Память изнутри
По мотивам главы 9 учебника Д. В. Фомина "Основы компьютерной электроники". См. также Физические компоненты и Цифровой сигнал.
Память компьютера — несколько видов устройств. У каждого своя скорость, цена и главное правило — сохраняются ли данные, когда выключили питание.
Ячейка памяти — один бит
Минимальный элемент — ячейка, хранящая 1 бит (0 или 1).
Ячейки объединяют в матрицу (строки и столбцы). Чтобы прочитать бит, процессор посылает адрес — номер строки и столбца, как координаты в таблице.
Если в микросхеме n адресных линий, адресов может быть до 2ⁿ. Например, 8 линий → 256 ячеек (в простейшем случае одного бита).
Оперативная и постоянная память
| Класс | Русское название | Питание выключили |
|---|---|---|
| RAM | ОЗУ (оперативная) | Данные теряются |
| ROM / Flash | ПЗУ, флеш | Данные остаются |
Метафора из статьи про компоненты:
- RAM — рабочий стол (то, с чем работаете прямо сейчас)
- SSD / Flash — шкаф с папками (долговременное хранение)
ОЗУ (RAM)
ОЗУ хранит то, с чем программа работает в данный момент:
- открытые вкладки браузера
- несохранённый документ
- игровой мир в памяти
SRAM (статическая)
- ячейка — триггер (схема-память на транзисторах)
- бит держится, пока включено питание, без постоянного обновления
- быстрая, дорогая, мало ёмкости
- используется в кэше процессора (L1, L2, L3)
DRAM (динамическая)
- ячейка — транзистор + конденсатор (заряд = 1, разряд = 0)
- заряд утекает — контроллер обновляет (регенерирует) ячейки тысячи раз в секунду
- дешевле и ёмче — планки RAM в ПК
DDR (Double Data Rate) передаёт данные по обоим фронтам тактового импульса. Отсюда названия DDR4, DDR5.
ПЗУ и Flash
ПЗУ (ROM) хранит то, что должно пережить выключение:
- BIOS/UEFI — инструкции загрузки при включении
- прошивки устройств
- загрузчик ОС на встроенной памяти
Виды постоянной памяти (от редкой перезаписи к частой):
| Тип | Особенность |
|---|---|
| ROM / маскированное ПЗУ | Записано на заводе |
| PROM | Перезапись один раз ("прожигание" перемычек) |
| EPROM | Стереть ультрафиолетом, записать снова |
| EEPROM / Flash | Стереть и записать электрически, много раз |
SSD и флешка — NAND Flash. Миллиарды транзисторов с плавающим затвором удерживают заряд без питания.
Что где в обычном ПК
| Устройство | Тип памяти | Скорость | Ёмкость |
|---|---|---|---|
| Кэш L1–L3 | SRAM | Очень высокая | Килобайты–мегабайты |
| RAM | DRAM | Высокая | 8–64 GB типично |
| SSD | NAND Flash | Средняя | 256 GB – 2 TB |
| HDD | Магнитные пластины | Ниже SSD | Большие объёмы дёшево |
Ёмкость и разрядность шины
Микросхему памяти описывают двумя числами:
- сколько адресов (строк × столбцов)
- сколько бит отдаётся за одно обращение (1, 8, 16…)
Пример из учебника: 8 адресных линий и 8 бит данных → 8 × 2⁸ = 2048 бит = 2 Кбит — учебная схема. В реальном SSD — терабайты.
Память и программы
- Мало RAM — ОС сбрасывает данные на диск (файл подкачки) → всё тормозит
- Несохранённый файл в блокноте сидит в RAM → при выключении без сохранения пропадает
- Сохранили на диск — данные попали в Flash/HDD → переживут перезагрузку
В Python переменная живёт в RAM, пока работает программа. Запись в файл — сохранение на диск — см. Программа на Python и Lab: файлы.
Мини-задания
1. Выключили компьютер посреди игры без сохранения. Что пропало — уровень на диске или прогресс в RAM?
Ответ: прогресс в RAM, если игра не успела записать save-файл.
2. Почему процессору нужен кэш, когда есть RAM?
Ответ: кэш ближе и быстрее — CPU реже ждёт данные.
3. BIOS на материнской плате — ОЗУ или ПЗУ?
Ответ: ПЗУ (Flash) — работает до загрузки Windows.