Компютърна памет — определение, битове, байтове и видове

Компютърната памет е област за временно съхранение. В нея се съхраняват данните и инструкциите, от които се нуждае централният процесор (CPU). Паметта е нужна, за да може централният процесор да има бърз и директен достъп до програмите и данните, необходими за изпълнение на задачите. Паметта е необходима във всички компютри.

Компютърът обикновено е двоично цифрово електронно устройство. Двоичен означава, че има само две състояния — включено или изключено, нула или единица. В двоичния цифров компютър се използват транзистори за включване и изключване на електричеството. Паметта на компютъра е изградена от множество електронни елементи (като транзистори и кондензатори), които съхраняват тези два дискретни сигнала.

Битове и байтове

Всяка настройка за включване/изключване в паметта на компютъра се нарича двоична цифра или бит. Група от осем бита се нарича байт. Байтът традиционно се състои от две нибли от по четири бита. Думата бит е съкращение от двоична цифра — тя взема bi от „двоична“ и добавя t от „цифра“. Група от битове образува байт.

Когато се необходима дума за половин байт, често се използва терминът nibble (на английски — „малка хапка“), който представлява 4 бита. Терминът byte е приет и променен в изписването, за да се избегне объркване с други означения.

Единици за съхранение и размери

Байтът е основна единица, но за по-големи количества памет се използват кратни единици:

Килобайт (KB) — обикновено 1 000 байта (децимална) или 1 024 байта (биношна, 2^10).
Мегабайт (MB) — около 10^6 байта или 2^20 = 1 048 576 байта.
Гигабайт (GB) — около 10^9 байта или 2^30 байта.
Терабайт (TB) — около 10^12 байта или 2^40 байта.

За по-точно разграничение в компютърните науки се използват префикси като kibi (KiB = 2^10), mebi (MiB = 2^20) и т.н., за да се отличават двоичните от десетичните стойности.

Видове памет и йерархия

В компютърните системи паметта е организирана в йерархия според бързината и постоянството на съхранение:

Регистри — най-бързата, но много малка по обем памет, вграденa в CPU за временни резултати.
Кеш памет (Cache) — бърза SRAM памет между CPU и оперативната памет, която ускорява достъпа до често използвани данни.
Оперативна памет (RAM) — волатилна памет (обикновено DRAM), използвана за съхранение на работещи програми и данни; губи съдържанието си при изключване на захранването.
Постоянна памет (ROM, flash) — неволатилна памет, съдържаща фърмуер и трайни настройки; не се губи при изключване.
Вторично съхранение — твърди дискове (HDD), SSD, оптични носители и т.н.; предлага голям капацитет, но по-бавен достъп.

Как се използва паметта при изпълнение на програми

Преди да може да се изпълни дадена програма, тя се зарежда от вторичното хранилище (например твърд диск или SSD) в паметта за изпълнение. Това дава възможност на процесора за пряк и бърз достъп до инструкциите и данните. Операционната система управлява разпределението на паметта — кои програми и данни са в RAM, кои са преместени на диск (виртуална памет), както и кеширането за ускоряване на достъпа.

Физически и логически аспекти

Физически паметта е организирана в клетки, всяка с уникален адрес. Процесорът използва тези адреси за четене и запис. Архитектурата определя големината на думата (word size) — например 32-битови или 64-битови системи — което влияе на това колко данни могат да бъдат обработвани наведнъж и на максималния адресуем обем памет.

Други важни понятия:

Адресиране: начинът, по който процесорът намира конкретна клетка в паметта (директно, индексирано, сегментно и др.).
Endianess (ред на байтовете): определя подредбата на байтовете в многобайтови стойности (big-endian срещу little-endian).
Време за достъп и латентност: колко време отнема четенето/записа; паметите по-горе в йерархията обикновено са по-бързи, но скъпи и с по-малък капацитет.

Технологии за реализиране

Най-често използваните технологии включват:

DRAM (Dynamic RAM) — широко използвана за оперативна памет; евтина, но изисква периодично опресняване на съдържанието.
SRAM (Static RAM) — използва се за кешове; по-бърза и по-скъпа, не изисква опресняване.
Flash памет — полупроводникова неволатилна памет, използвана в SSD и флаш устройства.
Механични носители (HDD) — магнитно съхранение, голям капацитет на по-ниска цена, но по-малка скорост в сравнение със SSD.

Практически съображения

При избора и конфигурирането на паметта за конкретна система трябва да се вземат предвид:

Необходимият капацитет за приложенията (игри, виртуализация, сървъри и т.н.).
Съотношението цена/производителност (например повече RAM подобрява многозадачността, докато бърз SSD ускорява достъпа до големи файлове).
Съвместимост с дънната платка и процесора (тип, честота и латентност на паметта).
За критични системи — резервираност и бекъп, използване на ECC памет за корекция на грешки.

Обобщение: Компютърната памет е ключова част от всяка компютърна система. Тя осигурява хранилище за инструкции и данни, позволява бърз достъп на процесора и участва в сложна йерархия от регистри и кешове до вторични устройства. Разбирането на понятия като бит, байт, видове памет и тяхната производителност помага при планиране и оптимизация на компютърни системи.

Символи в паметта

Един байт от паметта се използва за съхраняване на код, който представлява символ, например число, буква или символ. Осем бита могат да съхранят 256 различни кода. Това се смяташе за достатъчно и байтът беше фиксиран на осем бита. Това позволява да се запишат десетте десетични цифри, 26 малки букви, 26 големи букви и много символи. Ранните компютри използваха шест бита в байт. Това им даваше 64 различни кода. Тези компютри не са имали малки букви.

