Принцип работы постоянной памяти кратко

Обновлено: 25.06.2024

Аннотация: В лекции рассказывается о типах микросхем памяти и о микросхемах постоянной памяти, их алгоритмах работы, параметрах, типовых схемах включения, а также о способах реализации на их основе некоторых часто встречающихся функций.

Микросхемы памяти (или просто память , или запоминающие устройства — ЗУ, английское " Memory ") представляют собой следующий шаг на пути усложнения цифровых микросхем по сравнению с микросхемами, рассмотренными ранее. Память — это всегда очень сложная структура, включающая в себя множество элементов. Правда, внутренняя структура памяти — регулярная, большинство элементов одинаковые, связи между элементами сравнительно простые, поэтому функции, выполняемые микросхемами памяти, не слишком сложные.

Память , как и следует из ее названия, предназначена для запоминания, хранения каких-то массивов информации, проще говоря, наборов, таблиц, групп цифровых кодов. Каждый код хранится в отдельном элементе памяти, называемом ячейкой памяти. Основная функция любой памяти как раз и состоит в выдаче этих кодов на выходы микросхемы по внешнему запросу. А основной параметр памяти — это ее объем, то есть количество кодов, которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов.

Для обозначения количества ячеек памяти используются следующие специальные единицы измерения:

1К — это 1024, то есть 2 10 (читается "кило-"" или "ка-"), примерно равно одной тысяче;
1М — это 1048576, то есть 2 20 (читается "мега-"), примерно равно одному миллиону;
1Г — это 1073741824, то есть 2 30 (читается "гига-"), примерно равно одному миллиарду.

Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем через знак умножения (косой крест) — разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64Кх8 означает, что память имеет 64К (то есть 65536) ячеек и каждая ячейка — восьмиразрядная. А организация памяти 4М х 1 означает, что память имеет 4М (то есть 4194304) ячеек, причем каждая ячейка имеет всего один разряд. Общий объем памяти измеряется в байтах (килобайтах — Кбайт, мегабайтах — Мбайт, гигабайтах — Гбайт) или в битах (килобитах — Кбит, мегабитах — Мбит, гигабитах — Гбит).

В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа ее хранения, микросхемы памяти разделяются на следующие основные типы:

Постоянная память ( ПЗУ — постоянное запоминающее устройство , ROM — Read Only Memory — память только для чтения), в которую информация заносится один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ . Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергонезависимой памятью.
Программируемая постоянная память (ППЗУ — программируемое ПЗУ , PROM — Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация в ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, то есть она также энергонезависимая.
Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство , RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении всего срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.

Существует множество промежуточных типов памяти, а также множество подтипов , но указанные — самые главные, принципиально отличающиеся друг от друга. Хотя, разница между ПЗУ и ППЗУ с точки зрения разработчика цифровых устройств, как правило, не так уж велика. Только в отдельных случаях, например, при использовании так называемой флэш-памяти (flash- memory ), представляющей собой ППЗУ с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации, эта разница действительно чрезвычайно важна. Можно считать, что флэш-память занимает промежуточное положение между ОЗУ и ПЗУ .

В общем случае любая микросхема памяти имеет следующие информационные выводы (рис. 11.1):

Рис. 11.1. Микросхемы памяти: ПЗУ (а), ОЗУ с двунаправленной шиной данных (б), ОЗУ с раздельными шинами входных и выходных данных (в)

Адресные выводы (входные), образующие шину адреса памяти. Код на адресных линиях представляет собой двоичный номер ячейки памяти, к которой происходит обращение в данный момент. Количество адресных разрядов определяет количество ячеек памяти: при количестве адресных разрядов n количество ячеек памяти равно 2 n .
Выводы данных (выходные), образующие шину данных памяти. Код на линиях данных представляет собой содержимое той ячейки памяти, к которой производится обращение в данный момент. Количество разрядов данных определяет количество разрядов всех ячеек памяти (обычно оно бывает равным 1, 4, 8, 16). Как правило, выходы данных имеют тип выходного каскада ОК или 3С.
В случае оперативной памяти, помимо выходной шины данных , может быть еще и отдельная входная шина данных , на которую подается код, записываемый в выбранную ячейку памяти. Другой возможный вариант — совмещение входной и выходной шин данных, то есть двунаправленная шина, направление передачи информации по которой определяется управляющими сигналами. Двунаправленная шина применяется обычно при количестве разрядов шины данных 4 или более.
Управляющие выводы (входные), которые определяют режим работы микросхемы. В большинстве случаев у памяти имеется вход выбора микросхемы CS (их может быть несколько, объединенных по функции И). У оперативной памяти также обязательно есть вход записи WR, активный уровень сигнала на котором переводит микросхему в режим записи.

