Upload
phungdiep
View
266
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
1
Hardver
Struktura računarskog sistema
Svaki računarski sistem treba da obezbedi mogućnost učitavanja ulaznih podataka, njihovu obradu
(procesiranje) a zatim čuvanje i/ili prikazivanje rezultata na nekom spoljašnjem medijumu. S obzirom da
operacije obrade podataka mogu da budu složene neophodno je čuvati podatke koji predstavljaju
međurezultate obrade. Ovo predstavlja opšte funkcionisanje računarskog sistema pa samim tim možemo da
kažemo da računarski sistem mora da poseduje procesor (centralni) koji vrši obradu podataka, unutrašnju
memoriju u kojoj se čuvaju podaci koji su predmet obrade i odgovarajuće ulazno/izlazne uređaje pomoću
kojih se podaci učitavaju odnosno zapisuju ili prikazuju. Ovi osnovni uređaji moraju biti međusobno
povezani kako bi računarski sistem mogao da realizuje svoje osnovne operacije.
Fon Nojmanova mašina
Američki matematičar Džon fon Nojman je 1945. godine objavio nacrt izveštaja u kome je izložio ideju za
konstrukciju računara koji bi mogao da učita i čuva program sastavljen od niza konkretnih operacija i da ga
izvrši na korisnički zahtev. Džon fon Nojman je ovaj računar nazvao EDVAC (Electronic Descrete Variable
Automatic Computer). Iako njegova zamisao nikad nije prošla fazu nacrta, arhitektura računara koju je on
predložio dobila je po njemu naziv „Fon Nojmanova arhitektura“. Fon Nojmanova arhitektura je
predstavljala osnov za mnoge generacije računara koje su sledile. Osnovni principi Fon Nojmanove
arhitekture su [Mitic]:
...pošto je takav uređaj prvenstveno računar, on bi trebalo dosta često da izvodi osnovne aritmetičke
operacije. Te operacije su sabiranje, oduzimanje, množenje i deljenje. Stoga je razumljivo da treba
da sadrži specijalizovane organe koji obavljaju te operacije... To znači da je neophodno da postoji
centralni aritmetički (eng. central arithmetical) organ, CA računara.
Logičku kontrolu uređaja, tj redosled mogućih operacija mnogo efikasnije može da izvrši centralni
organ za upravljanje. Kako uređaj treba da bude prilagodljiv, tj. da bude za opštu namenu, mora da
postoji razlika između specifičnih instrukcija koje definišu problem i služe za njegovo rešavanje i
opštih, za upravljačke organe koji nadgledaju kako se izvode te specifične instrukcije... Pod
centralnim upravljanjem (eng. central control) CC podrazumeva se druga od prethodnih funkcija, a
organi koji je sprovode formiraju drugi speifičan deo računara.
Bilo koji uređaj koji izvodi dugačak i komplikovan niz operacija (posebno) izračunavanja mora da
ima odgovarajuću memoriju... Instrukcija kojom se rešava određena operacija može da sadrži i
odgovarajuće podatke... Ovi podaci moraju da se pamte ... U svakom slučaju ukupna memorija (eng.
memory) M čini treći deo računara.
Uređaj mora da podržava ulaz i izlaz podataka preko kontakta sa nekim specifičnim medijumom tog
tipa. Taj medijum se naziva medijum za spoljašnje snimanje (eng. recording) uređaja R...
Uređaj mora da ima organe za prenošenje podataka od R ka specifičnim delovima C i M. Ti organi
formiraju četvrti deo računara, nazvan ulaz (I). Pokazaće se da je najbolje vršiti transfere iz R preko I
u M, a ne direktno u C.
Uređaj mora da ima organe za prenošenje ... iz specifičnih delova C i M u R. Ti organi formiraju peti
specifični deo računara, izlaz, O. Videće se da je najbolje vršiti sve transfere iz M preko O u R, a
nikada direktno iz C...
Iz navedenog teksta se vidi da je fon Nojman projektovao arhitekturu računara po analogiji sa nervnim
sistemom čoveka. Većina današnjih računara je koncipirana na bazi fon Nojmanove mašine čija je opšta
struktura data na Slici 4.1.
2
Slika 4.1. Struktura IAS računara [Mitic]
Savremeni računarski sistemi
Arhitektura savremenih računarskih sistema se po mnogo čemu podudara sa arhitekturom fon Nojmanove
mašine. Savremeni računari takođe poseduju procesor, memoriju, spoljašnje uređaje (harddisk, monitor,
štampač, audio uređaj itd) i odgovarajuće uređaje, kontrolere, koji omogućavaju komunikaciju sa navedenim
spoljašnjim uređajima (Slika 4.2.).
Slika 4.2. Arhitektura savremenih računara
Razlika u odnosu na fon Nojmanovu arhitekturu je što spoljašnji uređaji mogu da komuniciraju i da
pristupaju memoriji direktno preko kontrolera memorije. Zbog činjenice da više uređaja može da pristupi
podacima u memoriji neophodno je postojanje kontrolera memorije koji vrši sinhronizaciju pristupa.
Princip rada računara
Svi digitalni računari funkcionišu po istom principu, obrađujući digitalizovane podatke. Digitalni podaci su
podaci koji su, kao što je to već rečeno, predstavljeni u binarnoj formi. Obrada podataka se vrši u delu
računara koji se zove procesor i koji se sastoji od velikog broja logičkih kola. Osnovu logičkih kola čini
elektronska komponenta koja se zove tranzistor. Današnji procesori sadrže milione tranzistora što ukazuje na
složenost operacija koje procesor može da realizuje. Operacije koje procesor treba da realizuje se definišu
instrukcijama i svode se na kreiranje izlaznih podataka na osnovu zadatih ulaznih podataka i definisane
instrukcije (npr. instrukcija sabiranja). Kreiranje izlaznih podataka po zadatoj instrukciji podrazumeva
promenu postojećih podataka i/ili dobijanje novih podataka koji su takođe u binarnoj formi. Proces kreiranja
USB jedinice
USB
Kontroler
3
izlaznih podataka se odvija u logičkim kolima koja u zavisnosti od svoje prirode realizuju neku od operacija
Bulove algebre. Osnovni Bulovi operatori su: I, ILI i NE. Kombinovanjem logičkih kola koja realizuju
navedene osnovne logičke operacije dobijaju se složeni logički sklopovi. Na slikama ispod prikazana su
logička kola koja realizuju osnovne Bulove operatore kao i tablice izlaza za odgovarajuće ulaze.
Slika 4.3.a. Logički element ILI
Tabela 4.1a.
Xu1 Xu2 Xi
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Slika 4.3.b. Logički element I
Tabela 4.1.b.
Xu1 Xu2 Xi
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Slika 4.3.c. Logički element NE
Tabela 4.1.c.
Xu1 Xi
0 1
1 0
4
Procesor
Kao što je već rečeno savremeni računari se u velikom delu baziraju na principima i arhitekturi fon
Nojmanove mašine. Na osnovu toga se jasno vidi da računar predstavlja skup komponenti čiji sinhronizovani
rad omogućava rad celokupnog računarskog sistema. Zbog toga je vrlo nezahvalno izdvojiti najvažniji deo
računara. Međutim, ako pođemo od osnovne funkcije računara a to je obrada (procesiranje) podataka
možemo reći da je procesor srce računarskog sistema.
Procesor, ili centralna procesorska jedinica CPU (central processing unit) je glavni izvršilac obrade podataka
ali i glavni organizator procesa obrade. Sastoji se iz dve jedinice:
1) upravljačko-kontrolne i
2) aritmetičko-logičke jedinice.
Upravljačko-kontrolna jedinica
Koncept upravljačko-kontrolne jedinice je usvojen iz nacrta fon Nojmanove mašine. Može se reći da je
osnovna uloga ovog dela procesora ostala nepromenjena, tako da možemo da kažemo da upravljačko-
kontrolna jedinica predstavlja glavnog supervizora svih procesa koji se odvijaju u delu obrade podataka.
