men. Ví dụ, các nhà di truyền học tin rằng nhiễm sắc thể của tế bào phôi chứa một “bản thiết kế” hoàn chỉnh về con người tương lai.

Những người tạo ra những chiếc máy tính đầu tiên phải quyết định cách mã hóa tốt nhất thông tin đang được xử lý và lưu trữ để cung cấp

tính đơn giản và độ tin cậy;
nhanh nhất;
chi phí thiết bị tối thiểu (hiệu quả chi phí).

Tất cả những yêu cầu này được đáp ứng đầy đủ hơn nhiều bởi hệ thống mã hóa kép, trong đó để hiển thị thông tin, nó sử dụng các tổ hợp số chỉ gồm hai chữ số - 0 và 1. Bạn có thể đọc thêm về điều này trong cuốn sách của F. Bauer và G. Gooz “Informat” (M., “Mir”, 1976).

Xét về mặt thuận tiện khi giao tiếp với máy tính, sẽ hợp lý nhất nếu sử dụng hệ thống số mười ngón truyền thống (nhân tiện, nó được thấm nhuần vào chúng ta chỉ vì nó là mười ngón).

phục vụ người cổ đại như thiết bị bộ nhớ di động đầu tiên). Nhưng các yêu cầu kỹ thuật được liệt kê ở trên có tính quyết định khi lựa chọn hệ thống phối hợp - chúng ta phải chấp nhận thực tế là theo quan điểm của một máy xử lý thông tin, hợp lý nhất không phải là hệ thập phân mà là hệ thống số kép.

Vật liệu ghi nhớ
Vật liệu mà một người sử dụng để tổ chức ghi chép và lưu trữ thông tin rất đa dạng - đá, ngón tay và gậy, sau đó là giấy và bút. Tất cả những vật liệu này đều có nhiều ưu điểm khác nhau, chẳng hạn như độ trong, nhưng nhược điểm chính chung của các hệ thống lưu trữ như vậy vẫn là hiệu suất rất thấp: hãy thử đếm hàng trăm viên đá vài lần hoặc tìm tài liệu cần thiết trong một cuốn sách dày.

Công nghệ hiện đại có những vật liệu cho phép sản xuất các thiết bị bộ nhớ nhỏ gọn và tốc độ cao cho phép lưu trữ lượng lớn thông tin. Một số vật liệu và thiết bị đơn giản có đặc tính đáng chú ý là duy trì một trong hai trạng thái ổn định trong thời gian tương đối dài: ferrite (xem bên dưới) vẫn giữ được từ hóa ngay cả sau khi dòng điện trong cuộn dây từ hóa bị tắt; tụ điện vẫn được tích điện sau khi tắt điện áp cung cấp cho nó; cơ điện lời giải giữ các tiếp điểm của nó đóng miễn là có dòng điện chạy qua cuộn dây điện từ.

Ferrite
Khả năng vật liệu “ghi nhớ” kết quả của trải nghiệm trước đó dựa trên một đặc tính đáng chú ý gọi là “độ trễ”.
Ferrite, một loại vật liệu nhân tạo có đặc tính từ tính cực sáng, khá phổ biến trong máy tính với vai trò là vật liệu lưu trữ sử dụng hiện tượng trễ. Hình 1 cho thấy sự phụ thuộc của hướng và độ lớn của từ thông trong ferit vào độ lớn và hướng của dòng điện trong cuộn dây từ hóa. Sự phụ thuộc này có tính chất từng bước (hình chữ nhật).

Ferrite hình vòng thường được sử dụng trong bộ nhớ: từ thông đóng trong vòng ferit bảo toàn tốt nhất năng lượng tiêu hao cho quá trình đảo ngược từ hóa (Hình 2).

Khi lưu trữ thông tin về ferrite, người ta đồng ý rằng

Hình 1. Petlehysteria nguyên thủy là đặc điểm của ferrite: vật liệu có tính chất từ tính đặc biệt sáng.

Hình 2. Hạt Ferrite là thành phần phổ biến nhất của các thiết bị lưu trữ từ tính.

Hệ thống lưu trữ “1” nếu giá trị của từ thông bên trong kolyz tương ứng với điểm $A_1$ (Hình 1) và “0” nếu giá trị của từ thông tương ứng với điểm $A_0$ .