Мы в данной лекции не будем, конечно, изучать все возможные разновидности микросхем памяти, для этого не хватит целой книги. К тому же эта информация содержится в многочисленных справочниках. Микросхемы памяти выпускаются десятками фирм во всем мире, поэтому даже перечислить все их не слишком просто, не говоря уже о том, чтобы подробно рассматривать их особенности и параметры. Мы всего лишь рассмотрим различные схемы включения типичных микросхем памяти для решения наиболее распространенных задач, а также методы проектирования некоторых узлов и устройств на основе микросхем памяти. Именно это имеет непосредственное отношение к цифровой схемотехнике. И именно способы включения микросхем мало зависят от характерных особенностей той или иной микросхемы той или иной фирмы.

В данном разделе мы не будем говорить о флэш-памяти, так как это отдельная большая тема. Мы ограничимся только простейшими микросхемами ПЗУ и ППЗУ, информация в которые заносится раз и навсегда (на этапе изготовления или же самим пользователем). Мы также не будем рассматривать здесь особенности оборудования для программирования ППЗУ (так называемых программаторов ), принципы их построения и использования, — это отдельная большая тема. Мы будем считать, что нужная нам информация может быть записана в ПЗУ или ППЗУ, а когда, как, каким способом она будет записана, нам не слишком важно. Все эти допущения позволят нам сосредоточиться именно на схемотехнике узлов и устройств на основе ПЗУ и ППЗУ (для простоты будем называть их в дальнейшем просто ПЗУ ).

Упомянем здесь только, что ППЗУ делятся на репрограммируемые или перепрограммируемые ПЗУ (РПЗУ, EPROM — Erasable Programmable ROM ), то есть допускающие стирание и перезапись информации, и однократно программируемые ПЗУ . В свою очередь , РПЗУ делятся на ПЗУ , информация в которых стирается электрическими сигналами ( EEPROM — Electrically Erasable Programmable ROM ), и на ПЗУ , информация в которых стирается ультрафиолетовым излучением через специальное прозрачное окошко в корпусе микросхемы (собственно EPROM — Erasable Programmable ROM ). Запись информации в любые ППЗУ производится с помощью подачи определенных последовательностей электрических сигналов (как правило, повышенного напряжения) на выводы микросхемы.

Фирмами-производителями цифровых микросхем выпускается немало самых разнообразных ПЗУ и ППЗУ. Различаются микросхемы постоянной памяти своим объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), организацией (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или 3С), быстродействием (обычно задержка составляет от единиц до сотен наносекунд). Но суть всех микросхем ПЗУ остается одной и той же: имеется шина адреса , на которую надо подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных , на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.

На рис. 11.2 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти.

Память с записью-считыванием– тип памяти, дающей возможность пользователю помимо считывания данных производить их исходную запись, стирание или обновление. К этому виду отнесена оперативная память.

Программы и данные во время непосредственного сеанса хранятся в основной памяти или оперативной памяти компьютера. Оперативная память состоит из ячеек памяти одной одинаковой длины. Каждая ячейка памяти включает элементы памяти, состояние каждого из которых соответствует одной двоичной цифре о или 1, т.е. одному биту. Совокупность нулей и единиц, хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки. При этом стандартный размер ячейки равен 8 битам и образует один байт информации. Байт является наименьшей адресуемой единицей оперативной памяти. Для идентификации ячеек в оперативной памяти каждой из них присваивается адрес, представляющий собой номер ячейки. Ячейки нумеруются числами из последовательного натурального ряда чисел.

Запись в память данных осуществляется подачей на шину адреса сигналов, соответствующих адресам ячеек, в которые помещаются данные из шины записи. При чтении данных из памяти по шине адреса передаются адреса читаемых ячеек, а сами данные из ячеек передаются по шине чтения.

Основное отличие оперативной памяти (RAM) от постоянной (ROM) состоит в возможности оперативного изменения содержимого всех ячеек памяти с помощью дополнительного управляющего сигнала записи WR. Каждая ячейка оперативной (статической) памяти представляет собой, по сути, регистр из триггерных ячеек, в который может быть записана информация и из которого можно информацию читать. Выбор того или иного регистра (той или иной ячейки памяти) производится с помощью кода адреса памяти. Поэтому при выключении питания вся информация из оперативной памяти пропадает (стирается), а при включении питания информация в оперативной памяти может быть произвольной.

Оперативная память бывает двух основных видов: с раздельными шинами входных и выходных данных и с двунаправленной шиной.

В постоянной памяти хранятся стандартные программы, записанные в микросхему памяти на заводе-изготовителе и не требующие изменений. ROM позволяет только считывать хранящиеся в ней данные. Информация в ROM сохраняется при выключении компьютера.

Постоянная память предназначена для хранения неизменной информации. Эта информация заносится в микросхему постоянной памяти заводом-изготовителем компьютера. В постоянной памяти современных компьютеров находится BIOS — BIOS (Basic Input/Output System) — базовая система ввода/вывода. В состав BIOS входят программа самотестирования компьютера при его включении, драйвера некоторых устройств (монитора, дисковых накопителей информации и пр.) а также программа загрузки с дисковых устройств операционной системы.

Когда-то в постоянной памяти простых компьютеров находился еще и интерпретатор языка BASIC, позволявший программировать на компьютере не загружаясь с внешних носителей информации.