Osnovne uloge ovog dela računara se mogu sistematizovati u četiri grupe:
1) Unos podataka i programskih instrukcija iz operativne memorije,
2) Upravljanje prenosom podataka između aritmetičko logičke jedinice i operativne memorije,
3) Praćenje izvršenja aritmetičkih i logičkih operacija i donošenje odluka na osnovu rezultata i
4) Upravljanje i praćenje rada ulazno-izlaznih jedinica.
Izvršavanje programskih instrukcija
Izvršavanje programa u računaru se svodi na prevođenje programa na niz instrukcija i njihovo izvršavanje na
procesoru. Zbog toga svaki računar poseduje standardne instrukcije čiji je postupak izvršenja procesoru
poznat. Generalno, instrukcije se dele na: aritmetičke, logičke, instrukcije za konverziju, instrukcije za
prenos podataka, ulazno/izlazne instrukcije, kontrolne instrukcije i instrukcije za prenos kontrole.
Struktura instrukcija je standardizovana kako bi procesor, odnosno upravljačka jedinica, bila u stanju da
prepozna i izvrši datu instrukciju. Na početku instrukcije po pravilu se nalazi operacioni kod, a za njim slede
operandi instrukcije tj. podaci koji učestvuju u operaciji definisanoj datom instrukcijom (Slika 4.4.).
Operacioni kod Operand 1 Operand 2
Slika 4.4. Prikaz opšte strukture instrukcije
Vrlo često su operandi instrukcije definisani preko svojih lokacija u operativnoj memoriji. Da bi bili u
mogućnosti da opišemo način realizacije ovako definisane instrukcije neophodno je da definišemo pojam
memorijske adrese i opišemo način memorisanja podataka u memoriji.
Memorijske adrese
Pojam memorije je prvi put upotrebio matematičar Čarls Bebidž u nacrtu svoje analitičke mašine. Pod tim
pojmom je podrazumevao deo mašine u kojoj je bilo moguće čuvati kako ulazne i izlazne podatke tako i
podatke koji predstavljaju međurezultat računanja. Taj koncept memorije je prisutan i danas samo što je,
naravno, njegova realizacija mnogo efikasnija, o čemu će biti reči u narednim poglavljima.
Memorija savremenih računara ima za cilj da čuva podatke koji su zapisani u binarnoj formi. Pri tome je
standardima utvrđeno koliko bitova memorije je na raspolaganju za upisivanje i čuvanje svakog tipa podatka.
Postavlja se pitanje na koji će način procesor pronaći i preuzeti podatke čiju obradu treba da realizuje.
5
Sasvim prirodno se nameće potreba da postoji informacija gde je u memoriji zapisan svaki podatak. Da bi to
bilo moguće neophodno je memoriju organizovati u celine (ćelije) i svakoj od tih celina pripisati broj koji se
popularno zove adresa. Na taj način procesor na osnovu adrese ćelije u kojoj je podatak zapisan može da
pristupi i da preuzme potreban podatak. Princip je potpuno analogan dostavljanju pošte na kućnu adresu. Da
bi odgovorno lice poštanske službe moglo da dostavi pošiljku osobi X.Y. neophodno je da zna njegovu
adresu stanovanja.
Ako memorija ima n ćelija onda će adresa svake ćelije biti neki broj u rasponu od 0 do n-1. Računari koji
koriste binarni brojni sistem za adresiranje (definisanje memorijskih adresa) izražavaju adrese u binarnom
obliku. To znači da ako adresa sadrži n bitova da je najveći mogući broj ćelija koje se mogu adresirati 2n. Na
primer, ukoliko je broj bitova za definisanje adrese 3, maksimalan broj adresa koje se mogu adresirati je
23=8, a ako je 8, onda je maksimalan broj adresa 2
8=256. Potpuno je očigledno da broj ćelija koje se mogu
adresirati ne zavisi od broja bitova po ćeliji.
Pojam ćelije je bitan zato što označava najmanju memorijsku jedinicu koja se može adresirati. Opšte
prihvaćenim međunarodnim standardom je utvrđeno da veličina ćelije iznosi 8 bitova i ona se naziva bajt
(eng. byte). Bajtovi se dalje grupišu u računarske reči (eng. words). Veličina reči, merena u broju bajtova
koji je čine, je bitna u pogledu procesorske obrade podataka zato što instrukcije procesora kao operande
koriste cele reči. Na osnovu veličine reči koja se obrađuje u procesoru, računari se dele na 32-bitne računare
(dužina reči je 32 bita, odnosno 4 bajta) i 64-bitne (dužina reči je 64 bita, odnosno 8 bajtova).
Postrojavanje bajtova
Memorisanje podataka predstavlja upisivanje binarnih zapisa podataka u reči u memoriji. Kako se kod 32-
bitnih računara reč sastoji od 4 bajta i kako je bajt najmanja adresibilna memorijska jedinica svaka reč je
sačinjena od 4 ćelije čije su adrese uzastopni brojevi (npr. 0,1,2,3 ili 4,5,6,7 itd). Međutim, postavlja se
pitanje kojim redom upisivati podatke u ćelije jedne reči. Ovo pitanje je u direktnoj vezi sa problemom
brojanja bajtova koji čine jednu reč.
Postoje dva načina brojanja bajtova. Prvi način podrazumeva da se bajtovi broje sleva na desno kako je to
kod računara SPARC ili u velikim centralnim IBM-ovim računarima (Slika 4.5.a.). Drugi način je brojanje
zdesna ulevo kao što je to slučaj kod računara proizvođača Intel (Slika 4.5.b.).
Slika 4.5. Postrojavanje bitova
Treba naglasiti da se ova dva načina brojanja bajtova ne razlikuju po izgledu binarnog zapisa podataka već
samo po tome u koji će od bajtova podaci biti zapisani. Tako je, na primer, u oba sistema, 32-bitni binarni
zapis celog broj 14 zapisan na sledeći način:
00000000|00000000|00000000|00001110
Međutim, u računarima prvog tipa, deo binarnog zapisa 00001110 će biti u bajtu sa adresom 3 (ili u bajtu sa
adresom 7 itd.) dok će kod računara drugog tipa ovaj deo binarnog zapisa broja 14 biti u bajtu sa adresom 0
(ili u bajtu sa adredom 4 itd.).
Problemi različitog brojanja bajtova dolaze do izražaja kada dva računara koji imaju različito brojanje
bajtova komuniciraju preko mreže. Tom prilikom se vrši prenos podataka bajt po bajt i prepisivanje njihovog
6
sadržaja u memoriju ciljnog računara. Očito je da tom priliko može doći do inverzije podataka usled
njihovog različitog adresiranja.
Postupak realizacije instrukcije
Kao što se vidi sa slike 4.4. standardizovana struktura instrukcije sadrži operacioni kod, adresu prvog
operanda u operativnoj memoriji i adresu drugog operanda u operativnoj memoriji. Broj operanada koji se
mogu definisati u instrukciji zavisi od tipa računara. Računari kod kojih je moguće definisati samo jedan
operand se nazivaju jednoadresni, računari kod kojih je u instrukciji moguće definisati dva operanda se
nazivaju dvoadresni i tako redom. Najbolje performanse imaju dvoadresni i troadresni računari. Na slici
ispod je prikazana instrukcija čiji će proces izvršenja biti analiziran u daljem tekstu.
A 2015 2020
Prikazana instrukcija ima operacioni kod A i označava instrukciju sabiranja dva broja. Adresa prvog
operanda (sabirka) u operativnoj memoriji je 2015 dok je adresa drugog operanda (sabirka) 2020. Na tim
adresama u memoriji se nalaze potrebni podaci zapisani u binarnoj formi. Očigledno je da je reč o
dvoadresnom računaru. Na slici 4.6. je izložen grafički prikaz realizacije navedene instrukcije.
