Машинна пам'ять

Ульяновський державний технічний університет

Кафедра: "Обчислювальна техніка"

Введення

Впровадження в практику техніки переробки інформації різних класів обчислювальних машин є характерною рисою сучасного етапу науково-технічного прогресу. Область застосування обчислювальної техніки безперервно зростає, розробляються нові обчислювальні машини з поліпшеними параметрами. У них вже сьогодні закладаються деякі принципи, характерні для побудови та роботи мозку - найскладнішого і загадкового з відомих нам творінь природи.

Електронні обчислювальні машини наступних поколінь за своїми функціональними характеристиками, можливо, з деякими припущеннями будуть порівнянні з пам'яттю людини. Такий машині буде достатньо поставити завдання, і вона сама визначить, як її вирішувати. Критеріями її "розумових здібностей" будуть обсяг пам'яті, можливість утворення логічних ланцюгів, здатність до цілеспрямованому поведінки в незнайомій інформаційному середовищі та інші не менш важливі якості. Такі машини можна буде порівнювати з мозком людини не тільки за принципом побудови, але й за кількістю запам'ятовувати інформацію.

Сьогодні вдосконалення обчислювальних машин перебуває в прямій залежності від розвитку і вдосконалення пристроїв пам'яті, основними показниками якої є ємність, швидкодія, надійність роботи, економічність.

При створенні будь-обчислювальної системи найбільш складною і, як правило, проблемної завданням є створення пристроїв як внутрішньої, так і зовнішньої пам'яті. У останні роки в цій галузі були досягнуті значні успіхи завдяки розробкам нових електронних приладів, нових структур обчислювальних пристроїв і систем математичного забезпечення.

Своїми успіхами техніка зберігання і обробки інформації в значній мірі зобов'язана успіхам в області мікроелектроніки і особливо в розробці великих і надвеликих інтегральних схем. Однак, як це можна простежити на прикладі напівпровідникової техніки, лише інтеграція елементів в силу ряду причин не забезпечує позитивного результату. Мікроелектроніка в своєму розвитку може незабаром зіткнутися з низкою проблем, які стануть своєрідним гальмом на шляхи подальшого розвитку інтегральних схем пам'яті, надійності їх роботи. Очевидно, перспективи розвитку елементної бази пристроїв зберігання інформації повинні бути пов'язані і з використанням нових середовищ, нових фізичних принципів і явищ, що можу бути покладені в основу створення пристроїв з якісно іншими, більш високими техніко-економічними показниками.

В даний час існують різні види машинної пам'яті. Одні конструктивно-технологічно добре розвинені, інші перебувають на стадії становлення. У той же час інформація про особливості побудови та функціонування елементів пам'яті різних типів запам'ятовуючих пристроїв розосереджена в окремих публікаціях, монографіях, а також в окремих розділах книг з обчислювальної технiки. Таке положення ускладнює ознайомлення з станом і перспективами розвитку цього важливого напрямку інформатики та обчислювальної техніки.

У даному рефераті зроблено спробу узагальнити і систематизувати найбільш важливі відомості про принципи дії, фізичних особливості побудови та інформаційних можливості різних типів запам'ятовуючих пристроїв.

Загальні відомості про пам'ять і запам'ятовуючих пристроях

Інформація та пам'ять

Одна з найдивовижніших здібностей живого організму - здатність сприймати, зберігати й обробляти різноманітну інформацію. Пошук аналогічних якостей, притаманних однаковою мірою і штучним системам, привів до створення нової науки - кібернетики.

Кибернетика у момент свого народження (наприкінці сорокових - на початку п'ятдесятих років нашого століття) привернула загальну увагу головним чином тому, що вказала на подібність процесів управління і зв'язку в машинах та живих організмах, підкреслила, що ці процеси мають інформаційний характер. Об'єкт управління (будь то машина, біологічна система або колектив людей) і управляючий пристрій (нервова тканина живого організму, автомат) обмінюються між собою інформацією.

Між окремими елементами якої-небудь кібернетичної системи і між різними системами існують зв'язку, за допомогою яких вони взаємодіють один з одним. Ці зв'язки можуть полягати в обміні енергією або речовиною між взаємодіючими об'єктами. Однак зв'язку можуть бути і такими, коли на передній план виступає на перетворення енергії, а інформаційне їх зміст, тобто відомості, отримані даним об'єктом про стан інших об'єктів.

Поняття інформації, таким чином, може бути використано для опису поведінки системи: процеси в системі можуть бути описані як процеси перетворення інформації. Такий спосіб опису не тільки можливий, але навіть цілком природний і виправданий. Інформація - це фізична величина, така ж, як, наприклад, енергія або швидкість. Певним чином і в певних умовах інформація рівним чином описує як процеси, що відбуваються в природних фізичних системах, так і процеси в системах, штучно створених. При цьому інформаційні зв'язки здійснюються за допомогою сигналів, які циркулюють в системах. Сигнал - фізичний носій інформації.

