3.2.2 Η κεντρική μνήμη

Για να εκτελεστεί ένα πρόγραμμα θα πρέπει οι εντολές του να βρίσκονται στην κεντρική μνήμη. Η ιδέα να κατασκευαστούν υπολογιστές στην κεντρική μνήμη των οποίων να καταχωρίζονται εντολές και δεδομένα ανήκει στον Von Neumann και γι’ αυτό το λόγο οι υπολογιστές που μελετάμε λέμε ότι είναι αρχιτεκτονικής Von Neumann.

Η κεντρική μνήμη χρησιμοποιείται για την αποθήκευση: α) προγραμμάτων, δηλαδή ακολουθιών εντολών β) δεδομένων προς επεξεργασία, και γ) αποτελεσμάτων της εκτέλεσης των προγραμμάτων. Η μνήμη αποτελείται από έναν αριθμό κυττάρων ή κελιών. Κάθε κύτταρο έχει μια διεύθυνση και ένα περιεχόμενο. Η διεύθυνση (address) είναι ένας αριθμός μέσω του οποίου μπορούμε να αναφερόμαστε στο συγκεκριμένο κύτταρο μνήμης. Εάν έχουμε Ν κύτταρα μνήμης οι διευθύνσεις τους είναι 0, 1, 2,…, Ν-2, Ν-1. Μπορούμε, έτσι, να πούμε ότι κάθε κύτταρο μνήμης αποτελεί μια θέση μνήμης.

Σχήμα 3.2 Η κεντρική μνήμη

Μέσα σε κάθε κύτταρο μνήμης μπορεί να καταχωριστεί ένας δυαδικός αριθμός σταθερού μήκους που παριστάνει είτε μια εντολή προγράμματος είτε ένα δεδομένο. Το μήκος αυτό εξαρτάται από τον υπολογιστή. Συνήθεις τιμές είναι 8, 16, 32, 64 bit. Πρέπει να κάνουμε σαφή διάκριση ανάμεσα στη διεύθυνση μιας θέσης μνήμης (ενός κυττάρου μνήμης) και στο περιεχόμενο της θέσης (βλέπε Σχήμα 3.2).

Κύρια χαρακτηριστικά της κεντρικής μνήμης είναι:

Η χωρητικότητα (storage capacity). Είναι ένας ακέραιος θετικός αριθμός που δηλώνει το μέγιστο πλήθος δυαδικών ψηφίων που μπορεί να αποθηκεύσει η κεντρική μνήμη. Εάν κάθε κύτταρο μνήμης διαθέτει 8 θέσεις για αποθήκευση δυαδικών ψηφίων (bit), τότε κάθε κύτταρο μνήμης έχει χωρητικότητα 1 byte και τότε η χωρητικότητα της μνήμης εκφρασμένη σε KB ή σε MB δηλώνει ταυτόχρονα και τον αριθμό θέσεων ή κυττάρων μνήμης. Οι σύγχρονοι υπολογιστές έχουν κεντρική μνήμη δεκάδων έως χιλιάδων MB.

Ο χρόνος προσπέλασης (access time). Είναι το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από τότε που θα απαιτηθεί η ανάγνωση ή η εγγραφή ενός κυττάρου μνήμης μέχρι την πραγματοποίηση της αντίστοιχης λειτουργίας. Στους σύγχρονους υπολογιστές ο χρόνος προσπέλασης των κεντρικών μνημών είναι της τάξης των 30 nsec.

Ο χρόνος κύκλου (cycle time). Είναι το ελάχιστο δυνατό χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών αναφορών (ανάγνωση ή εγγραφή) στη μνήμη. Η τιμή του χρόνου αυτού συνήθως δεν διαφέρει πολύ από το χρόνο προσπέλασης, όμως συγκριτικά ο χρόνος κύκλου είναι κατά τι μεγαλύτερος.

Το εύρος ζώνης (memory bandwidth). Ορίζεται ως η μέγιστη δυνατή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων από ή προς τη μνήμη. Η μονάδα μέτρησης του εύρους ζώνης εκφράζεται σε Mbit/sec.

Κύρια χαρακτηριστικά της κεντρικής μνήμης: - Η χωρητικότητα - Ο χρόνος προσπέλασης - Ο χρόνος κύκλου - Το εύρος ζώνης

1 KB = 1024 byte = = 8192 bit 1MB = 1024 KB 1GB = 1024 MB

Τα είδη της κεντρικής μνήμης είναι: Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Memory - RAM). Είναι η μνήμη στην οποία μπορούμε και να γράψουμε και να διαβάσουμε δυαδικά ψηφία (read - write memory). Το περιεχόμενό της διατηρείται όσο ο υπολογιστής βρίσκεται σε λειτουργία. Χαρακτηριστικό αυτής της μνήμης είναι ότι όλες οι θέσεις της απαιτούν τον ίδιο χρόνο προσπέλασης. Ο χρόνος προσπέλασης και ο χρόνος κύκλου δεν εξαρτώνται από τη διεύθυνση της θέσης της μνήμης.