Выделяют также и программируемую постоянную память, программируемое ПЗУ, ППЗУ -постоянная память или ПЗУ, в которых возможна запись или смена данных путем воздействия на носитель информации электрическими, магнитными и/или электромагнитными (в том числе ультрафиолетовыми или другими) полями под управлением специальной программы. Различают ППЗУ с однократной записью и стираемые ППЗУ (EPROM, Erasable PROM), в том числе: электрически программируемое ПЗУ; электрически стираемое программируемое ПЗУ, ЭСПЗУ. К стираемым ППЗУ относятся микросхемы флэш-памяти, отличающиеся высокой скоростью доступа и возможностью быстрого стирания данных.

В последние два десятилетия массовое производство персональных компьютеров и стремительный рост Интернета существенно ускорили становление информационного общества в развитых странах мира.

Внутренняя память компьютера делится на оперативную и постоянную. В отличие от внешней, которая представлена подключаемыми устройствами HDD, USB-флеш, SD-картами, оптическими дисками, она является одним из основных элементов системы, обеспечивающих ее работу. Устройства такого типа размещаются непосредственно на материнской плате и не требуют обращения к ним пользователя. Посмотрим, чем отличается оперативная память от постоянной.

Оперативная память (RAM) – энергозависимая изменяемая память с произвольным доступом, в которой хранятся данные, обрабатываемые процессором в конкретный момент времени. Реализуется в виде оперативных запоминающих устройств и часто называется просто ОЗУ.

Постоянная память (ROM) – энергонезависимая память, хранящая неизменяемые данные. Реализуется в виде распаянных на плате микросхем, которые называются постоянными запоминающими устройствами.

ПЗУ часто путают с накопителями, на которые записывают файлы пользователи. На самом деле эта память им недоступна: в ROM записаны BIOS и другие микропрограммы, предназначенные для управления взаимодействием аппаратных элементов, а в мобильных устройствах – еще и операционная система. Технически к ПЗУ также относятся и CD-ROM, магнитные ленты, перфокарты и прочие носители с единожды размещенной информацией, однако частью системы внутренней памяти компьютера они, конечно, не являются.

Сравнение

Представьте себе, что пишете, к примеру, доклад. Чтобы прочитать статью, вы встаете, подходите к шкафу, берете книгу или журнал, несете ее за стол, ищете информацию, закрываете, несете ее обратно, ставите на полку. И так раз за разом. Медленно и неудобно, особенно если шкаф в другой комнате. А если сесть за большой свободный рабочий стол? Вот здесь у вас лежат три журнала, открытые на нужных страницах, вот здесь – том энциклопедии, там методичка, а на мониторе – браузер со ссылками на литературу. Все доступно, только руку протяни и прочитай. Точно так же в оперативной памяти хранятся файлы запущенных программ и открытых документов. По сравнению с накопителями, даже самыми перспективными, ОЗУ гораздо быстрее, время обращения измеряется в наносекундах.

Основное техническое отличие оперативной памяти от постоянной – энергозависимость. С отключением питания ОЗУ полностью очищается от данных, сколько бы их ни было и какими бы важными они ни казались. Каждый хотя бы раз попадал в ситуацию, когда в процессе работы за компьютером внезапно отключался свет, и тогда изменения в документе, открытые странички в браузере, проигрывающееся видео не сохранялись. Это происходит потому, что до записи новой редакции во внешнюю память она хранится в памяти оперативной, которая, будучи обесточенной, обнуляется.

Постоянная память энергонезависима. Полное отключение энергии никак не влияет на ее содержимое, поэтому программы, запускаемые из ПЗУ (BIOS, POST, ОС) требуют лишь однократной записи.

Если сравнивать, к примеру, процесс набора текста в редакторе и заливку прошивки или обновления в смартфон, заметно, в чем разница между оперативной и постоянной памятью. Символы появляются на экране сразу (задействована RAM), а во втором случае потребуется несколько минут, а иногда и часы (пишется в ROM).

В современных системах используются твердотельные динамические ОЗУ (DRAM), выполненные в виде планок с распаянными на них микрочипами и контактами. Их можно извлекать и менять на другие, допустим, большего объема. ПЗУ размещаются непосредственно на плате, замене подлежат только в целях ремонта. Оперативная память может хранить до 64 Гб информации в одном модуле, вместительность одного чипа постоянной существенно меньше – несколько Мб.

Чем они являются и где используются? Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) представляют собой энергонезависимую память. Технологически они реализованы как микросхема. Одновременно мы узнали, какова аббревиатуры ПЗУ расшифровка. Предназначены устройства для хранения информации, введённой пользователем, и установленных программ. В постоянном запоминающем устройстве можно найти документы, мелодии, картинки – т.е. всё, что должно храниться на протяжении месяцев или даже лет. Объемы памяти, в зависимости от используемого устройства, могут меняться от нескольких килобайт (на простейших устройствах, имеющих один кристалл кремния, примером которых являются микроконтроллеры) до терабайтов. Чем больше объем ПЗУ – тем больше объектов может быть сохранено. Объем прямо пропорционален количеству данных. Если уплотнить ответ на вопрос, что такое ПЗУ, следует ответить: это хранилище данных, которое не зависит от постоянного напряжения.