Slika 4.6.. Grafički prikaz realizacije instrukcije sabiranja
Proces realizacije instrukcije se sastoji iz dve faze koje čine takozvani ciklus instrukcije (eng. instruction
cycle). Prva faza realizacije instrukcije se zove ciklus pripreme. Kao što je već rečeno svaki program se
sastoji od niza instrukcija. Svaka instrukcija je smeštena u operativnoj memoriji i ima svoju adresu. U
upravljačkoj jedinici postoji uređaj koji se zove brojač instrukcija (BI) i koji je zadužen da poziva na
izvršenje instrukcije jednu za drugom. Kada je u toku realizacija jedne instrukcije brojač instrukcije preuzme
adresu sledeće u operativnoj memoriji koja je na redu izvršenja i tako redom.
7
Faza pripreme počinje tako što se adresa tekuće instrukcije iz brojača instrukcija prenosi u adresni registar
memorije ARM2. Na osnovu adrese, upravljačka jedinica vrši prepisivanje instrukcije sa te adrese u
prihvatni registar memorije PRM2. Iz prihvatnog registra memorije PRM2 instrukcija se prepisuje u registar
instrukcija čime se završava ciklus pripreme.
Druga faza realizacije instrukcije se naziva ciklus izvršavanja i počinje procesom dekodiranja instrukcije
koja se trenutno nalazi u registru instrukcije. Dekoder instrukcije na osnovu koda instrukcije prepoznaje tip
instrukcije (operacije) koju treba izvršiti. U našem slučaju, kao što je to već rečeno, to je operacija sabiranja
dva broja u obliku (B=A+B). Kako su u instrukciji zapisane adrese operanada (sabiraka) neophodno je prvo
pročitati sadržaje tih adresa. Zbog toga dekoder šalje adrese prvog (2015) i drugog (2020) operanda
instrukcije u adresne registre ARM1 i ARM2, respektivno. Na osnovu tih adresa upravljačka jedinica čita
njihov sadržaj u operativnoj memoriji i prepisuje sadržaj adrese 2015 u prihvatni registar PRM1 a sadržaj
adrese 2020 u prihvatni registar PRM2. Navedena instrukcija izvršava sabiranje dva sabirka i dobijeni
rezultat upisuje na memorijsko mesto drugog sabirka. Zbog toga se sabirak iz prihvatnog registra PRM1
prepisuje u opšti registar (OR) dok se sabirak iz prihvatnog registra PRM2 prepisuje u tzv. akumulator.
Nakon toga brojni sabirač vrši sabiranje ova dva sabirka i rezultat upisuje u akumulator. Iz akumulatora se
rezultat prepisuje u prihvatni registar PRM2 a zatim se na osnovu poznate adrese drugog sabirka u
operativnoj memoriji vrši ažuriranje sadržaja te adrese dobijenim rezultatom.
Na osnovu izložene analize izvršavanja jedne procesorske instrukcije vidimo da u procesorskoj jedinici
postoji više različitih tipova registara:
Prihvatni registar memorije (PRM). Ovaj registar služi za prijem podataka iz operativne memorije i
za dalju distribuciju aritmetičko logičkoj jedinici.
Adresni registar memorije (ARM). Ovaj registar služi za upisivanje adrese podataka koji su predmet
obrade ili adrese instrukcije koja se izvršava.
Registar instrukcije (RI). Ovaj registar služi za upisivanje tekuće instrukcije.
Brojač instrukcije (BI). Ovaj registar čuva adresu sledeće instrukcije koju treba preneti iz operativne
memorije.
Aritmetičko logička jedinica
Aritmetičko-logička jedinica (ALU – Arithmetical Logical Unit) predstavlja drugi deo centralnog procesora.
Kao što sam i naziv govori osnovni zadatak ovog dela procesora je izvršavanje osnovnih aritmetičkih i
logičkih operacija. Pod aritmetičkim operacijama podrazumevamo operacije sabiranja, oduzimanja,
množenja, deljenja, diferenciranja i integraljenja. Logičke operacije se svode na operacije poređenja tipa
„manje od“, „jednako“ i „veće od“. Treba napomenuti da se sve aritmetičke operacije svode na operaciju
sabiranja pa je stoga glavni deo procesora zadužen za aritmetičke operacije ujedno i jedini deo i naziva se
jedostavno sabirač. Drugi deo procesora koji je zadužen za pomenute operacije poređenja se zove
upoređivač. I sabirač i upoređivač su realizovani kombinovanjem logičkih kola o kojima je bilo reči ranije.
Funkcionisanje aritmetičko-logičke jedinice je dirigovano i kontrolisano od strane upravljačke jedinice. Po
pravilu podaci (operandi) koji su predmet obrade se preko odgovarajućih prihvatnih registara prenose iz
operativne memorije i upisuju u opšti registar i akumulator (Slika 4.7.).
8
Slika 4.7. Aritmetičko-logička jedinica
Po okončanju procesa obrade rezultat se upisuje u akumulator, a zatim se ili koristi za sledeću operaciju ili
distribuira na odgovarajuću adresu u operativnoj memoriji.
Časovnik i magistrala
Brzina izvršenja instrukcija je određena brzinom časovnika koji je obično smešten na samom procesoru. Kad
se računar uključi, električna struja prouzrokuje ravnomerno okidanje elektronskih impulsa konstantnog
nivoa od strane časovnika. Pomoću ovih impulsa računar vrši sinhronizaciju izvršenja instrukcija. Prema
tome, u računaru časovnik ima istu ulogu kao kormilar u veslanju. Brzina časovnika se meri u megahercima
(MHz), pri čemu 1 MHz označava milion taktova u sekundi.
Za izvršenje jedne instrukcije potrebno je 5 taktova: jedan takt da se instrukcija iz operativne memorije učita
u registar instrukcija, jedan takt da se izvrši njeno dekodiranje, jedan takt da se učitaju podaci (operandi) iz
memorije, jedan takt da se instrukcija izvrši i jedan takt da se izvrši upisivanje rezultata. To znači da
savremeni računari sa brzinom časovnika od 3GHz mogu da realizuju 600 miliona instrukcija u sekundi.
Prenos podataka između operativne memorije i CPU, ulaznih uređaja i operativne memorije kao i između
operativne memorije i ekranskih uređaja se vrši posredstvom magistrale. Magistrala (eng. bus) je staza ili
veza kojom se u taktu procesorskog časovnika prenose električni impulsi tj. bitovi.
Najznačajnija karakteristika magistrale je tzv. širina magistrale koja označava broj bitova koji se u jednom
trenutku mogu preneti. Tako 64-bitna magistrala u jednom trenutku može da transferiše podatak veličine 64
bita. Očigledno je da je širina magistrale direktno povezana sa veličinom procesorske reči tj. sa veličinom
registara u procesorskoj jedinici.
9
Memorija
”Memorija je svaki uređaj koji je u stanju da podatke sačuva u formatu koji neka mašina može da prepozna”
James A. Sean
Pored procesora, memorija je najvažnija komponenta jednog računarskog sistema. Koristi se i za skladištenje
podataka i za skladištenje instrukcija datih nizovima nula i jedinica u formi koja direktno zavisi od fizičkog
tipa njene izrade.
