Μνήμη υπολογιστή

Στο λήμμα αυτό περιγράφεται η πρωτεύουσα μνήμη των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Για μία περιγραφή της δευτερεύουσας ή εξωτερικής μνήμης βλ. μέσο αποθήκευσης δεδομένων. Για μία περιγραφή των καταχωρητών του επεξεργαστή βλ. καταχωρητής. Για μία περιγραφή της κρυφής μνήμης βλ. κρυφή μνήμη. Για μία ανάλυση της πρωτεύουσας μνήμης από τη σκοπιά του υλικού βλ. μνήμη τυχαίας προσπέλασης.

Βασική οργάνωση ΚΜΕ-Κρυφής μνήμης-Κύριας μνήμης

Η μνήμη υπολογιστή έχει να κάνει με τις συσκευές και τα αποθηκευτικά μέσα ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή, όπου αποθηκεύονται ψηφιακά δεδομένα τα οποία χρησιμοποιούνται από τον επεξεργαστή για κάποια χρονική περίοδο. Η αποθήκευση δεδομένων είναι ίσως η πιο βασική λειτουργία των σύγχρονων υπολογιστών και η μνήμη ένα από τα κύρια μέρη κάθε συστήματος που, σε συνδυασμό με την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, είναι απαραίτητα για τη λειτουργία κάθε βασικού ηλεκτρονικού υπολογιστή από τη δεκαετία του 1940 κι έπειτα (αρχιτεκτονική φον Νόιμαν).

Η ιεραρχική οργάνωση της μνήμης του υπολογιστή στις σύγχρονες αρχιτεκτονικές υπολογιστών καλείται ιεραρχία μνήμης. Έχει σχεδιαστεί ώστε να εκμεταλλεύεται την αρχή της τοπικότητας στα προγράμματα των υπολογιστών. Κάθε επίπεδο της ιεραρχίας έχει μεγαλύτερη ταχύτητα, μικρότερο χρόνο προσπέλασης και κατά κανόνα είναι μικρότερου μεγέθους από τα χαμηλότερα επίπεδα.

Οργάνωση

Όπως φαίνεται από το σχήμα, η μνήμη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή μπορεί να διαταχθεί σε μορφή πυραμίδας. Τα κατώτερα επίπεδα της πυραμίδας προσφέρουν μεγαλύτερη αλλά πιο αργή μνήμη· αντιθέτως, τα ανώτερα προσφέρουν μικρότερη μνήμη αλλά πολύ πιο γρήγορη. Το κατώτατο επίπεδο της πυραμίδας είναι οι μαγνητικές ταινίες και ανεβαίνοντας προς τα πάνω συναντά κανείς:

• τις μνήμες USB («φλασάκια»), τα CD-ROM ή DVD-ROM και τους σκληρούς δίσκους
• την κύρια μνήμη RAM
• την κρυφή μνήμη του επεξεργαστή
• τους καταχωρητές του επεξεργαστή
• Luhan

Άρα λοιπόν οι καταχωρητές βρίσκονται στην κορυφή της πυραμίδας και προσφέρουν την ταχύτερη μνήμη που υπάρχει. Δυστυχώς όμως το μέγεθος της μνήμης αυτής είναι πολύ περιορισμένο.

Κύρια μνήμη ή κεντρική μνήμη ονομάζεται η μνήμη υπολογιστή που είναι προσβάσιμη από την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ, CPU) ενός υπολογιστή, χωρίς να συμπεριλαμβάνει τις θύρες Εισόδου / Εξόδου. Η κύρια μνήμη χρησιμοποιείται για την αποθήκευση των δεδομένων και των προγραμμάτων που εκτελούνται. Ως κύρια μνήμη συνήθως χρησιμοποιούνται μικροτσίπ μνήμης RAM, τα οποία είναι «πτητικές» μνήμες υπό την έννοια ότι διατηρούν τα δεδομένα τους μόνο όσο τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα. Σπανιότερα χρησιμοποιούνται ακριβότερες «μνήμες μόνο ανάγνωσης» (ROM) οι οποίες δεν είναι πτητικές. Σε αντιδιαστολή, η δευτερεύουσα ή εξωτερική μνήμη χρησιμοποιείται για μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων και στον ρόλο αυτό χρησιμοποιούνται κατά κανόνα μαγνητικά ή οπτικά μέσα αποθήκευσης (π.χ. σκληροί δίσκοι, DVD-ROM κλπ).

Διευθύνσεις μνήμης και χώρος διευθύνσεων

Διεύθυνση μνήμης ονομάζεται ένα μοναδικό αναγνωριστικό για μια περιοχή της μνήμης στην οποία η ΚΜΕ ή κάποια άλλη συσκευή μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα ή εντολές για μετέπειτα πρόσβαση. Η μικρότερη περιοχή της μνήμης στην οποία μπορεί να αναφερθεί η ΚΜΕ με μια διεύθυνση ονομάζεται μονάδα διευθυνσιοδότησης. Αν αυτή είναι ένα byte τότε μιλάμε για byte-διευθυνσιοδοτούμενο υπολογιστή. Αυτό σημαίνει ότι η ΚΜΕ δεν μπορεί να εκτελέσει μία εντολή για να επηρεάσει μόνο, επί παραδείγματι, τέσσερα μπιτ κάπου στην μνήμη. Αντιθέτως, κάθε εγγραφή στην μνήμη θα επηρεάσει τουλάχιστον οκτώ μπιτ (ένα byte). Ανάλογα μπορούμε να έχουμε λέξη-διευθυνσιοδοτούμενο υπολογιστή, όταν η διευθυνσιοδοτούμενη μονάδα είναι μεγαλύτερη από byte.

Το σύνολο των δυνατών διευθύνσεων μνήμης σε κάποιο επίπεδο της ιεραρχίας ονομάζεται χώρος διευθύνσεων. Τα στοιχεία του χώρου διευθύνσεων μπορεί να χαρακτηρίζουν κελιά της κύριας μνήμης, της εικονικής μνήμης, θύρες εισόδου/εξόδου κλπ. Έτσι, επί παραδείγματι, δεδομένης μιας ΚΜΕ και τους εύρους του διαύλου διευθύνσεών της (γνωστού ως εύρους μνήμης), π.χ. έστω οκτώ μπιτ, λέμε ότι ο χώρος διευθύνσεων μνήμης της ΚΜΕ έχει μέγεθος 2⁸ = 256. Δηλαδή η ΚΜΕ μπορεί να «δει» ή να απευθυνθεί σε 256 ξεχωριστά κελιά μνήμης.

Πηγές

• Αρχιτεκτονική Υπολογιστών: Μια Δομημένη Προσέγγιση, Tanenbaum Andrew S., Εκδ. Κλειδάριθμος