Жесткие диски как основные постоянные запоминающие устройства

Основным постоянным запоминающим устройством являются жесткие диски. Они есть в каждом современном компьютере. Используются они благодаря своим широким возможностям накопления информации. Но при этом существует ряд ПЗУ, которые используют мультиплексоры (это микроконтроллеры, начальные загрузчики и прочие подобные электронные механизмы). При детальном изучении будет нужно не только понимать значение ПЗУ. Расшифровка других терминов тоже необходима, для того, чтобы вникнуть в тему.

Расширение и дополнение возможностей ПЗУ благодаря флеш-технологиям

Если стандартного объема памяти пользователю не хватает, то можно воспользоваться дополнительным расширением возможностей предоставленного ПЗУ в сфере хранения данных. Осуществляется это посредством современных технологий, реализованных в картах памяти и USB-флеш-накопителях. В их основе лежит принцип многоразового использования. Другими словами, данные на них можно стирать и записывать десятки и сотни тысяч раз.

Схематическое строение ПЗУ

Этот объект электроники изображается в виде устройства, которое по внешнему виду напоминает соединение определённого числа одноразрядных ячеек. Микросхема ПЗУ, несмотря на потенциальную сложность и, казалось бы значительные возможности, по размеру мала. При запоминании определённого бита производится запайка к корпусу (когда записывается нуль) или к источнику питания (когда записывается единица). Для увеличения разрядности ячеек памяти в постоянных запоминающих устройствах микросхемы могут параллельно соединяться. Так и делают производители, чтобы получить современный продукт, ведь микросхема ПЗУ с высокими характеристиками позволяет им быть конкурентными на рынке.

Объемы памяти при использовании в различных единицах техники

Объемы памяти разнятся в зависимости от типа и предназначения ПЗУ. Так в простой бытовой технике вроде стиральных машинок или холодильников можно хватает установленных микроконтроллеров (с их запасов в несколько десятков килобайт), и в редких случаях устанавливается что-то более сложное. Использовать большой объем ПЗУ здесь не имеет смысла, ведь количество электроники невелико, и от техники не требуется сложных вычислений. Для современных телевизоров требуется уже что-то более совершенное. И вершиной сложности является вычислительная техника вроде компьютеров и серверов, ПЗУ для которых, как минимум, вмещают от нескольких гигабайт (для выпущенных лет 15 назад) до десятков и сотен терабайт информации.

Но такая ПЗУ-схема, за исключением построения ячейки, структурно не отличается от обычного масочного постоянного запоминающего устройства. Иногда такие устройства называют ещё репрограммируемыми. Но при всех преимуществах имеются и определённые границы скорости стирания информации: для этого действия обычно необходимо около 10-30 минут.

Несмотря на возможность перезаписи, репрограммируемые устройства имеют ограничения по использованию. Так, электроника с ультрафиолетовым стиранием может пережить от 10 до 100 циклов перезаписи. Затем разрушающее влияние излучения становится настолько ощутимым, что они перестают функционировать. Увидеть использование подобных элементов можно в качестве хранилищ для программ BIOS, в видео- и звуковых картах, для дополнительных портов. Но оптимальным относительно перезаписи является принцип электрического стирания. Так, число перезаписей в рядовых устройствах составляет от 100 000 до 500 000! Существуют отдельные ПЗУ-устройства, которые могут работать и больше, но большинству пользователей они ни к чему.

Эти два названия раскрывают суть предмета нашей беседы. Речь идет об энергонезависимом типе памяти, которую можно только считывать. Что это значит?

Стереть информацию с такого устройства можно только специальными методами, к примеру, ультрафиолетовыми лучами.

Примеры

Постоянная память в компьютере — это определенное место на материнской плате, в котором хранятся:

Тестовые утилиты, проверяющие правильность работы аппаратной части при каждом запуске ПК.
Драйвера управления главными периферийными девайсами (клавиатурой, монитором, дисководом). В свою очередь, те слоты на материнской плате, в функции которых не входит включение компьютера, не хранят свои утилиты в ROM. Ведь место ограничено.
Прогу начальной загрузки (BIOS), которая при включении компа запускает загрузчик операционной системы. Хотя нынешний биос может включать ПК не только с оптических и магнитных дисков, но и с USB-накопителей.

В мобильных гаджетах постоянная память хранит в себе стандартные приложения, темы, картинки и мелодии. При желании пространство для дополнительной мультимедийной информации расширяют с помощью перезаписываемых SD-карт. Однако если устройство используется только для звонков, в расширении памяти нет необходимости. В целом, сейчас ROM есть в любой бытовой технике, автомобильных плеерах и прочих девайсах с электроникой.