Μνήμη Μόνο για Ανάγνωση (Read Only Memory - ROM) Είναι η μνήμη που γράφεται εφάπαξ και στη συνέχεια μπορούμε μόνο να διαβάζουμε το περιεχόμενο της κάθε θέσης, χωρίς να μπορούμε να το τροποποιήσουμε. Οι μνήμες ROM χρησιμοποιούνται για να αποθηκεύονται από τον κατασκευαστή του υπολογιστή μικροπρογράμματα που δεν χρειάζεται να αλλαχτούν στη συνέχεια. Τέτοια μικροπρογράμματα είναι συνήθως ένα μικρό μέρος του λειτουργικού συστήματος του υπολογιστή, απαραίτητο κατά τη διαδικασία εκκίνησης. Εννοείται ότι το περιεχόμενο της ROM, σε αντίθεση με εκείνο της RAM, δεν σβήνεται ούτε όταν ο υπολογιστής είναι κλειστός. Υπάρχουν, όμως, κάποια είδη ROM που επιτρέπουν τον προγραμματισμό τους όχι μόνο από τον κατασκευαστή του υπολογιστή αλλά και από τους χρήστες. Αυτά είναι: - Προγραμματιζόμενες Μνήμες μόνο για Ανάγνωση (Programmable Read Only Memories - PROM). Ο χρήστης μπορεί να "γράψει" το πρόγραμμά του, δηλαδή τους κατάλληλους συνδυασμούς 1 και 0, χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή, που είναι γνωστή ως προγραμματιστής PROM. Η PROM μπορεί να προγραμματιστεί μόνο μια φορά. - Απαλείψιμες Προγραμματιζόμενες Μνήμες μόνο για Ανάγνωση (Erasable Programmable Read Only Memories - EPROM). Οι EPROM μπορούν να προγραμματιστούν πολλές φορές. Προκειμένου να προγραμματιστούν ξανά εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία για 20 λεπτά περίπου, οπότε και απαλείφονται τα περιεχόμενά τους (γίνονται όλα τα δυαδικά τους ψηφία 1) και με τη βοήθεια ειδικής συσκευής προγραμματίζονται πάλι. Η χρήση της EPROM είναι ευρεία, διότι επιτρέπει στους κατασκευαστές υπολογιστών να πειραματιστούν με αυτήν και να διορθώσουν οποιοδήποτε πρόβλημα παρουσιαστεί, πριν το προϊόν τους προωθηθεί στην αγορά. Εκτός από αυτό και οι εξειδικευμένοι χρήστες μπορούν να προγραμματίσουν τη μνήμη, γεγονός που τους επιτρέπει να αλλάξουν ορισμένα στοιχεία τα οποία αυτοί κρίνουν απαραίτητα. Ο προγραμματισμός της πραγματοποιείται από μια ειδική συσκευή, η οποία είναι γνωστή ως προγραμματιστής EPROM.

Η κεντρική μνήμη ανάλογα με την τεχνολογία κατασκευής της έχει συγκεκριμένες ιδιότητες και χαρακτηρίζεται ως: α) Πτητική (Volatile), όταν χάνει το περιεχόμενό της με τη διακοπή παροχής ηλεκτρικού ρεύματος που την τροφοδοτεί. β) Απαλείψιμη (Erasable), όταν το περιεχόμενό της μπορεί να τροποποιηθεί. γ) Δυναμική (Dynamic), όταν πρέπει το περιεχόμενό της να ανανεώνεται (refreshed) περιοδικά, γιατί εξασθενεί με το χρόνο. δ) Στατική (Static), όταν το περιεχόμενό της διατηρείται όσο υπάρχει παροχή ηλεκτρικού ρεύματος και τροποποιείται μόνο από λειτουργία εγγραφής στη συγκεκριμένη θέση μνήμης. Οι στατικές μνήμες χαρακτηρίζονται από μικρό χρόνο προσπέλασης και από μεγάλη αξιοπιστία, ενώ οι δυναμικές από μεγάλη χωρητικότητα και χαμηλό κόστος αποθήκευσης ανά μονάδα πληροφορίας. Οι ιδιότητες αυτές δεν αποκλείουν η μια την άλλη. Έτσι, για παράδειγμα, μια μνήμη μπορεί να είναι πτητική και απαλείψιμη.

Τέλος, απαραίτητο στοιχείο του κεντρικού μέρους των σύγχρονων υπολογιστών είναι και η ονομαζόμενη λανθάνουσα μνήμη (cache memory). Η μνήμη αυτή είναι ταχύτερη και ακριβότερη των κεντρικών μνημών, παρεμβάλλεται μεταξύ της ΚΜΕ και της RAM και συμβάλλει στην αύξηση της ταχύτητας εκτέλεσης των προγραμμάτων από την ΚΜΕ.