Компютърните специалисти трябваше да се споразумеят кой код ще представя всеки символ. Повечето съвременни компютри използват ASCII - Американския стандартен код за обмен на информация. В ASCII всеки код е от осем бита - всяка комбинация от 0 и 1 - и образува един символ. Буквата А се обозначава с код 01000001.

За да могат да се използват всички различни символи на всички световни езици, съвременните компютри се нуждаят от повече от 256 различни символа. Друга кодова система, наречена Unicode, позволява да се използват 1 112 064 различни знака, като за всеки знак се използват от един до четири байта.

Адрес на паметта

Процесорът на компютъра има достъп до всеки отделен байт. Той използва адрес за всеки байт. Адресите на компютърната памет започват от нула и достигат до най-голямото число, което компютърът може да използва. По-старите компютри бяха ограничени по отношение на това колко памет могат да адресират. 32-битовите компютри могат да адресират до 4 GB памет. Съвременните компютри използват 64 бита и могат да адресират до 18 446 744 073 709 551 616 байта = 16 екзабайта памет.

Числата, които използват компютрите, могат да бъдат много големи. За да се улесни работата, може да се използва единицата K (за килобайт) или Ki (за кибибайт). В компютърната памет числата са степен на две. Един кибибайт е две на степен 10, т.е. 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 и се записва като 2¹⁰ = 1024 байта. Например 64 кибибайта, изписани като 64KiB или 64KB, памет са равни на 65 536 байта (1 024 × 64 = 65 536). За по-големи обеми памет се използват единиците мегабайт (MB) или мебибайт (MiB) и гигабайт (GB) или гибибайт (GiB). Един мегабайт компютърна памет означава 2 ²⁰байта или 1024KB, което е 1 048 576 байта. Един гибибайт означава 2 ³⁰байта или 1024MB.

Числата са кратни на две. Ето защо един килобайт памет е 1024 байта, а не 1000, както е в случая с килограм. За да се избегне това объркване, Международната електротехническа комисия (IEC) използва наименованията кибибит, мебибит и гибибит за двоичните мощности. Те използват килобайт, мегабайт и гигабайт за означаване на степени от 10. Обединеният съвет за инженеринг на електронни устройства (JEDEC) запазва по-старите наименования. За да е още по-лошо, размерите на компютърните устройства за съхранение на данни, като например твърдите дискове (HDD), се измерват в степени на десет. Така че 500 GB диск е 500 x 1000 x 1000 x 1000 байта. Това е много по-малко от 500 GB памет, която е 500 x 1024 x 1024 x1024. Повечето компютърни специалисти все още използват старите имена и трябва да помнят, че единиците са различни, когато говорят за памет и устройства за съхранение.

Памет само за четене

Има някои програми и инструкции, от които компютърът винаги ще се нуждае. Паметта само за четене (ROM) е постоянната памет, която се използва за съхраняване на тези важни програми за управление и системен софтуер за изпълнение на функции като зареждане или стартиране на програми. ROM е енергонезависима. Това означава, че съдържанието й не се губи при изключване на захранването. Съдържанието му се записва при построяването на компютъра, но в съвременните компютри потребителят може да променя съдържанието му с помощта на специален софтуер.

Памет с произволен достъп

Паметта с произволен достъп (RAM) се използва като работна памет на компютърната система. В нея временно се съхраняват входни данни, междинни резултати, програми и друга информация. Тя може да се чете и/или записва. Обикновено е енергонезависима, което означава, че всички данни ще бъдат изгубени при изключване на захранването. В повечето случаи тя се зарежда отново от твърдия диск, който се използва за съхранение на данни.

Енергонезависима памет

Енергонезависимата памет е компютърна памет, която запазва съхранената информация, когато не се захранва.
Примерите за енергонезависима памет включват:

памет само за четене
флаш памет

Понякога може да се отнася за компютърно съхранение. Те винаги са енергонезависими.
Примери за това са:

Твърдотелни устройства, които използват флаш памет, като твърдотелни дискове (SSD) и USB флаш памети.
Магнитни компютърни устройства за съхранение, като твърди дискове (HDD), дискети и магнитни ленти.
оптични дискове като CD-ROM, DVD-ROM и Blu-ray
съхранение на хартия, като например хартиена лента и перфорирани карти.

Твърдотелните дискове са един от примерите за енергонезависима памет.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява компютърната памет?

О: Компютърната памет е област за временно съхранение, която съхранява данни и инструкции за достъп на централния процесор (CPU).

В: Как се изпълнява една програма?

О: Преди да може да се изпълни една програма, тя трябва да се зареди от паметта в паметта, така че централният процесор да има пряк достъп до нея.

В: Какво представлява двоичната цифрова електроника?

О: Двоична цифрова електроника е, когато транзисторите се използват за включване и изключване на електричество в компютъра, създавайки две състояния - включено или изключено, нула или единица.

В: Какво представляват битовете и байтовете?

О: Едно-единствено задание за включване/изключване в паметта на компютъра се нарича двоична цифра или бит. Група от осем бита се нарича байт.

В: Откъде идват думите бит и байт?

О: Думите "бит" и "байт" са измислени от компютърните специалисти - "бит" идва от съчетаването на "би" от двоична система с "т" от цифра, докато "байт" е променено от "бита", за да се избегне объркване.

Въпрос: Какво е нибъл?

О: Нибълът е половината от байт, състоящ се от по четири бита. Наречен е така, защото се смята, че е половин хапка.

В: Кой измисли думата nibble?

О: Думата "nibble" е създадена от компютърни специалисти, когато се нуждаят от подходящ термин за половината байт.