Физическое исполнение

Чтобы вы лучше могли познакомиться с постоянной памятью, расскажу больше о ее конфигурации и свойствах:

Разновидностей ПЗУ несколько, но чтобы не терять ваше время, назову только две основных модификации:

Характеристики ПЗУ

Вот некоторые важные характеристики памяти ROM

Вы можете записать данные только один раз. Однако, как только он написан, вы можете прочитать его любое количество раз
Чип ПЗУ используется главным образом в процессе запуска современного компьютера
ПЗУ, энергонезависимая память, хранит только несколько мегабайт (МБ) данных, до 4 МБ или более на чип

Применение

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором , сотовым телефоном , различными контроллерами , или компьютером ( BIOS или OpenBoot на машинах SPARC ).

BootROM — прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте , то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети . Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.

ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF

Типы ПЗУ

Вот важные типы памяти ROM.

Различия между RAM и ROM

параметры	баран	ПЗУ
Применение	Оперативная память позволяет компьютеру быстро считывать данные для запуска приложений.	ROM хранит все приложения, которые необходимы для начальной загрузки компьютера. Это позволяет только для чтения.
летучесть	ОЗУ энергозависима. Таким образом, его содержимое теряется при выключении устройства.	Он является энергонезависимым, т. Е. Его содержимое сохраняется, даже если устройство выключено
доступность	Информация, хранящаяся в оперативной памяти, легко доступна.	Процессор не может напрямую получить доступ к информации, которая хранится в ПЗУ. Чтобы сначала получить доступ к информации ПЗУ, информация передается в ОЗУ, а затем она может быть выполнена процессором.
Читай пиши	Обе операции R (чтение) и W (запись) могут выполняться над информацией, которая хранится в ОЗУ.	Память ROM позволяет пользователю читать информацию. Но пользователь не может изменить информацию.
Место хранения	RAM используется для хранения временной информации.	ПЗУ используется для хранения постоянной информации, которая не стирается.
скорость	Скорость доступа к ОЗУ выше.	Его скорость ниже по сравнению с оперативной памятью. Следовательно, ПЗУ не может увеличить скорость процессора.
Стоимость	Цена оперативной памяти довольно высока.	Цена на ПЗУ сравнительно низкая.
Размер чипа	Физический размер чипа ОЗУ больше, чем чипа ПЗУ.	Физический размер чипа ПЗУ меньше, чем чип ОЗУ той же емкости.
Сохранение данных	Электричество необходимо в оперативной памяти, чтобы течь и сохранять информацию	Электричество не требуется для передачи и сохранения информации
Структура	Чип ОЗУ имеет форму прямоугольника и устанавливается над материнской платой компьютера.	Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — это тип носителя данных, который постоянно хранит данные на персональных компьютерах (ПК) и других электронных устройствах.

Преимущества ПЗУ

Вот некоторые важные преимущества использования ROM

Эта память не теряется при отключении питания. Поэтому оно называется энергонезависимой памятью.
Это не может быть изменено случайно
Дешевле, чем ОЗУ
Статично и не требует обновления

В случаях, когда запись ведётся при помощи процесса металлизации и используется маска, такое постоянное запоминающее устройство называется масочным. Адреса ячеек памяти в них подаются на 10 выводов, а конкретная микросхема выбирается с помощью специального сигнала CS. Программирование этого вида ПЗУ осуществляется на заводах, вследствие этого изготовление в мелких и средних объемах невыгодно и довольно неудобно. Но при крупносерийном производстве они являются самым дешевым среди всех постоянных запоминающих устройств, что и обеспечило им популярность.

Схематически от общей массы отличаются тем, что в запоминающей матрице соединения проводников заменены плавкими перемычками, изготовленные из поликристаллического кремния. На стадии производства создаются все перемычки, и компьютер считает, что везде записаны логические единицы. Но во время подготовительного программирования подаётся повышенное напряжение, с помощью которого оставляют логические единицы. При подаче низких напряжений перемычки испаряются, и компьютер считывает, что там логический нуль. По такому принципу действуют программируемые постоянные запоминающие устройства.

Энергозависимая и энергонезависимая память

ОЗУ является энергозависимой памятью. Это означает, что информация, временно хранящаяся в модуле, стирается при перезагрузке или выключении компьютера. Поскольку информация хранится на транзисторах с электрическим питанием, при отключении электрического тока данные исчезают. Каждый раз, когда вы запрашиваете файл или информацию, они извлекаются из хранилища компьютера или из Интернета. Данные хранятся в ОЗУ, поэтому каждый раз при переключении из одной программы или страницы на другую, информация моментально становится доступной. Когда компьютер выключается, память очищается, пока процесс не начнется снова. Пользователи могут легко изменять, модернизировать или расширять энергозависимую память. Узнайте, требуется ли вашему компьютеру больше памяти.

ПЗУ является энергонезависимой памятью. Это означает, что информация хранится на микросхеме постоянно. Для хранения данных этой памяти не нужно электропитание, данные записываются в отдельные ячейки памяти в форме двоичного кода. Энергонезависимая память используется для неизменяемых компонентов компьютера, например, для загрузочной части программного обеспечения или служебных команд встроенного ПО, которые запускают принтер. Выключение компьютера никак не влияет на ПЗУ. Пользователи не могут изменять энергонезависимую память.