Karakteristike memorije
Postoji čitav niz atributa kojima se memorije mogu opisati:
stalnost zapisa – trajne (koje čuvaju sadržaj sve dok se ne inicira promena sadržaja od strane
korisnika) i privremene (čiji se sadržaj gubi nakon nestanka električnog napajanja),
fizički tip – poluprovodničke (integrisana kola velikog broja tranzistora utisnutih na silicijumski čip),
magnetske (površine premazane feromagnetnim materijalom) i optičke (polikarbonatne mase
presvučene slojem reflektujućeg aluminijuma),
Slika 4.8. Različite poluprovodničke memorije
kapacitet – maksimalna količina podataka merena u bitovima ili bajtovima koju može sadržati
memorija,
jedinica prenosa – može biti bajt (u slučaju unutrašnje memorije) ili blok (nekoliko KB ili MB, u
slučaju spoljašnje memorije),
adresivost – adresive (pomoću adrese se pristupa jednom bajtu ili reči), poluadresive (gde se
pristupa grupi bajtova) i neadresive (gde je onemogućen pristup sadržaju memorije pomoću adrese),
10
0 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 2324 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 3940 41 42 43 44 45 46 4748 49 50 51 52 53 54 5556 57 58 59 60 61 62 63
11
1
1
00
00
na lokaciji sa adresom 16 upisan je niz 11010010
svak lokacija sadra ži 8 bitova
Slika 4.9. Prikaz organizacije adresive memorije
cena – ovaj atribut se češće posmatra kroz odnos cena/kapacitet koji ilustruje cenu koštanja
memorije po jedinici kapaciteta, bitu ili bajtu, nego kao apsolutni iznos,
načini pristupa – postoje četiri moguća načina pristupa podacima u memoriji:
o sekvencijalni - podaci organizovani u grupe (slogove) i upisuju se u redosledu unošenja. Da
bi se pročitao potreban podatak neophodno je pročitati sve podatke koji mu prethode zbog
čega je vreme pretrage vrlo veliko i zavisi od njegove lokacije na medijumu. Primer su
magnetne trake koja je identična audio ili video kaseti,
o direktan - do željenog podatka ( ili sloga) se dolazi direktno preko njegove adrese u
memoriji. Adresa na kojoj je zapisan podatak je u direktnoj vezi sa njegovom fizičkom
lokacijom. Da bi se izvršilo čitanje željenog podatka potrebno je pozicionirati uređaj za
čitanje na njegovu adresu. Zbog toga vreme pristupa podacima zavisi od njihove lokacije na
memorijskom medijumu. Primer su hard diskovi, i
o asocijativni – podacima se pristupa ne na osnovu adrese nego na osnovu njihovog sadržaja.
Primer je keš memorija,
vreme pristupa – je atribut koji predstavlja izuzetno mali vremenski interval (reda veličina od mili
do piko sekunde) koji započinje činom iniciranja komunikacije sa memorijom, a završava se
pronalaženjem podatka u okviru memorijske lokacije,
vreme memorijskog ciklusa – je atribut koji predstavlja zbir vremena pristupa i dodatnog vremena
potrebnog za ponovni pristup memoriji,
brzina prenosa – je atribut koji se definiše kao količina podataka koji se mogu pročitati ili upisati u
memoriju u jedinici vremena,
mogućnost promene sadržaja – Read Only ili ”samo za čitanje” (memorije čiji se sadržaj ne može
naknadno menjati) i Read-Write ili ”upisno-čitajuće” (sa mogućnošću naknadne promene sadržaja).
Važniji atributi sa konkretnim vrednostima dati su u tabeli 4.4.
Tabela 4.4. Karakteristike računarskih memorija
vrsta memorije kapacitet jedinica
prenosa
prosečno
vreme
pristupa
brzina
prenosa
ko upravlja
prenosom
podataka
fizički
tip
registri CPU-a 256B-1kB Reč obima 2B ili
4B 200ps-1ns 0,5-60GB/s
upravljačka
jednica CPU-a
CMOS
SRAM
L1 keš meмorija 16-64kB Linija 4-32B 5-10ns 0,8-1GB/s primarni keš
kontroler
CMOS
SRAM
L2 keš meмorija 128kB-1GB Linija 4-128B 15-40ns 0,1-0,3GB/s sekundarni keš
kontroler
CMOS
SRAM
glavna (RAM) 256MB-1GB Stranice 4kB 50-100ns 20-80MB/s jedinica za CMOS
11
memorija upravljanje memorijom
(MMU)
DRAM
slotovi proširenja
glavne memorije 1-10GB Stranice 4kB 75-500ns 800kB-30MB/s
jedinica za
upravljanje memorijom
(MMU)
CMOS
DRAM
hard disk keš 1-10MB Blokovi 4kB 60-500ns 900kB-30MB/s kontroler
uređaja
CMOS
DRAM
hard disk 100-500GB Fajlovi obima
MB 5-50ms 1200-6000kB/s
kontroler
uređaja
magnetni
medijum
disketa 1,44MB Fajlovi obima
MB 95ms 100-200kB/s
kontroler
uređaja
magnetni
medijum
CD-ROM 600MB-20GB Fajlovi obima
MB 100-500ms 500-4000kB/s
kontroler
uređaja
optički
zapis
magnetna traka 1-10TB Fajlovi obima
MB 0,5s pa nаviše 2000kB/s
kontroler
uređaja
magnetni
medijum
U zavisnosti od gore navedenih atributa, postoji više načina podela memorija. Različite vrste memorija se
mogu kategorizovati po bilo kojoj od pobrojanih karakteristika, kao i kombinovanjem više različitih
karakteristika. Kombinacija atributa vreme pristupa-cena-kapacitet se najčešće analizira.
Na osnovu lokacije memorije u odnosu na položaj procesora, memorije mogu biti u kategoriji unutrašnjih,
smeštenih unutar samog procesora ili u njegovoj neposrednoj blizini sa kojim čine centralnu procesorsku
jedinicu (CPU – Central Processing Unit) i spoljašnjih, koje su locirane dalje od procesora i koje pripadaju
kategoriji perifernih uređaja, hardverskih komponenti koje se nalaze u okruženju CPU.
Unutrašnja memorija
Unutrašnja memorija je lokacijski najbliža samom procesoru što ima za posledicu da se sva komunikacija
ostalih hardverskih komponenti sa procesorom obavlja upravo preko nje. Postoji više vrsta ove memorije:
registri,
keš (Cash),
RAM i
ROM.
Registri
Registri predstavljaju memoriju velike brzine i malog kapaciteta koja služi za skladištenje upravljačkih
instrukcija i privremenih rezultata obrade unutar samog procesora (slika 4.10.). Svaki registar ima određenu
ulogu unutar procesora i uobičajeno je da su svi registri iste veličine (primer 64-bitne arhitekture gde su svi
registri kapaciteta 64-bita).
12
Slika 4.10. Položaj registara u okviru 32-bitne i 64-bitne arhitekture procesora
Registri mogu biti opšti (akumulatori) i specijalizovani (instrukcioni, memorijskih adresa, prihvatni,
kontrolni, brojač instrukcija). Najvažniji registar je brojač instrukcija ili programski brojač (PC – Program
Counter) čiji je zadatak ukazivanje na instrukciju koja se u datom trenutku preuzima od strane procesora na
obradu. Osim njega, veoma je važan i registar instrukcija (IR – Instruction Register) koji čuva instrukciju
koja se trenutno obrađuje.
Na slici 4.10. se lako može uočiti razlika između realizacije registara unutar 32-bitne i 64-bitne arhitekture
procesora. Dvostruko povećanje kapaciteta registara doprinosi bržoj obradi podataka i instrukcija, što ima za
posledicu i brži rad računara.
Keš memorija
Keš memorija je interna memorija procesora i nekih drugih perifernih uređaja (npr. hard diskova) koja
premošćava veliku razliku u brzini prenosa podataka između spregnutnih komponenti. U slučaju procesora
keš memorija je nastala iz potrebe da se ubrza prenos podataka između procesora i glavne (RAM) memorije.
Naziv keš (engl. cache, od francuskog cacher) što znači tajno skladište, označava da je ova vrsta memorije
sakrivena od programera, tj. da programer ne može da joj pristupi.
Izrada procesora na malom, kompaktnom čipu direktno je uslovila i mali kapacitet keš memorije u srazmeri
sa malim dimenzijama izrade. Inicijalno je zamišljena kao interna memorija procesora, dok se danas u
modernijoj varijanti izrađuje iz više delova (2 ili 3), gde osim primarnog keša (L1) lociranog unutar
procesora, postoji i sekundarni keš (L2) van procesora, ali u istom paketu sa procesorom. Eventualno može
postojati i tercijarni keš (L3) koji je smešten gde i L2 ili na matičnoj ploči blizu samog procesora. Po brzini
prenosa podataka i instrukcija prednjači primarni keš jer u komunikaciji sa procesorom koristi internu,
procesorsku magistralu, dok se komunikacija sa sekundarnim i tercijarnim kešom odvija preko magistrala
van procesora što dovodi do pada brzina transfera podataka. Kapaciteti se odnose obrnuto proporcijalno
brzinama prenosa podataka – L1 je najmanjeg, a L3 najvećeg kapaciteta.