Зрозуміло, в різних системах можуть бути різними за своєю природою носії інформації: звукові, світлові, електричні, механічні та ін Однак незалежно від матеріального носія інформації процеси її передачі підкоряються загальним кількісним закономірностям.

Передача інформації по каналу зв'язку. Будь-який канал зв'язку можна розглядати як деяку систему, за якою передається інформація - від входу до виходу (рис. 1). При передачі інформації по каналу зв'язку на неї впливають перешкоди Р. Загалом випадку кількість входів і виходів може бути необмежено великим.

Рис. 1.

Нехай на вхід надходить певний сигнал St. Система реагує на це вплив появою на виході сигналу St, який обов'язково буде запізнюватися по відношенню до вхідного сигналу на деякий час t - час затримки в системі - і обов'язково піддасться певної модифікації. Час затримки t є, як правило, небажаним властивістю каналу і має бути по можливості мінімізовано. З іншого боку, будь-який пристрій зберігання інформації можна розглядати як канал зв'язку, також здійснює передачу інформації з входу на вихід, але одночасно забезпечує затримку цієї інформації на деякій, бажано регульоване час, який можна назвати часом зберігання інформації.

Накопичення інформації.

Здатність до накопичення і зберігання інформації, тобто наявність пам'яті, - однієї з найважливіших властивостей будь-кібернетичної системи, без якого немислимо її доцільне функціонування.

Фізичну систему називають запам'ятовуючим пристроєм (ЗУ) або, в інформаційному сенсі, каналом накопичення, якщо вона має здатність забезпечувати достатньо довгий часовий проміжок між моментами приходу і використання інформації.

Це означає, що сигнал St, що відноситься до моменту часу t, може бути відтворений за допомогою такої системи в будь-яке довільне час t у вигляді сигналу St.

Найпростіша системну модель, що володіє властивістю пам'яті, складається з запам'ятовує середовища, яка включає в загальному випадку безліч елементів, пов'язаних так чи інакше з каналом введення і виведення інформації. Основна властивість такого середовища полягає в здатності фіксувати і зберігати в часі сліди інформаційних впливів, а потім за певних умов частково або повністю відтворювати їх. Для цього необхідно мати певну систему елементів, стан яких можна було б змінити бажаним чином. Ці зміни можуть відбуватися або безперервно, або стрибкоподібно. У першому випадку говорять про запам'ятовуючих елементах аналогового типу, в другому - про елементи дискретного типу.

Необхідний елементний склад запам'ятовує середовища визначає спосіб представлення інформації. У обчислювальної техніки використовуються елементи пам'яті дискретного типу, придатні для запам'ятовування двійкового коду. Такий вибір коду запису обумовлений тим, що у фізичному світі найбільш просто реалізуються системи, володіють двома стійкими станами. Відповідно запам'ятовує Середа повинна містити набір бістабільних елементів, які можуть знаходитися в двох стійких станах. В основі дії таких елементів - принцип статичної зберігання за рахунок вимушеного переходу елемента з одного стану в інший і подальшого тривалого збереження цього стану.

Таким чином, середа - носій інформації - повинна зберігати у вигляді сліду нав'язане їй стан, який в ідеальному накопичувачі має залишитися незмінним у протягом всього даного проміжку часу зберігання. Однак під впливом зовнішніх впливів, а також внутрішніх процесів, властивих будь-якої системи, до початок зчитування інформації стан середовища неминуче змінюється.

Відтворення інформації.

Зчитування (відтворення) інформації - заключний етап процесів пам'яті. При порушення відтворення поведінку системи змінюється так, як якби в пам'ять ній була відсутня.

Для відтворення інформації з пам'яті необхідно активувати певну групу запам'ятовуючих елементів, які складають комірку пам'яті. При цьому активуюча вплив повинна мати таку природу, щоб запам'ятовуючі елементи під його впливом виробляти сигнал, що відповідає його стану. Крім того, воно має бути індиферентним - однаковим для будь-якої комірки незалежно від їх вмісту. Якщо стан запам'ятовуючих елементів однозначно відповідає сигналу, що прийшов на вхід запису, то ця інформація буде відтворено.

При використанні деяких фізичних середовищ зчитуванні призводить до руйнування що зберігається в комірці інформації. У цьому випадку після кожного зчитування необхідно робити запис тієї ж самої інформації в ту ж комірку.

Запис інформації в будь-яку клітинку та її зчитування (з відновленням) з будь-якої комірки пам'яті проводиться за час, що називається періодом обертання. Час, необхідний для зчитування інформації з комірки пам'яті, називають часом відгуку.

Однією з характеристик систем пам'яті є метод пошуку інформації.

Пошук інформації, по суті, зводиться до пошуку відповідних запам'ятовуючих елементів (осередків).