По разновидностям микросхем ПЗУ

Исторические типы ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках , музыкальных шкатулках, часах с боем.

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	баран	ПЗУ
основной	Это память чтения-записи.	Это только для чтения памяти.
использование	Используется для хранения данных, которые в данный момент должны временно обрабатываться процессором.	В нем хранятся инструкции, необходимые во время начальной загрузки компьютера.
летучесть	Это летучая память.	Это энергонезависимая память.
Стенды для	Оперативная память.	Только для чтения памяти.
модификация	Данные в ПЗУ могут быть изменены.	Данные в ПЗУ не могут быть изменены.
Вместимость	Объем оперативной памяти от 64 МБ до 4 ГБ.	ПЗУ сравнительно меньше ОЗУ.
Стоимость	RAM – более дорогая память.	ПЗУ сравнительно дешевле ОЗУ.
Тип	Типы оперативной памяти: статическая и динамическая.	Типы ПЗУ: ПРОМ, СППЗУ, ЭСППЗУ.

Определение ПЗУ

ПЗУ доступно только для чтения . Данные в ПЗУ могут быть прочитаны только процессором, но их нельзя изменить. ЦП не может напрямую обращаться к памяти ПЗУ, данные сначала должны быть переданы в ОЗУ, а затем ЦП может получить доступ к этим данным из ОЗУ.

В ПЗУ хранится инструкция, необходимая компьютеру во время начальной загрузки (процесс загрузки компьютера). Содержимое в ПЗУ не может быть изменено. ПЗУ является энергонезависимой памятью, данные внутри ПЗУ сохраняются даже при отключении питания ЦП.

Емкость ПЗУ сравнительно меньше, чем ОЗУ, она медленнее и дешевле, чем ОЗУ. Существует много видов ПЗУ:

PROM : программируемое ПЗУ, оно может быть изменено пользователем только один раз.

EPROM : стираемое и программируемое ПЗУ, содержимое этого ПЗУ может быть стерто с помощью ультрафиолетовых лучей, а ROm может быть перепрограммирован.

ЭСППЗУ : электрически стираемое и программируемое ПЗУ, оно может быть стерто электрически и перепрограммировано около десяти тысяч раз.

Постоянная память (или PMem) — это новый тип технологии памяти, который обеспечивает хранение содержимого через циклы электропитания и может использоваться в качестве хранилища верхнего уровня. Поэтому вы можете слышать людей, которые ссылаются на PMem как на "память класса хранения" или SCM. эта статья содержит сведения о энергонезависимой памяти и о том, как развернуть ее в качестве верхнего уровня хранилища в Azure Stack хЦи и Windows Server.

Что такое постоянная память?

Постоянная память — это тип съемного носителя, который подходит для стандартного гнезда DIMM (памяти). Это медленнее DRAM, но обеспечивает более высокую пропускную способность, чем SSD и NVMe. По сравнению с DRAM модули постоянного обмена памятью имеют гораздо больше емкости и менее затратны на ГБ, однако они все еще более дороги, чем NVMe. Содержимое памяти остается даже при отключении питания системы в случае непредвиденных потерь питания, завершения работы, инициированного пользователем, или сбоя системы. Это означает, что модули энергонезависимой памяти можно использовать как Ultra-Fast, постоянное хранилище.

Azure Stack хЦи и Windows Server 2019 поддерживают использование постоянной памяти в качестве диска кэша или емкости. Однако, учитывая модель ценообразования, постоянная память предоставляет наибольшее значение в виде кэша или в виде небольшого объема выделенного хранилища для данных сопоставления памяти. В большинстве случаев накопители в энергонезависимом объеме памяти будут автоматически использоваться в качестве дисков кэша, и в качестве дисков емкости будут использоваться все более медленные диски. Дополнительные сведения о настройке дисков кэша и емкости см. в статье Общие сведения о кэше пула носителей и планировании томов.

Основные понятия энергонезависимой памяти

в этом разделе описываются основные понятия, которые необходимо знать для развертывания энергонезависимой памяти в Windows Server и Azure Stack средах хЦи для сокращения узких мест ввода-вывода и повышения производительности.

Методы доступа

Существует два способа доступа к энергонезависимой памяти. К ним относятся:

Блокировать доступ, который действует как хранилище для совместимости приложений. В этой конфигурации данные проходят через стек файловой системы и хранилища в нормальном режиме. Эту конфигурацию можно использовать в сочетании с NTFS и ReFS, поэтому рекомендуется для большинства вариантов использования.
Прямой доступ (DAX), который действует как память для получения наименьшей задержки. DAX можно использовать только в сочетании с NTFS. Если вы не используете DAX правильно, возможны потери данных. Настоятельно рекомендуется использовать DAX с включенной таблицей преобразования блоков (БТТ) для снижения риска разорванных операций записи. Дополнительные сведения см. в разделе изучение и настройка DAX.