Keš memorija skladišti najčešće korišćene memorijske reči. U potrazi za rečima procesor joj se obraća i u
slučaju da ne pronađe potrebnu reč, nastavlja pretragu u glavnoj (RAM) memoriji. U takvoj situaciji se
vreme pretrage produžava i dolazi do usporavanja rada računara. Međutim, kada se pronađe reč u glavnoj
memoriji dolazi do prebacivanja u keš memoriju ne samo te reči, već i svih susednih reči, u zavisnosti od
kapaciteta keša. Ovakav pristup se sprovodi zbog velike verovatnoće da će se u kratkom vremenskom
intervalu u budućnosti pristupati i tim susednim rečima koje će tada biti brže dostupne procesoru. Čitava
prethodno objašnjena procedura je poznata kao princip lokalnosti. Na ovom principu funkcionišu sve vrste
keš memorija.
13
RAM
Treći i najvažniji nivo unutrašnje memorije računara je glavna, operativna, radna memorija ili memorija sa
slučajnim pristupom (RAM - Random Access Memory). Preko RAM memorije procesor komunicira sa
ostalim uređajima računara (spoljašnjom memorijom, U/I uređajima itd.). Termin radna memorija potiče od
činjenice da se programi u obliku izvršnog koda (niza instrukcija prevedenih na mašinski jezik) smeštaju u
RAM odakle ih poziva i izvršava procesorska jedinica. Zbog toga brzina rada računara (brzina izvršavanja
programa) ne zavisi samo od brzine procesora već i od brzine preuzimanja podataka iz glavne memorije. Kao
što će se videti kasnije na brzinu rada računara utiče i veličina radne memorije.
Tokom rada računara sadržaj radne memorije se stalno menja, a nakon gašenja računara sadržaj se prazni. Od
njenog kapaciteta direktno zavisi brzina rada računara. Uobičajeno je da se sastoji od pet delova i to su
delovi za operativni sistem, programe, ulaze, izlaze i radni deo.
Slika 4.11. Prikaz magistrale podataka
Glavna memorija je priključena na procesor preko njenih magistrala za adrese i podatke (slika 4.11.). Širina
adresne magistrale određuje kolikom broju različitih memorijskih lokacija se može pristupiti, a širina
magistrale za podatake - koliko je informacija smešteno u svakoj od lokacija.
Postoje dve vrste RAM memorije: statička (SRAM) i dinamička (DRAM). Statička RAM memorija spada u
rang veoma brzih memorija sa vremenom pristupa reda veličine nanosekunde i koristi se kao osnova za
izradu registara i keš memorija. Dinamička RAM memorija je većeg kapaciteta i manje brzine prenosa
podataka od statičke RAM memorije i koristi se kao osnova za izradu glavne memorije.
DRAM - dinamički RAM
DRAM čipovi su velike, pravougaone matrice memorijskih ćelija, sa logikom za podršku koja se koristi za
čitanje i upisivanje podataka u matrice i sa sklopom za osvežavanje da bi se održao integritet smeštenih
podataka (analogno probušenoj kanti za vodu koja se stalno mora dopunjavati da bi se održao nivo vode u
njoj). Memorijske matrice se sastoje od redova koji se zovu linije reči i kolona koje se zovu linije bitova.
Svaka memorijska ćelija (bajt) ima jedinstvenu lokaciju ili adresu, definisanu presekom reda i kolone.
DRAM memorija se deli na asinhronu i sinhronu. Kod asinhrone DRAM memorije ne postoji usaglašenost
između rada procesora i rada same memorije. Za izvršavanje procesa čitanja ili pisanja podataka u asinhronoj
DRAM memoriji je potrebno izvesno vreme koje je određeno fizičkim karakteristikama same memorije.
Vrlo često to vreme ne predstavlja celobrojni umnožak vremena jednog takta časovnika po kome radi
procesor. Zbog toga se dešava da procesor često mora da sačeka sledeći takt kako bi preuzeo podatke koje je
tražio od asinhrone DRAM memorije. Očigledno je da takav način rada usporava procesor. U cilju
prevazilaženja opisanog problema nastala je sinhrona DRAM memorija. Sinhrona DRAM memorija radi,
kao i procesor, u skladu sa taktovima časovnika računara. Ukoliko je za dobijanje potrebnih podataka
potrebno više taktova procesor ne čeka već izvršava druge instrukcije. Kada memorija pronađe tražene
podatke ona ih smesti u specijalizovane izlazne memorijske ćelije i obavesti procesor da je završila traženu
operaciju. Procesor tada preuzima potrebne podatke i nastavlja prekinutu obradu čime se izbegava pojava
„praznog hoda“. Zbog toga se brzina sinhronih DRAM memorija meri u MHz-ima za razliku od asinhronih
čija se brzina meri u nanosekundama. Akronim za sinhronu DRAM memoriju je SDRAM.
14
SDRAM sa dvostrukom brzinom podataka (Double Data Rate SDRAM – DDR SDRAM) funkcioniše na
potpunom drugačijem principu od sinhrone DRAM memorije. Da bi se sinhronizovali logički uređaji,
prenosi podataka treba da se pojave na ivici signala generatora takta. Kako impuls generatora takta osciluje
izmedju 1 i 0 (slika 4.12.), podaci bi izlazili ili na prednjoj ivici (kada se impuls menja od 0 na 1) ili na
zadnjoj ivici (kada se impuls menja od 1 na 0). DDR SDRAM radi tako što dozvoljava aktiviranje izlaznih
operacija i na prednjoj i na zadnjoj ivici, dajući tako efektivno udvostručenje učestanosti generatora takta bez
povećanja njegove stvarne učestanosti.
Slika 4.12. Signal generatora takta
Od nastanka 2000. godine do danas pojavile su se tri generacije DDR čipova karakteristika datih u tabeli 5.2.
Tabela 4.5. Karakteristike DDR SDRAM memorije
DDR SDRAM standard frekvencija (MHz) napon (V)
DDR (2000.) 100–200 2,5–2,6
DDR2 (2004.) 200–533 1,8
DDR3 (2007.) 400–800 1,5
ROM
ROM (Read Only Memory) je memorija koja jedino omogućava čitanje prethodno fabrički upisanih
podataka. Kada se jednom programira njen sadržaj se ne menja i ne gubi čak i kada se isključi napajanje.
Koristi se za čuvanje BIOS-a kao i programa za funkcionisanje uređaja (npr. veš mašina). BIOS (Basic Input
Output System) je skup računarskih programa ugrađenih u čip na matičnoj ploči. Nakon uključivanja
računara BIOS vrši prepoznavanje i proveru funkcionalnosti svih hardverskih komponenti u konfiguraciji, a
odmah nakon toga pronalazi i učitava operativni sistem u RAM memoriju.
Kako nakon izrade promene sadržaja više nisu moguće, ROM memorije su vrlo skupe i koriste se samo u
masovnoj proizvodnji. Obično sadrže program koji omogućava upis operativnog sistema u RAM memoriju
po uključivanju računara. Po veličini ROM je dosta manji od RAM-a i nije raspoloživ korisniku, već samo
sistemu. Prikaz veličine ROM memorije se obično ne navodi u specifikaciji.
Inicijalno zamišljena samo kao memorija za čitanje, vremenom je evoluirala i pretvorila se memoriju u koju
je moguće i upisivati podatke. Sledi istorijski prikaz razvoja ROM memorija.
PROM (Programmable Read Only Memory) je nastala 1956. godine kao memorija koja se samo jednom
može programirati, ali ne tokom tehnološkog postupka izrade u fabrici, već na adresi kupca pomoću
specijalnog uređaja, ”punioca”, koji koristi visoki napon. Zadatak punioca je da trajno uništi ili kreira veze
unutar čipa čime se vrši kodiranje informacija, tj. upis sadržaja. Jednom upisani sadržaj se ne može nakon
toga više menjati niti brisati.
15
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) se pojavila prvi put 1971. godine kao trajna
memorija koja se može više puta puniti i brisati. Punjenje se vrši u za tu svrhu specijalno napravljenim
uređajima, a brisanje pomoću izlaganja ultraljubičastom ili rendgenskom zračenju.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) je nastala 1983. godine, a dodati
prefiks ”električno” je označio novu mogućnost brisanja sadržaja bez ikakvih specijalnih uređaja
dovođenjem električnih impulsa. Osim tog noviteta, omogućeno je i brisanje delova sadržaja na nivou bajta,
što znači samo jednog dela sadržaja čipa, a ne celog čipa kao kod EPROM-a. Nedostatak ove memorije je
mnogo manji kapacitet nego kod EPROM-a.
Slika 4.13. Intel 1702 – prva EPROM memorija
Najnovija verzija EEPROM-a je fleš memorija. Iako fleš memorija spada u poluprovodničke memorije po
fizičkom tipu, ona će biti objašnjena u narednom poglavlju gde se opisuju spoljašnje memorije s obzirom da
pripada toj kategoriji memorija.
Najvažnije karakteristike svih poluprovodničkih memorija date su u tabeli 5.3.
Tabela 4.6. Karakteristike poluprovodničkih memorija
Vrsta memorije Mogućnost
promene sadržaja Stalnost zapisa Upisivanje
Brisanje/
jedinica prenosa Namena
SRAM Memorija za čitanje
i upisivanje Privremena Električno
Električno/
nivo bajta
Keš drugog
nivoa
DRAM Memorija za čitanje
i upisivanje Privremena Električno
Električno/
nivo bajta
Glavna
memorija
SDRAM Memorija za čitanje
i upisivanje Privremena Električno
Električno/
nivo bajta
Glavna
memorija
ROM Memorija samo za
čitanje Trajna
Utiskivanje u
silicijum Nije moguće
Kućni aparati
(velike serije)
PROM Memorija samo za
čitanje Trajna Električno Nije moguće
Oprema
(male serije)
EPROM Memorija uglavnom
za čitanje Trajna Električno
UV zrak/
nivo čipa
Prototipovi
uređaja
EEPROM Memorija uglavnom
za čitanje Trajna Električno
Električno/
nivo bajta
Prototipovi
uređaja
FLASH memorija
Memorija za čitanje
i upisivanje Trajna Električno
Električno/
nivo bloka
Spoljašnja
memorija
16
Spoljašnja memorija
Spoljašnju memoriju čine svi memorijski uređaji koji se nalaze van centralne procesorske jedinice i matične
ploče na periferiji računarskog sistema. Glavne karakteristike spoljašnje memorije su (vidi tabelu 4.4.)
trajnost čuvanja zapisa, većina su magnetskog ili optičkog tipa, velikog su kapaciteta, jedinica prenosa
podataka je blok, adresive su, odnos cena/kapacitet je niži, a vreme pristupa veće nego kod unutrašnjih
memorija. Postoji više vrsta spoljašnjih memorija, od kojih će ovde biti obrađene sledeće:
disketa,
hard disk,
kompakt disk (CD),
DVD,
Blue Ray disk,
magnetna traka,
fleš memorija i
memorijske kartice.
Disketa
Disketa je tanka, poliesterska kružna ploča premazana feromagnetnim materijalom sa obe strane koja je
upakovana u zaštitno četvrtasto kućište od tvrde plastike na kome je metalni klizač. Prečnik kružne ploče
iznosi 3,5 inča. Naziva se i ”floppy” (savitljiv) disk ili samo disketa. Prva koja se pojavila bila je proizvedena
od strane IBM-a 1971. godine i bila je kapaciteta 80 KB i dimenzija 8 inča. Kasnije se pojavio veliki broj
različitih modela od kojih 3,5 inčna kapaciteta 1,44 MB 1987. godine koja se i najduže koristila.
Pre upotrebe disketu je potrebno formatirati. Ova procedura podrazumeva pripremu diskete formiranjem
adresibilnih blokova kapaciteta 512 B koji odgovaraju sektorima na kružnim stazama (prstenovima). S
obzirom da postoji 40 takvih staza i 36 kružnih isečaka i da je moguće podatke upisivati sa obe strane kružne
ploče, postoji ukupno 2880 blokova kapaciteta 512 B što daje ukupni kapacitet od 1,44 MB (slika 4.14.).
Nominalno, kapacitet neformatirane diskete je 2 MB, a razlika se javlja zbog postojanja međusektorskih
procepa i procepa između staza u koje nije moguće upisivati podatke.
Upis i čitanje podataka se odvija preko glave za čitanje/upisivanje koja klizi po površini diskete. To je razlog
ubrzanog habanja disketa koje su inače veoma nepouzdane, pa se isti sadržaj skoro uvek snima na dve
diskete. Dodatni način zaštite od habanja je i izbegavanja direktnog otvaranja fajlova sa diskete, već disketu
treba koristiti samo kao prenosni medijum.
Savremeni računari više nemaju disketu kao standardni deo konfiguracije. Razlog za to je u današnje vreme
njihov veoma mali kapacitet, nepouzdanost i pojava brzih fleš memorija velikog kapaciteta.
17
Slika 4.14. Način rada diskete
Hard disk
Hard disk predstavlja osnovni medijum za skladištenje podataka svakog personalnog računara. Sastoji se od
više tankih aluminijumskih ploča premazanih feromagnetnim materijalom i zaštitnim slojem sa obe strane
ploče. Feromagnetni materijal je glavni nosilac podataka i služi za memorisanje podataka. Prečnik ovih ploča
se kreće od 3 do 12 cm. Diskovi (ploče) su naslagani na istu osovinu koju pogoni motor koji se naziva
aktuator (slika 4.15.). Upis i čitanje podataka se ostvaruje preko glave za čitanje/upis podataka u obliku
indukcionog kalema koja klizi u radijalnom pravcu iznad površine ploče. S obzirom da postoji više ploča,
postoji i više glava za čitanje/upis (po dve za svaku ploču, osim prve i poslednje ploče gde postoji po jedna
glava) koje se istovremeno pomeraju bez obzira kojoj se od ploča pristupa.
Slika 4.15. Izgled unutrašnjosti hard diska
Čitanje odnosno pisanje podataka na hard disku se realizuje tako što se glava za čitanje/pisanje pozicionira
iznad ploče sa koje treba da izvrši čitanje/pisanje a motor vrši okretanje osovine na koju su naslagani diskovi
(ploče). Kako je glava za čitanje/pisanje relativno mali uređaj ona može da pokrije samo malu površinu ploče
iznad koje se nalazi. Zbog toga se podaci zapisuju po tačno određenim koncentričnim krugovima koji se
nazivaju staze. Širina svake staze je reda veličine mikrometra, pa s obzirom na dimenzije ploče hard diska,
broj staza je izuzetno veliki. Svaka staza je podeljena na segmente koji se nazivaju sektori. Svaki sektor
sadrži određenu količinu podataka, najčešće 512 bajtova i predstavlja najmanju fizičku celinu kojoj se može
18
pristupiti. Očigledno je da veličina (dužina) staze zavisi od poluprečnika na kojem se nalazi. Prethodne
generacije diskova su imale isti broj sektora na svakoj stazi zbog čega su sektori na spoljašnjim stazama bili
„razvučeniji“ u odnosu na sektore na unutrašnjim stazama (slika 4.16.). Hard diskovi novije generacije imaju
različit broj sektora na različitim stazama pa je uobičajeno da spoljašnje zone imaju i do 40% više sektora
nego unutrašnje. Na početku svakog sektora se nalazi zaglavlje (header) u koje se obično upisuje broj
sektora i koje omogućava pozicioniranje glave pre čitanja ili upisa, a na kraju bloka je kod za ispravljanje
grešaka (error-correcting code). Noviji hard diskovi imaju i internu keš memoriju (oko 32 MB) i kontroler
(interni procesor) koji upravlja njegovim radom.
