Úvod do paměti počítače: vnitřní paměti

Pokud porovnáme pojetí paměti na Harvardské a von Neumannově architektuře, je možné nalézt zcela zásadní rozdíl především v tom, že v druhém případě je paměť pro programy a data společná. Jde o zcela zásadní rys, který dělí počítače od jednoduchých herních konzolí či starších mobilních telefonů, u kterých je toto rozdělení stále zachováno. Pochopení toho, že u počítače jsou data a programy považovány v zásadě za jednu entitu a jsou umístěné ve společné paměti, je jedním z důležitých předpokladů, které vedou k pochopení, jak počítače fungují. 

My se v následujícím článku pokusíme – alespoň stručně – představit základní rozdělení pamětí, a to jak podle toho, zda jde o paměť vnější či vnitřní, tak také podle způsobu záznamu dat a jejich čtení. Osobně se domnívám, že by podobným způsobem zpracovaná problematika neměla v gymnaziálním kurzu informatiky chybět, neboť dává základní vhled do principu práce samočinných počítačů.

Rozdělení na základě zápisu dat u elektronických pamětí

První rozčlenění pamětí, na které se podíváme, je podle toho, zda je možné z ní pouze číst nebo také zapisovat (a kolikrát). Historicky je možné mluvit o následujících druzích. 

ROM (Read-Only Memory) je druh paměti, který má obsah již předem vytvořeným od výrobce a nelze jej později měnit. Data jsou tedy mechanicky zanesená v paměti přímo během výroby. Dnes se ještě ojediněle používají pro uložení firmware, ale i v této oblasti jsou vytlačovány paměťmi typu Flash.

PROM (Programmable Read-Only Memory) je druh paměti velice podobné ROM s tím rozdílem, že programování provádí sám uživatel, ale je možné pouze jednou. Dnes se v podstatě nepoužívá. Dříve se vyráběla spíše okrajově a měla vždy relativně malou kapacitu.

EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) nahradila paměť PROM, neboť umožňovala opakovaný přepis dat (nikoliv však mnohonásobný). Po běžném záznamu bylo možné paměť pomocí UV záření zcela vymazat a nahrát na ni nový obsah.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) umožňuje mazání obsahu (opět kompletního) elektrickým napětím. Je přepisovatelná vícekráte. Využívá se v ní technologie tranzistorů MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Dnes se využívá spíše méně, jako úložiště firmware či BIOSu.

Dnes jsou všechny tyto paměti postupně nahrazovány pamětí typu Flash, která je levná, rychlá a umožňuje opakovaný přepis. Její výhodou je, že při přepisu je nutné smazat jen jeden segment nikoli celou paměť. Nástup této technologie je viditelný také v dalších oblastech. Například SSD disky, které jsou na ní založeny, začínají vytlačovat klasické pevné disky, které využívají magnetický záznam dat. Flash disky do určité míry nahradily ZIP či JAZZ disky, diskety, ale také přepisovatelná optická média, jako je DVD-RAM, DVD-RW, CD-RW a mnohé další. O této technologii se podrobněji zmíníme později.

Vnitřní paměti

Vnitřní paměti jsou ty, ke kterým má procesor přímý přístup. Je možné je přímo adresovat. Do této skupiny se ale řadí také ty paměti, které jsou uložené na některých samostatných zařízeních, jako je paměť u grafických karet, cache paměť u různých procesorů a koprocesorů, pevných disků atp. Pokud jde o obecnou charakteristiku, tak je možné říci, že většina z nich je dynamických (dnes již v podstatě všechny) a energeticky závislých. Oproti vnějším pamětem mají pak podstatně vyšší cenu za bit a menší kapacitu.

V následujícím přehledu budeme postupovat od těch nejmenších a nejvýkonnějších pamětí k těm pomalejším a levnějším.

Registry

Registry, které jsou součásti procesoru, jsou malé paměťové bloky intenzivně využívané pro výpočty. Někdy se mluví ještě o tzv. akumulátorech, které jsou ještě menší (jen na jedno slovo). Běžná kapacita registrů je mezi 8 až 64 bity. Každý registr má své jméno a specifickou funkci, pro kterou je určený. Nejde tedy o obecně funkční paměti tak, jak je známe z pevných disků či RAM. Ke každému z nich má procesor přímý přístup.

Pro ilustraci můžeme uvést některé nejznámější druhy registrů:

• Datové registry jsou používány pro uložení číselných hodnot.
• Konstantní registry – obsahují hodnotu konstant, jako je nula, jednička či pí.
• Adresové registry v sobě uchovávají adresy.
• Podmínkové registry obsahují informaci o tom, zda byla splněna nějaká podmínka. 