Để ghi thông tin vào lõi ferrite, cần phải thay đổi hướng và độ lớn của từ thông, trong đó một dòng điện có độ lớn và hướng tương ứng được truyền qua cuộn dây từ hóa. Như có thể thấy từ biểu đồ, một sự thay đổi mạnh về giá trị của từ thông sẽ xảy ra tại thời điểm cường độ dòng điện trong cuộn dây đạt đến một giá trị tới hạn nhất định $+I_K$ (Hình 1). Bạn có thể tìm hiểu chính xác những gì lõi ferrite lưu trữ bằng cách đảo ngược từ hóa của lõi theo một hướng nhất định, chẳng hạn như điểm $A_0$ . Qua một khóa học vật lý, người ta đã biết rằng sự thay đổi từ thông trong một vòng kín sẽ gây ra sự xuất hiện của lực điện động. Nhờ cường độ của EMF mà bạn có thể biết được lõi ferit là “0” hay “1”. Trên thực tế, nếu vòng lưu trữ “một” (giá trị của từ thông là $A_1$ ) và thực hiện đảo ngược từ hóa (trong khi đọc) đến điểm $A_0$ (đối với điều này, một dòng điện chạy qua cuộn dây - $I_K$ ), sự thay đổi nhanh chóng về độ lớn và hướng của từ thông sẽ xảy ra trong vòng. Sự thay đổi từ thông này sẽ dẫn đến sự xuất hiện của EMF trong một vòng đọc khép kín. Nếu coluto lưu trữ “không” và theo điều kiện đọc, sự đảo ngược từ hóa xảy ra với dòng điện - $I_K$ , thì sự thay đổi từ thông từ điểm $N$ đến điểm $A_0$ sẽ không phá hủy “không” được lưu trữ. Sự thay đổi từ thông trong vòng từ điểm $N$ đến $A_0$ dẫn đến giá trị EMF không đáng kể.

Vì vậy, chúng ta đã làm quen với nguyên tố của trí nhớ từ tính - ferrite, nguyên tố chỉ có thể nhớ một trong hai trạng thái có thể có, ký hiệu là 0 và một. Kiến thức về trạng thái của một đối tượng, chỉ có thể ở một trong hai vị trí, tạo thành mẩu thông tin nhỏ nhất - một bit*! Do đó, ferrite vật lý đại diện cho 1 bit, tức là một chữ số kép.

Đơn vị thông tin

Để đo lường thông tin, vi phạm thông tin, vi phạm - byte (8 bit), kilobyte (2 $^{10}$ byte), viết tắt là KB và merabyte (2 $^{20}$ byte). Đây là những đơn vị “ngoài máy”.

Một mẩu thông tin tiêu chuẩn được phát hành hoặc nhận được

*) Từ “bit” xuất phát từ từ tiếng Anh “Vpagu digiT” (“chữ số nhị phân”).

MÁY TÍNH là một từ máy. Độ dài của một từ máy (nghĩa là số lượng hai chữ số) thường được cố định trong mỗi máy tính: trong Minsk-32, một từ máy bao gồm 37 bit và trong VESM-6, nó bao gồm 48 bit.

Từ máy là đơn vị đo bộ nhớ thường được lập trình viên sử dụng. Đối với bản thân chiếc máy, đối với hoạt động của các thiết bị của nó, một phần thông tin được gọi là tế bào hóa ra lại quan trọng hơn. Tuy nhiên, trong nhiều máy, khái niệm từ máy và ô hóa ra lại giống nhau. Nhưng không phải trong tất cả chúng. Ví dụ, trong các máy dòng EC, một ô chứa một byte, do đó một từ máy tính EC 32 bit nằm trong bốn hàng ô.

Địa chỉ ô

Đặc điểm quan trọng nhất của một ô là số lượng của nó trong tập hợp tất cả các ô. Số này được gọi là địa chỉ ô. Theo địa chỉ trong bộ nhớ, một ô hoặc một từ máy bắt đầu trong ô này sẽ được tìm thấy.

Địa chỉ đóng vai trò chính trong việc lấy thông tin trong bộ nhớ. Khi biết địa chỉ của một ô, nội dung của nó sẽ được thêm vào khi xác định thiết bị bộ nhớ, đơn giản như tìm một ô nhất định trong trò chơi “Battleship” hoặc nhìn thấy một quân cờ trên một sân cờ cụ thể. Kiểu xử lý bộ nhớ này (thường được thực hiện trên ferrites) được gọi là bộ nhớ truy cập trực tiếp (hoặc ngẫu nhiên).

Địa chỉ đóng vai trò tương tự trong việc xác định vị trí lưu trữ thông tin trong bộ nhớ.