DAX не поддерживается в средах ХЦИ Azure Stack. Azure Stack ХЦИ поддерживает только блочный доступ с включенным БТТ.

Регионы

Регион — это набор из одного или нескольких модулей энергонезависимой памяти. Регионы часто создаются в виде наборов с чередованием , в которых несколько постоянных модулей памяти отображаются в виде одного логического виртуального адресного пространства для увеличения пропускной способности. Чтобы увеличить доступную пропускную способность, соседние виртуальные адреса распределяются по нескольким модулям энергонезависимой памяти. Регионы обычно можно создавать в BIOS серверной платформы.

пмемдискс

Чтобы использовать постоянную память в качестве хранилища, необходимо определить по меньшей мере один пмемдиск, который является виртуальным жестким диском (VHD) на узле, который перечисляет как пмемдиск внутри виртуальной машины. Пмемдиск — это непрерывно разрешаемый диапазон энергонезависимой памяти, который можно рассматривать как раздел жесткого диска или LUN. вы можете создать несколько пмемдискс с помощью командлетов Windows PowerShell, чтобы разделить доступную необработанную емкость. каждый модуль энергонезависимой памяти содержит метку служба хранилища области (LSA), в которой хранятся метаданные конфигурации.

Блокировать таблицу преобразования

В отличие от твердотельных накопителей, модули энергосбережения не защищают от "разорванных операций записи", которые могут возникать в случае сбоя питания или отключения системы, путем размещения данных под угрозой. БТТ уменьшает этот риск, предоставляя семантику обновления атомарных секторов для устройств энергонезависимой памяти, тем самым позволяя выполнять операции записи секторов подобного типа, чтобы приложения могли избежать смешивания старых и новых данных в сценарии сбоя. Настоятельно рекомендуется включать БТТ практически во всех случаях. Так как БТТ является свойством Пмемдиск, он должен быть включен при создании Пмемдиск.

В режиме блокировки доступа рекомендуется использовать БТТ, так как все данные будут использовать семантику блока. БТТ также полезен в режиме DAX, так как в операциях с метаданными все еще используется семантика блоков, даже если в операциях с данными приложения нет. Даже если все операции приложения используют размещенные в памяти файлы с семантикой DAX, то при выполнении операций с метаданными может произойти обрывная запись. Таким образом, включение БТТ остается ценным.

Поддерживаемое оборудование

в следующей таблице показано поддерживаемое оборудование энергонезависимой памяти для Azure Stack хЦи и Windows Server. постоянная память полностью поддерживается в Windows Server 2019, включая дисковые пространства Direct.

Технология энергоустойчивой памяти	Windows Server 2016	Azure Stack хЦи v20H2/Windows Server 2019
NVDIMM-N в постоянном режиме	Поддерживается	Поддерживается
Постоянная память Intel оптане™ контроллера домена в режиме прямого подключения приложения	Не поддерживается	Поддерживается
Постоянная память контроллера домена Intel оптане™ в режиме памяти	Поддерживается	Поддерживается

Постоянная память Intel Оптане контроллера домена поддерживает режимы работы с памятью (volatile) и Direct (постоянные). Чтобы использовать модули энергонезависимой памяти в качестве хранилища, что является основным вариантом использования рабочих нагрузок сервера, необходимо использовать режим Direct приложения. Режим памяти по сути использует постоянную память как более медленную, что обычно не соответствует требованиям к производительности серверных рабочих нагрузок. Режим памяти отличается от DAX, который является постоянным томом хранилища, доступ к которому можно получить с помощью семантики, подобной памяти.

Режим работы часто предварительно настраивается производителем устройства.

При перезапуске системы с несколькими модулями Intel® Оптане™ных модулей памяти в режиме Direct, разделенных на несколько Пмемдискс, вы можете потерять доступ к некоторым или всем связанным дискам логического хранилища. эта проблема возникает в версиях Windows Server 2019, предшествующих версии 1903.

Такая утрата доступа происходит потому, что модуль энергонезависимой памяти не обучен или завершается ошибкой при запуске системы. В этом случае все Пмемдискс на любом модуле энергонезависимой памяти в системе завершится сбоем, включая те, которые физически не соответствуют модулю, в котором произошел сбой.

Чтобы восстановить доступ ко всем Пмемдискс, замените неисправный модуль.

если произошел сбой модуля в Windows Server 2019 версии 1903 или более поздней версии, доступ будет потерян только для пмемдискс, которые физически соответствуют затронутому модулю. другие не затрагиваются.

Настройка энергонезависимой памяти

Если вы используете постоянную память Intel Оптане, следуйте приведенным здесь инструкциям. Если вы используете модули постоянного обмена памятью от другого поставщика, обратитесь к документации.

Чтобы создать Пмемдиск, поддерживающий БТТ, используйте New-VHD командлет:

Расширение VHD должно иметь значение "вхдпмем".