Slika 4.16. Sadržaj bloka na ploči hard diska
Kako su podaci organizovani po sektorima na stazama neophodno je da svaka staza i svaki sektor ima svoju
numeraciju. Numerisanje vrši disk kontroler. Proces upisivanja staza i sektora se naziva formatiranje.
Hard diskovi spadaju u memoriju sa direktnim pristupom što znači da se podacima pristupa direktno na
osnovu njihove adrese. Adresiranje savremenih diskova se sastoji u sledećem. Staze na istom poluprečniku
svih naslaganih diskova čine jedan „fiktivni“ cilindar. Očito je broj cilindara jednak broju staza. Pojam
cilindra je uveden zato što su prilikom čitanja/pisanja sve glave pozicionirane iznad staza istog poluprečnika
pa je zbog toga efikasnije upisivanje podataka u sve staze istog cilindra a zatim u sve staze sledećeg i tako
redom. Sektor 0 je prvi sektor na prvoj stazi cilindra sa najvećim poluprečnikom. Numerisanje se nastavlja u
okviru ove staze pa zatim se prelazi na sledeću stazu u okviru istog cilindra i tako sve do poslednje staze.
Kada se izvrši numerisanje sektora na svim stazama jednog cilindra prelazi se na prvi sledeći manjeg
poluprečnika.
Kada je reč o prenosivim uređajima, ulogu hard diskova imaju SSD diskovi (Solid State Drive) koji su tipa
SRAM ili DRAM memorije velikog kapaciteta i brzine. Njihova velika prednost je da su višestruko brži od
hard diskova i da smanjuju potrošnju električne energije što je veoma bitno kod prenosivih računara.
Kompakt disk (CD)
Kompakt diskovi (Compact Disk) su prvobitno bili namenjeni snimanju muzičkih sadržaja. Pojavili su se
1980. godine kao medij koji je u budućnosti trebao da zameni gramofonske ploče. Spadaju u tip optičkih
medija zato što je funkcionisanje zasnovano na emitovanju laserskih zraka ka površini diska i njihovoj
refleksiji od iste. U zavisnosti od konstrukcije ovi diskovi mogu biti samo čitajući CD-ROM, jednom
pisajući CD-R i više puta pisajući CD-RW (slika 4.17).
19
Slika 4.17. Poprečni presek kompakt diskova
CD-ROM
CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) su diskovi kod kojih se podaci mogu upisati samo jednom
(najčešće fabrički) tako da korisnik može samo da čita njihov sadržaj. Kao i kod magnetnih diskova i kod
optičkih diskova se podaci upisuju po stazama. Razlika je u tome što kod optičkih diskova ne postoji više
koncentričnih staza već samo jedna spiralna staza.
CR-ROM diskovi se sastoje iz tri sloja: polikarbonatnog stakla, tankog sloja aluminijuma i zaštitnog laka
koji štiti disk od oštećenja. Zapisivanje podataka se vrši tako što disk rotira a specijalni uređaj (pisač) duž
spiralne staze pravi mikroskopska udubljenja na polikarbonatnom staklu. Nakon toga se na polikarbonatno
staklo nanosi tanak sloj reflektujućeg aluminijuma koji popunjava napravljena udubljenja i preko njega sloj
zaštitnog laka. Prilikom čitanja podataka sa diska čitač emituje laserske zrake koji se reflektuju od površine
diska. Kada se laserski zrak emituje na mesto gde je udubljenje (gde je deblji sloj aluminijuma) refleksija je
izraženija i obrnuto. Odbijeni snop laserskog zraka upija fotodetektor i generiše električni impuls. Očito kada
se zrak usmeri ka mestu udubljenja fotodetektor će generisati električni impuls i obrnuto. To znači da je
udubljenje nosilac digitalnog podatka 1 a ispupčenje digitalnog podatka 0.
Slika 4.18. Spiralni žleb na kompakt disku
Najčešći kapaciteti su 650MB ili 700MB što odgovara dužini trajanja nekomprimovanog zvučnog zapisa od
74 i 80 minuta.
CD-R
CD-R (Compact Disc - Recordable) su diskovi na koje podatke mogu da upisuju i korisnici. Nastali su usled
prirodne potrebe korisnika da sami zapisuju podatke. CD-R tehnologija obuhvata sa jedne strane specijalne
uređaje koji imaju ulogu pisača a sa druge strane specijalne optičke diskove na kojima je moguće izvršiti
zapisivanje podataka u kućnim uslovima. CD-R diskovi takođe sadrže sloj od polikarbonatnog stakla na koji
se nanosi fotosenzitivni sloj. Na fotosenzitivni sloj se nanosi reflektivni sloj od srebra ili zlata. Na kraju se
nanosi zaštitni plastični sloj. Ovi diskovi su fabrički prazni sa pripremljenim stazama za pisanje. Proces
20
pisanja se vrši tako što se glava za pisanje kreće duž spiralne staze i emituje laserske zrake određene jačine.
Na mestu gde je fotosenzitivni sloj pogođen laserskim zrakom potrebne jačine dolazi do njegove hemijske
promene koja za posledicu ima znatno slabiju refleksiju. Kada čitač tokom čitanja pogodi laserskim zrakom
pomenuto mesto neće doći do refleksije pa samim tim ni do generisanja električnog impulsa u fotodetektoru
zbog čega možemo da kažemo da je to mesto sa digitalnim zapisom 0. Mesta na spiralnoj stazi kojima nije
promenjen hemijski sastav (koja nisu „spržena“) su nosioci digitalnog zapisa 1.
Kako se prilikom pisanja podataka na CD-R trajno menja hemijski sastav fotosenzitivnog sloja na diskove
ovog tipa je moguće zapisivati podatke samo jednom. Broj čitanja ovako zapisanih podataka je neograničen.
CD-RW
CD-RW (Compact Disc - ReWritable) su diskovi na kojima je moguće i pisanje i brisanje podataka. Ovi
diskovi u osnovi imaju sloj polikarbonatnog stakla sa urezanom spiralnom stazom. Na polikarbonatno staklo
se nanosi još 5 slojeva od kojih je najbitniji sloj za snimanje koji ima mogućnost fazne promene. Naime,
kada se ovaj sloj zagreje do određene temperature pa ohladi prelazi u kristalnu fazu koja se odlikuje velikom
refleksijom. Kada se zagreje do više tempreture i ohladi prelazi u amorfnu fazu koja ima vrlo nizak stepen
refleksije. S obzirom da je postupak čitanja isti kao i u slučaju CD-ROM i CD-R diskova očigledno je da
kristalna faza odgovara digitalnom zapisu 1, a amorfna faza digitalnom zapisu 0.
Zbog toga CR-RW snimač radi u 3 režima:
Režim za brisanje kojem odgovara veća jačina laserskih zraka neophodna za pretvaranje u amorfno
stanje,
Režim za snimanje kojem odgovara srednja jačina laserskih zraka neophodna za transformaciju u
kristalno stanje, i
Režim čitanja kojem odgovara najmanja jačina dovoljna za čitanje podataka.
DVD
Ubrzani razvoj digitalne tehnologije poslednjih 20 godina je za posledicu imao povećanje kvaliteta digitalnih
zapisa. Povećanje kvaliteta digitalnih zapisa se ogleda u mogućnosti kreiranja sve bogatijih, preciznijih i
sadržajnijih zapisa kao što su fajlovi, slike, video i audio zapisi itd. Tako na primer, poslednje generacije
digitalnih fotoaparata imaju senzore sa više od 10 mega piksela što omogućava visok kvalitet načinjene
fotografije. Međutim, visok kvalitet digitalnog zapisa zahteva i veći memorijski prostor za njihovo
skladištenje i čuvanje. Zbog toga se vrlo brzo javila potreba za memorijskim medijumima koji imaju veći
memorijski kapacitet. Kapacitet od 700 MB masovno korišćenih kompakt diskova se vrlo brzo pokazao kao
„siromašan“ za skladištenje uobičajenih korisničkih digitalnih zapisa. Zbog toga se 1996. godine kao
naslednik kompakt diska pojavio DVD (Digital Versatile Disk – digitalni višenamenski disk). Kategorizacija
je slična kao kod kompakt diskova što znači da možemo da razlikujemo DVD-ROM, DVD-R i DVD-RW.
Tehnologija izrade DVD diskova je slična tehnologiji izrade kompakt diskova ali je unapređena u cilju
povećanja memorijskog kapaciteta bez promene fizičkih dimenzija.
Povećanje memorijskog kapaciteta je postignuto povećavanjem gustine spiralnih staza. To znači da je
ukupna dužina spiralne staze duž koje se vrši zapis podataka znatno veća nego što je to slučaj kod kompakt
diskova. Drugo unapređenje predstavlja mogućnost zapisivanja podataka na dva sloja sa jedne strane ploče
za razliku od kompakt diskova gde se zapisivanje vrši samo na jednom sloju. Na taj način je dodatno
povećan kapacitet DVD diskova. Treće unapređenje je postignuto zamenom polikarbonatnog supstrata
(osnove) plastičnim supstratom. S obzirom da je debljina plastičnog supstrata duplo manja od debljine
polikarbonatnog supstrata moguće je spojiti dva diska. Na taj način se praktično duplira memorijski kapacitet
jer je moguće vršiti zapisivanje podataka na obe strane DVD diska.
U zavisnosti od primenjene tehnologije možemo da razlikujemo 4 vrste DVD diskova:
DVD – 5 jednostrani i jednoslojni DVD, kapacitet 4,7 GB
DVD – 9 jednostrani i dvoslojni DVD, kapacitet 8,5 GB
DVD – 10 dvostrani i jednoslojni DVD, kapacitet 9,4 GB
DVD – 18 dvostrani i dvoslojni DVD, kapacitet 17 GB
21
Zbog svega navedenog DVD diskovi imaju sve veću primenu i sve više zamenjuju kompakt diskove.
Blu-Ray disk
Blu-Ray disk (BD) je optički disk dizajniran da zameni DVD format. Složenica Blu-Ray ukazuje da ovaj
optički medijum koristi laser plave boje (eng. blue-ray – plavi zrak) koji ima manju talasnu dužinu nego
crveni laser, što omogućava da se informacije zapisuju na daleko većoj gustini nego što je to moguće sa
crvenim laserom primenjivanim u DVD tehnologiji. Ortografski ispravan naziv Blue-ray Disc je verovatno
promenjen da bi se lakše mogao registrovati kao robna marka. Blu-Ray disk je naslednik DVD diskova a
nastao je iz potrebe smeštanja HD zapisa (High Definition – visoka rezolucija) na memorijski medijum koji
su svojoj memorijskoj veličini značajno prevazilazili kapacitet tadašnjih DVD diskova. I tako dok je glavni
inicijator kreiranja CD diskova bila muzička produkcija, glavni inicijator kreiranja Blu-ray diskova je bila
filmska produkcija.
Po fizičkim karakteristikama Blu-Ray disk se ne razlikuju od DVD ili CD diskova. To je plastični disk
prečnika 120 mm, debljine 1,2 mm, dakle iste veličine kao i DVD odnosno CD diskovi. Konvencionalni Blu-
Ray diskovi imaju kapacitet 25 GB na jednom sloju, dok dvoslojni (Dual layer) imaju dva sloja sa po 25 GB
ukupno 50 GB kapaciteta. Trenutno, dvoslojni Blu-Ray diskovi predstavljaju standard za snimanje
dugometražnih video zapisa.
Glavna primena Blu-ray diskova je zapis video materijala kao što su igrani filmovi. Međutim, pored
hardverskih specifikacija ova nova tehnologija optičkih diskova je povezana i sa nizom potpuno novih
multimedijalnih formata. Suština je u tome da je zahvaljujuće većim kapacitetima moguće video i audio
zapise skladištiti sa mnogo većim definicijama nego što je to bilo moguće sa DVD tehnologijom.
Prvi Blu-Ray disk prototip je predstavljen u oktobru 2000, a prvi prototip čitač Blu-Ray diskova je
predstavljen 2003 godine u Japanu. Posle toga, ova tehnologija se intenzivno razvija sve do zvaničnog
puštanja u junu 2006. godine. Od juna 2011., više od 2500 filmskih naslova u Blu-Ray tehnologiji je bilo
dostupno u Australiji i Velikoj Britaniji i više od 3500 i SAD i Kanadi.
Magnetna traka
Memorisanje podataka na magnetnoj traci se danas vrlo retko primenjuje zbog dugotrajne, sekvencijalne
pretrage koja je glavni nedostatak, iako je jeftina i velikog kapaciteta. Princip izrade i rada je isti kao kod
muzičkih i video kaseta.
Fleš memorija
Fleš memorija je elektronska ne-naponska kompjuterska memorija koja se može elekronski pisati i brisati.
Fleš memoriju je konstruisao Dr Fudžio Masuka (Fujio Masouka) dok je radio u firmi Tošiba 1980. godine.
Naziv fleš memorija (eng. flash - bljesak) je sugerisao Masukin kolega inspirisan načinom brisanja podataka
koji podseća na bljesak (blic) fotoaparata. Dr Masuka i njegov kolega su predstavili svoj pronalazak na
medjunarodnoj konferenciji IEEE 1984 International Electronic Devices Meeting u San Francisku. Uvidevši
potencijal ovog pronalaska firma Intel je počela sa razvojem ovog tipa memorije i već 1988. godine
predstavila prvu komercijalnu fleš memoriju.
Fleš memorija je razvijena iz EEPROM memorije. Generalno, postoje dve vrste fleš memorije, nazvane
NAND i NOR fleš memorija.
Za razliku od klasične EPROM memorije koja mora biti u potpunosti obrisana da bi bilo moguće zapisati
nove podatke, NAND tip fleš memorije dozvoljava pisanje i čitanje memorijskih blokova koji su daleko
manji od memorije celog uredjaja. Sa druge strane NOR tip fleš memorije omogućava pisanje i čitanje
podataka u još manjim porcijama do nivoa jedne reči.
NAND tip memorije se prevashodno koristi za izradu trajne memorije (SSD diskove), memorijskih kartica,
USB fleš memorije, i njima sličnih proizvoda. NOR vrsta fleš memorije koja omogućava direktan pristup
22
podacima do nivoa jednog bajta. Trenutno, oba tipa fleš memorije imaju široku primenu u većini današnjih
digitalnih uređaja kao što su personalni računari, tablet računari, digitalni audio uređaji, digitalni fotoaparati,
mobilni telefoni, konzole za video igrice itd.
Pored činjenice da spadaju u ne-naponske memorije, fleš memorije imaju još prednosti. Brzina pristupa
podacima je veoma velika i uporediva sa brzinom pristupa koju ima dinamički RAM. Fleš memorija je
veoma otporna na mehaničke udare, otporna na visoke pritiske i temperature što je čini veoma pogodnom za
primenu u mernim uređajima koji se eksploatišu na otvorenom. Takođe, fleš memorije imaju mogućnost
višestrukog pisanja i brisanja što ih čini pogodnim za izradu hard diskova u tablet uređajima.
Memorijske kartice
Memorijske kartice su posebna vrsta fleš memorije koja se koristi kod digitalnih kamera i foto-aparata, PDA
uređaja, mobilnih telefona, itd. Vrste koje su upotrebi su: SD (mikro i mini), SDHC, CF, xD, MMC, Memory
Stick ProDuo M2 i dr. Kapaciteti su nekoliko desetina gigabajta. Svi laptop računari imaju čitač kartica za
ovu vrstu memorije. Jedan čitač može čitati različite vrste kartica.
Hijerarhija memorija
Piramida na slici 4.19. prikazuje hijerarhijsku uređenost memorija na osnovu kapaciteta, vremena pristupa i
cene gde se može uočiti neophodnost postojanja keš memorije u funkcionisanju računarskog sistema. Bez nje
postojao bi veliki jaz koji bi uslovljavao pad brzine rada računarskog sistema.
Slika 4.19. Podela memorija na osnovu kapaciteta, vremena pristupa i cene