Existuje pak samozřejmě celá řada uživatelských či speciálních registrů. Nejznámější jsou především:

• AX — Accumulator, neboli střadač
• BX — Base, neboli bázový registr
• CX — Counter, neboli počítač cyklů
• DX — Data, neboli datový registr
• SP — Stack Pointer obsahuje offset adresy vrcholu zásobníku. 
• IF — Interrupt Flag
• ZF — Zero Flag
• DS — Data Segmen
• CS — Code Segment

Názvy zásobníků, jejich velikost a význam se mohou procesor od procesoru lišit. Žáci by si ale mohli odnést představu, k čemu je možné registry používat – pro ukládání adresy, číselné či pravdivostní hodnoty, pro práci se zásobníkem, zpracování části kódu nebo pro práci s různými příznaky (Flags). Pomocí registrů je pak možné provádět jednotlivé instrukce, které nejsou téměř ničím jiným než jednoduchými manipulacemi s jejich obsahem.

Cache

Cache je vyrovnávací paměť, která se umísťuje mezi dvě zařízení, která nepracují stejnou rychlostí. Touto pamětí se dosáhne toho, že rychlejší zařízení nemusí čekat na to pomalejší. Příkladem může být cache u procesoru, která se snaží vyrovnat rychlost mezi CPU a RAM. Je tvořena bistabilními klopnými obvody vyrobenými z polovodičových tranzistorů.

U procesoru se rozlišuje několik úrovní této paměti, a to v závislosti na tom, kolik jader procesor používá. L1 má velikost v řádu stovek kilobajtů a je určena pro každé jádro zvlášť. Je nejrychlejší. L2 má kapacitu obvykle 1–2 MB, může být sdílena dvěma jádry a je o něco pomalejší. U moderních procesorů se používá ještě L3, která je ještě pomalejší a je společná pro všechna jádra. Cache nejen že vyrovnává rychlost, ale umožňuje také výměnu dat mezi jednotlivými jádry, což by na úrovni registrů nebylo možné.

Cache používá také pevný disk – nejčastěji má kapacitu v řádu jednotek megabajtů. Slouží pro vyrovnání rozdílů mezi rychlou pamětí RAM a pevným diskem. Ten do ní může umístit souvislou část obsahu disku (více segmentů), neboť je pravděpodobné, že je paměť bude v nejbližší době potřebovat.

Velikost této paměti a složitost algoritmu na její správu do velké míry určují cenu zařízení. Obecně platí, že serverové disky a procesory mají tuto paměť podstatně větší než osobní počítače. Někdy je možné mluvit také o softwarové cache paměti, která je realizována nikoli na úrovni hardwaru, ale aplikací.

Operační paměť (RAM)

V dnešní době mají operační paměti kapacitu v řádu stovek megabajtů či jednotek gigabajtů. Slouží pro ukládání aktuálně používaných dat a aplikací – jsou podstatně rychlejší než pevný disk (rozdíl je až na úrovni tří řádů), ale pomalejší nežli registry či cache. Aktuálně jsou již řešeny výhradně pomocí dynamických pamětí, ke kterým má procesor přímý přístup pomocí sběrnice.

Operační paměť se obvykle dělí na bloky, které mohou být pevné či proměnné délky. Ty jsou pak jako celek přenášeny buď na disk, nebo do cache paměti. Označení RAM udává, že doba přístupu k libovolnému paměťovému bloku je stejně dlouhá.

Jednotlivé paměťové moduly mohou pracovat na různé frekvenci a přenášet různě dlouhé paměťové bloky. Tyto parametry do velké míry ovlivňují rychlost RAM. Jelikož jde o energeticky závislé médium, s narůstající kapacitou roste také spotřeba elektrické energie. Mezi dnes nejpoužívanější patří DDR2, DDR3 a postupně se prosazují také DDR4 či RIMM. Jednotlivé moduly se liší také sběrnicí, kterou používají. K tomu, aby bylo možné určitý druh paměti použít, je třeba podpora procesoru a základní desky.

Závěr

Vnitřní paměti patří mezi základní témata, o kterých je třeba v oblasti hardwarové výbavy počítače hovořit. Jejich pochopení dává nahlédnout, jakým způsobem pracuje celý počítač. V následujícím článku se podíváme podrobněji na vnější paměti, které jsou pro většinu žáků o něco názornější.