Hiệu suất

Các quá trình vật lý xảy ra trong bộ nhớ tại thời điểm ghi hoặc đọc thông tin cần một thời gian nhất định. Đây là thời điểm xác định bộ nhớ và thường là xác định nhanh chóng toàn bộ máy tính. Thời gian tìm kiếm một ô trong bộ nhớ truy cập chính (được tạo trên lõi ferit) là 2-5 micro giây (1 micro giây).

có = 10⁻⁶ giây) và ở RAM phụ thậm chí còn ít hơn - 10-100 nano giây (1 nano giây = 10⁻⁹ giây).

Bộ nhớ dựa trên chân ferrite hiện không phải là nhanh nhất. Sự thành công của công nghệ bán dẫn liên vùng cho phép sử dụng rộng rãi các vật liệu và thiết bị mới về cơ bản trong các máy tính hiện đại. Mặc dù giá thành của các thiết bị như vậy cao, nhưng các phần tử bộ nhớ mới được sử dụng để tạo ra bộ nhớ truy cập cực ngẫu nhiên - các thiết bị lưu trữ có dung lượng nhỏ nhưng tốc độ rất cao, trong đó, theo quy luật, thông tin được ghi lại, thường được sử dụng nhiều nhất trong lời giải được cho bài toán trên một máy tính. Một bài viết riêng trong một trong những số sau đây sẽ dành cho câu chuyện về các mạch nội bộ được sử dụng trong bộ nhớ máy tính. «Kvant».

máy ghi âm

Máy ghi âm có đặc điểm tốt về dung lượng bộ nhớ và giá thành thấp. Có lẽ bạn đã quen thuộc với họ hàng “nhà” của loại bộ nhớ này - chiếc máy ghi âm gia dụng. Đúng, không giống như đối tác hàng ngày của nó, máy ghi âm được sử dụng trong máy tính chắc chắn hơn không chỉ về hình thức: băng chất lượng cao cho phép bạn ghi thông tin với mật độ rất cao (ví dụ: 64 bit trên milimet). Nếu bạn tính đến chiều dài của băng trong máy ghi âm lên tới 750 mét, thì bạn có thể hiểu bộ nhớ ngoài đó quan trọng như thế nào đối với nó.

Thông tin được đặt trên băng một cách tuần tự và mỗi phần có độ dài cố định, được gọi là vùng, có số riêng. Một vùng thường bao gồm một số lượng lớn (hàng trăm và hàng nghìn) ô. Khi lưu trữ trên băng, các ô riêng lẻ và địa chỉ của chúng sẽ bị bỏ qua; một phần thông tin được xử lý sẽ trở thành một vùng; Bạn có thể phân biệt các ô với nhau bằng số tương đối, được tính từ đầu vùng, sau khi vùng được sao chép từ băng vào RAM. Nói chung, kích thước của vùng là tùy ý (trong giới hạn nhất định), nhưng được cố định trong một thời gian lời giải bởi một hoặc một số bài toán. Việc phân chia băng từ thành các vùng, được gọi là đánh dấu, được thực hiện theo chương trình không phải trong quá trình tính toán mà trước chúng: về bản chất, điều này bao gồm việc chuẩn bị sơ bộ phương tiện lưu trữ vật lý - băng - để tham gia vào quy trình tính toán.

Khi đánh dấu băng từ, số vùng sẽ tự động được đặt ở đầu mỗi băng. Trong tương lai, điều này cho phép bạn ghi thông tin vào một vùng cụ thể và đọc nó từ đó khi cần. Khi đọc thông tin, máy ghi âm được gán một số vùng, sau đó nó bắt đầu di chuyển băng theo hướng mong muốn. Thời gian tìm kiếm thông tin mất mười giây, đôi khi lên đến vài phút. Thực tế là để tìm kiếm ô nhớ mong muốn trên băng, trước tiên bạn phải xem tất cả các vùng được trình bày, sau đó, trong vùng mong muốn được gọi vào RAM, xem tuần tự tất cả các ô trước vùng mong muốn. Loại bộ nhớ này được gọi là bộ nhớ truy cập tuần tự.

Phân cấp thiết bị lưu trữ

Máy tính bao gồm các thiết bị có tốc độ trung gian giữa bộ nhớ truy cập siêu ngẫu nhiên và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên - một mặt là thiết bị truy cập trực tiếp và mặt khác là máy ghi băng - bộ nhớ truy cập tuần tự. Trước hết, đây là đĩa manitina và trống manitina. Cả hai thiết bị này đều được sử dụng trên lớp phủ sắt từ do sự thay đổi về độ lớn hoặc hướng của dòng điện trong cuộn dây từ hóa gây ra sự thay đổi trong từ trường, tạo thành “dấu vân tay” thông tin trên lớp phủ từ tính;