Тип пошуку, при якому відбувається звернення до якої-небудь комірки ЗУ по її номеру незалежно від змісту шуканої інформації, називається адресним. У машинної пам'яті адресний принцип набув найширшого розповсюдження. Але це не єдиний спосіб описка окремих об'єктів інформації.

Інформація може бути обрана й за окремими її ознаками або за деякою відомої її частини. Такий принцип пошуку - його можна назвати асоціативним - характерний, в Зокрема, для біологічних систем. При цьому на вході з'являється деякий ключ - стимул, а на виході пам'яті формується спеціальна відповідна реакція, пов'язана з ключем. Як стимул, так і у відповідь реакція представляють собою складні сигнали - образи. Крім цього на вході може бути вказана додаткова інформація, за допомогою якої можна довше точно конкретизувати елемент, що підлягає вибірці. Зі створенням асоціативних ЗУ докорінно змінюється структура обчислювальних машин і по-новому здійснюється управління складними сигналами.

Мозок і машина

У ході еволюції мозок людини досяг найвищого ступеня досконалості як надзвичайно ефективна інформаційно-керуюча система з винятковою надійністю функціонування. Тому природні і закономірні робляться спроби використовувати досягнення сучасної техніки і технології для моделювання роботи мозку і створення на цій основі принципово нових систем обробки і зберігання інформації. Чи слід очікувати, що з часом люди зможуть наділити керуючі машини штучним мозком, таким же, як головний мозок людини?

Вже створені і знову розробляються машини багато в чому поступаються людині. Хоча вони і вже починають виконувати деякі функції інтелекту людини, вони не здатні мірою мислити як людина, не можуть як людина ставити цілі, які в Надалі повинні бути досягнуті.

Але разом з тим вже зараз вони значно перевершують людину по швидкості виконання обчислювальних і логічних операцій при великому числі логічних змінних. Дуже важливо, що сучасні ЕОМ здатні сприймати і переробляти НЕ тільки числову, а й символьну інформацію. З тих пір, як машини почали оперувати з символьної інформацією, виявився відкритим шлях для розгортання робіт з додання машині здатності до виконання функцій мислячої людини. У цьому сенсі і назва "обчислювальні" по відношенню до ЕОМ є зараз щонайменше умовним, не відображає всіх їхніх можливостей.

Зіставимо можливості сучасної обчислювальної техніки і мозку людини. Порівняння проведемо за трьома найважливішими параметрами: швидкості обробки інформації, ємності пам'яті і надійності функціонування. Для ЕОМ, що використовують цифровий механізм обробки інформації, ці параметри визначаються кількістю арифметичних операцій в секунду, об'ємом (кількістю) інформації, що зберігається в бітах і ймовірністю збереження основних параметрів в заданих межах протягом заданого проміжку часу.

Що стосується роботи мозку, то дати скільки-небудь точну кількісну оцінку цих параметрів не представляється можливим. Вся інформація, що вводиться в пам'ять машини за умови її справного функціонування, запам'ятовується, зберігається і може бути відтворена, тобто відношення кількості відтворювальної інформації до прийнятої дорівнює одиниці. У людини ж кількість відтворювальної інформації, як правило, виявляється менше сприйнятої, тобто спостерігаються деякі втрати інформації, особливо при її фіксації. З іншого сторони людина ніколи не стикається з ситуацією, коли його пам'ять настільки завантажена, що він не здатний сприймати нові порції інформації. Мозок, який поміщений в обмеженому обсязі і містить порожньо дуже велике, але кінцеве число елементів, ніколи не наповнюється інформацією, безперервно надходить з навколишнього середовища. Ця властивість пояснюється, звичайно, не безмежною ємністю пам'яті, а специфікою механізмів, що оберігають людську пам'ять від "переповнення".

За швидкодією (швидкості запису і відтворення інформації) машинна пам'ять значно перевершує пам'ять людини.

Швидкість спрацьовування елементів, на основі яких будуються сучасні ЗУ, визначається в кінцевому рахунку швидкістю протікання електронних процесів, у той час як швидкість спрацьовування біологічних елементів - нервових клітин - визначається швидкістю протікання значно більше інерційних процесів.

Однак просте порівняння за швидкодією мозку людини з машиною навряд чи можна назвати досить наочним, з огляду на ту обставину, що вони характеризуються абсолютно несумірними інформаційними ємностями. Тому будемо вважати обчислювальну потужність мозку рівною потужності ЕОМ, яка буде потрібно, щоб змоделювати його роботу, а обсяг пам'яті - рівним пам'яті ЕОМ, в якій можна записати всю інформацію, збережену в нейронних зв'язках мозку. На згадку машини записуються адреси кінця і початку кожного зв'язку між нейронами, ступінь впливу даного входу на стан нейрона, пороги збудження нейронів і т.д.

Для спрощеної моделі нейрона (рис. 2) передавальна

Рис. 2

функція може бути записана у вигляді S = Sф +