Кроме того, можно преобразовать виртуальный жесткий диск, для которого не включен БТТ, в один из них (и наоборот) с помощью Convert-VHD командлета:

После преобразования новый виртуальный жесткий диск будет иметь тот же GUID пространства имен, что и исходный. Это может привести к проблемам, особенно если они подключены к одной виртуальной машине. Чтобы создать новый идентификатор UUID пространства имен для преобразованного виртуального жесткого диска, используйте Set-VHD командлет:

Общие сведения о чередующихся наборах

Чередующиеся наборы обычно можно создавать в BIOS серверной платформы, чтобы несколько устройств энергонезависимой памяти отображались как один диск для операционной системы узла, увеличивая пропускную способность для этого диска.

Windows Server 2016 не поддерживает чередующиеся наборы модулей энергонезависимой памяти.

Вспомним, что модуль постоянного ОЗУ находится в стандартном гнезде DIMM (памяти), который помещает данные ближе к процессору. Эта конфигурация сокращает задержку и повышает производительность при извлечении. Чтобы еще больше увеличить пропускную способность, два или более постоянных модуля памяти создают n-направленный чередующийся набор операций чтения и записи. Наиболее распространенные конфигурации являются двусторонними или четырьмя-двусторонними.

Для просмотра конфигурации таких логических дисков можно использовать Get-PmemDisk командлет PowerShell следующим образом.

Видно, что логический диск PMem 2 использует физические устройства Id20 и Id120, а логический диск PMem 3 использует физические устройства Id1020 и Id1120.

Чтобы получить дополнительные сведения о наборе с чередованием, который используется логическим диском, выполните Get-PmemPhysicalDevice командлет:

Настройка наборов с чередованием

Чтобы настроить набор с чередованием, выполните Get-PmemUnusedRegion командлет, чтобы проверить все области памяти, которые не назначены логическому диску энергонезависимой памяти в системе:

Чтобы просмотреть все сведения об устройстве PMem в системе, включая тип устройства, расположение, работоспособность и рабочее состояние и т. д., выполните Get-PmemPhysicalDevice командлет:

Так как у нас есть доступный неиспользуемый регион PMem, можно создать новые диски энергонезависимой памяти. Можно использовать неиспользуемый регион для создания нескольких дисковых накопителей с энергонезависимой памятью, выполнив следующие командлеты:

После этого результаты можно увидеть, выполнив следующую команду:

Стоит отметить, что для получения тех же результатов можно использовать Get-PhysicalDisk | Where MediaType -eq SCM вместо Get-PmemDisk . недавно созданный диск энергонезависимой памяти соответствует дискам, которые отображаются в PowerShell и в центре администрирования Windows.

Замена энергонезависимой памяти

Если необходимо заменить неисправный модуль, необходимо повторно выполнить инициализацию диска PMem (см. действия, описанные выше).

При устранении неполадок может потребоваться использовать Remove-PmemDisk . Этот командлет удаляет конкретный диск энергонезависимой памяти. Мы можем удалить все текущие диски с энергонезависимой памятью, выполнив следующие командлеты:

Удаление постоянного диска памяти приводит к утере данных на этом диске.

Может потребоваться Initialize-PmemPhysicalDevice другой командлет. Этот командлет инициализирует области хранения меток на физических устройствах энергонезависимой памяти и может очищать поврежденные сведения о хранилище меток на устройствах.

Initialize-PmemPhysicalDevice вызывает потери данных в энергонезависимой памяти. Используйте его только в качестве последнего средства для исправления постоянных проблем, связанных с памятью.

Постоянная память в действии на Microsoft Ignite 2018

Чтобы ознакомиться с некоторыми преимуществами энергонезависимой памяти, рассмотрим это видео от Microsoft Ignite 2018.

Любая система хранения, обеспечивающая отказоустойчивость, обязательно создает распределенные копии операций записи. Такие операции должны пройти по сети и повысить эффективность внутренний трафик записи. По этой причине абсолютные значения производительности операций ввода-вывода в секунду обычно достигаются за счет измерения только для чтения, особенно если в системе хранения используются стандартные оптимизации для чтения из локальной копии, когда это возможно. дисковые пространства Direct оптимизирована для этого.

При измерении с использованием только операций чтения кластер доставляет 13 798 674 операций ввода-вывода в секунду.

При внимательном просмотре видео вы заметите, что еще более жав — задержка. даже при более чем 13,7 м в секунду, файловая система в Windows сообщает о задержке, которая постоянно меньше 40 μс! (Это символ в микросекундах, одна миллионная доля секунды.) Эта скорость является последовательностью более быстрой, чем распространенные поставщики Flash, которые в настоящее время объявляются сегодня.

кроме того, дисковые пространства Direct в Windows Server 2019 и Intel® оптане™ постоянный объем памяти контроллера домена доставил рекордную производительность. Этот ХЦИный тест производительности свыше 13.7 M операций ввода-вывода, сопровождаемый прогнозируемой и крайне низкой задержкой, является более чем удвоенным предыдущим, ведущим в отрасли показателями производительности 6.7 M операций ввода-вывода в секунду. Более того, на этот раз нам потребовалось всего 12 узлов сервера — 25% меньше, чем раньше.

Читайте также: