Computerdatenspeicher

1Gib von Sdram montiert in a Computer. Ein Beispiel für Hauptspeicher.

fünfzehnGb Pata Festplattenlaufwerk (HDD) von 1999. Wenn er mit einem Computer verbunden ist, dient es als sekundär Lagerung.

160Gb Sdlt Bandpatrone, ein Beispiel von offline Lagerung. Wenn es innerhalb eines Roboters verwendet wird Bandbibliothek, es wird als klassifiziert als Tertiär- Speicher stattdessen.

Lesen/Schreiben Sie das DVD -Laufwerk mit Cradle für Medien erweitert

Computerdatenspeicher ist eine Technologie, die aus besteht aus Computer Komponenten und Medien aufnehmen die verwendet werden, um digital zu behalten Daten. Es ist eine Kernfunktion und eine grundlegende Komponente von Computern.^{[1]: 15–16}

Das Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) eines Computers ist das, was Daten durch Durchführung von Berechnungen manipuliert. In der Praxis verwenden fast alle Computer a Speicherhierarchie,^{[1]: 468–473} Dies setzt schnell, aber teuer und kleine Speicheroptionen in der Nähe der CPU und langsamer, aber kostengünstiger und größerer Optionen weiter entfernt. Im Allgemeinen werden die schnellen volatilen Technologien (die Daten verlieren, die bei Ausschaltung ausgeschaltet werden) als "Speicher" bezeichnet, während langsamere anhaltende Technologien als "Speicher" bezeichnet werden.

Sogar die ersten Computerdesigns, Charles Babbage's Analytischer Motor und Percy Ludgate'S Analytical Machine, deutlich zwischen Verarbeitung und Speicher unterschieden (Babbage gespeicherte Zahlen als Getrieberotationen, während Ludgate Zahlen als Verschiebungen von Stäben in Shuttles speicherte). Diese Unterscheidung wurde in der verlängert Von Neumann Architektur, wo die CPU aus zwei Hauptteilen besteht: die Steuergerät und die Arithmetik-Logikeinheit (Alu). Der erstere steuert den Datenfluss zwischen CPU und Speicher, während letzteres Arithmetik ausführt und logische Operationen auf Daten.

Funktionalität

Ohne eine erhebliche Menge an Speicher kann ein Computer lediglich feste Vorgänge ausführen und das Ergebnis sofort ausgeben. Es müsste neu konfiguriert werden, um sein Verhalten zu ändern. Dies ist für Geräte wie Schreibtisch akzeptabel Taschenrechner, Digitale Signalprozessorenund andere spezialisierte Geräte. Von Neumann Maschinen unterscheiden sich in einem Speicher, in dem sie ihren Betrieb speichern Anweisungen und Daten.^{[1]: 20} Solche Computer sind insofern vielseitiger, als sie ihre Hardware nicht für jedes neue Programm neu konfigurieren müssen, können aber einfach sein neu programmiert mit neuen Anweisungen in Memory; Sie sind auch in der Regel einfacher zu gestalten, da ein relativ einfacher Prozessor behalten kann Zustand Zwischen aufeinanderfolgenden Berechnungen zum Aufbau komplexer Verfahrensergebnisse. Die meisten modernen Computer sind von Neumann -Maschinen.

Datenorganisation und Darstellung

Eine moderne digitaler Computer repräsentiert Daten Verwendung der Binäres Ziffernsystem. Text, Zahlen, Bilder, Audio und fast jede andere Form von Informationen können in eine Zeichenfolge von konvertiert werden Bits, oder binäre Ziffern, von denen jeder einen Wert von 0 oder 1. hat Byte, gleich 8 Bit. Eine Information kann von jedem Computer oder Gerät behandelt werden, dessen Speicherplatz groß genug ist, um sich aufzunehmen Die binäre Darstellung der Information, oder einfach Daten. Zum Beispiel die Komplette Werke von Shakespeareca. 1250 Seiten im Druck können in etwa fünf aufbewahrt werden Megabyte (40 Millionen Bit) mit einem Byte pro Charakter.

Daten sind codiert Indem Sie jedem ein Bitmuster zuweisen Charakter, Ziffer, oder Multimedia Objekt. Es gibt viele Standards für die Codierung (z. Charaktercodierungen wie ASCII, Bildcodierungen mögen JPEG, Videocodierungen mögen MPEG-4).

Durch Hinzufügen von Bits zu jeder codierten Einheit ermöglicht Redundanz, dass der Computer beider Fehler in codierten Daten erfasst und basierend auf mathematischen Algorithmen korrigiert wird. Fehler treten im Allgemeinen bei niedrigen Wahrscheinlichkeiten auf, die zu tun haben zufällig Bit-Wert-Flipping oder "physische Bitmüdigkeit", Verlust des physischen Bits bei der Speicherung seiner Fähigkeit, einen unterscheidbaren Wert (0 oder 1) aufrechtzuerhalten, oder aufgrund von Fehlern in der Zwischen- oder Intra-Computer-Kommunikation. Eine zufällige Bit Flip (z. B. zufällig Strahlung) wird bei der Erkennung typischerweise korrigiert. Ein Bit oder eine Gruppe fehlerhafter physikalischer Bits (das spezifische fehlerhafte Bit ist nicht immer bekannt; Gruppendefinition hängt von einem bestimmten Speichergerät ab) wird normalerweise automatisch eingezäunt, von dem Gerät nicht verwendet und durch eine andere funktionierende äquivalente Gruppe ersetzt im Gerät, wobei die korrigierten Bitwerte wiederhergestellt werden (wenn möglich). Das zyklische Redundanzprüfung (CRC) -Methode wird normalerweise in der Kommunikation und Speicherung für verwendet Fehlererkennung. Ein erkannter Fehler wird dann wiedergegeben.

Datenkompression Methoden ermöglichen es in vielen Fällen (z. B. einer Datenbank), eine Reihe von Bits durch eine kürzere Bit -String ("Komprimierung") darzustellen und die ursprüngliche Zeichenfolge ("Dekompress") bei Bedarf zu rekonstruieren. Dies verwendet wesentlich weniger Speicher (Zehnreihen von Wahrnehmungen) für viele Datenarten auf Kosten einer weiteren Berechnung (bei Bedarf zum Kompressen und Dekomprimieren). Die Analyse des Kompromisses zwischen Speicherkosteneinsparung und Kosten verwandter Berechnungen und mögliche Verzögerungen bei der Datenverfügbarkeit erfolgt vor der Entscheidung, ob bestimmte Daten komprimiert werden sollen oder nicht.

Zum sicherheits GründeEs können bestimmte Arten von Daten (z. B. Kreditkarteninformationen) aufbewahrt werden verschlüsselt im Speicher, um die Möglichkeit einer nicht autorisierten Informationen zu verhindern, dass die Informationsrekonstruktion aus Stücke von Speicherschnappschüssen rekonstruiert wird.

Hierarchie des Speichers

Verschiedene Speicherformen, geteilt nach ihrer Entfernung von der Zentrale Verarbeitungseinheit. Die grundlegenden Komponenten eines allgemeinen Computers sind Arithmetik-und Logikeinheit, Steuerschaltung, Speicherplatz und Input-Output Geräte. Technologie und Kapazität wie gemeinsam Heimcomputer um 2005.

Je niedriger ein Speicher in der Hierarchie ist, desto weniger ist es Bandbreite und je größer sein Zugang Latenz ist von der CPU. Diese traditionelle Aufteilung der Lagerung in primäre, sekundäre, tertiäre und offline-Lagerung wird ebenfalls von den Kosten pro Bit geleitet.

In zeitgenössischer Verwendung, Erinnerung ist gewöhnlich Halbleiter Speicherschreiber Arbeitsspeicher, normalerweise Dram (Dynamischer RAM) oder andere Formen des schnellen, aber vorübergehenden Speichers. Lagerung besteht aus Speichergeräten und ihren Medien, die von der nicht direkt zugänglich sind Zentralprozessor (sekundär oder Tertiärlagerung), normalerweise Festplattenfahrten, optische Scheibe Laufwerke und andere Geräte langsamer als RAM, aber nicht flüchtig (Inhalt beibehalten, wenn sie nach unten versorgt werden).^[2]

Historisch, Erinnerung genannt worden Kerngedächtnis, Haupterinnerung, Echter Speicher, oder interner Speicher. Inzwischen wurden nichtflüchtige Speichergeräte als als bezeichnet als Zweitlager, Externer Speicher, oder Hilfs-/Peripheriespeicher.

Hauptspeicher

Hauptspeicher (auch bekannt als Haupterinnerung, interner Speicher, oder Hauptgedächtnis), oft einfach als als Erinnerung, ist der einzige, der direkt für die CPU zugänglich ist. Die CPU liest kontinuierlich Anweisungen, die dort gespeichert sind, und führt sie nach Bedarf aus. Alle Daten, die aktiv betrieben werden, werden ebenfalls auf einheitliche Weise gespeichert.

Historisch, frühe Computer Gebraucht Verzögerung von Linien, Williams Tubes, oder rotieren magnetische Trommeln als primäre Speicher. Bis 1954 wurden diese unzuverlässigen Methoden hauptsächlich durch ersetzt durch Magnetkerngedächtnis. Das Kerngedächtnis blieb bis in die 1970er Jahre dominant, als Fortschritte in der Folge Integrierter Schaltkreis Technologie erlaubt Halbleitergedächtnis wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden.

Dies führte zu modernen Arbeitsspeicher (RAM). Es ist kleiner, leicht, aber gleichzeitig ziemlich teuer. Die besonderen Arten von RAM, die für den Primärspeicher verwendet werden, sind flüchtig, was bedeutet, dass sie die Informationen verlieren, wenn sie nicht betrieben werden. Neben der Aufbewahrung geöffneter Programme dient es als Festplattencache und Schreiben Sie Puffer sowohl das Lese- als auch die Schreibleistung zu verbessern. Betriebssysteme liehen die RAM -Kapazität für das Caching aus, solange nicht durch Ausführen von Software erforderlich ist.^[3] Ersatzspeicher kann als verwendet werden als RAM -Laufwerk Für temporäre Hochgeschwindigkeitsdatenspeicher.

Wie im Diagramm gezeigt, gibt es traditionell zwei weitere Unterschichten der Hauptspeicher, neben dem Haupt-Großkapazitäts-RAM:

• Prozessorregister befinden sich im Prozessor. Jedes Register enthält normalerweise a Wort von Daten (oft 32 oder 64 Bit). CPU -Anweisungen weisen die an Arithmetik-Logikeinheit Ausführen verschiedener Berechnungen oder anderer Vorgänge für diese Daten (oder mit Hilfe davon). Register sind die schnellsten aller Formen der Computerdatenspeicherung.
• Prozessor -Cache ist eine Zwischenstufe zwischen ultraschnellen Registern und viel langsamerem Hauptgedächtnis. Es wurde ausschließlich eingeführt, um die Leistung von Computern zu verbessern. Am aktivsten verwendeten Informationen im Hauptspeicher werden nur im Cache -Speicher dupliziert, was schneller, aber von viel weniger Kapazität ist. Andererseits ist der Hauptspeicher viel langsamer, hat jedoch eine viel größere Speicherkapazität als Prozessorregister. Multi-Level Hierarchischer Cache Das Setup wird auch häufig verwendet -primärer Cache kleinste, schnellste und in der Prozessor befindlichen; sekundärer Cache etwas größer und langsamer sein.

Der Hauptspeicher ist direkt oder indirekt über a mit der zentralen Verarbeitungseinheit verbunden Speicherbus. Es sind tatsächlich zwei Busse (nicht auf dem Diagramm): ein Adressbus und ein Datenbus. Die CPU sendet zuerst eine Nummer über einen Adressbus, eine Nummer aufgerufen SpeicheradresseDies zeigt den gewünschten Ort der Daten an. Dann liest oder schreibt es die Daten in die Gedächtniszellen Verwenden des Datenbusses. Zusätzlich a Speicherverwaltungseinheit (MMU) ist ein kleines Gerät zwischen CPU und RAM, das die tatsächliche Speicheradresse neu berechnet, um eine Abstraktion von zu liefern virtueller Speicher oder andere Aufgaben.

Da die für den Primärspeicher verwendeten RAM -Typen volatil sind (bei Start nicht initialisiert), hat ein Computer, der nur einen solchen Speicher enthält, keine Quelle zum Lesen von Anweisungen, um den Computer zu starten. Somit, Nichtflüchtiger Primärspeicher ein kleines Start -up -Programm enthalten (BIOS) wird benutzt um Bootstrap Der Computer, dh ein größeres Programm von nichtflüchtigem Lesen sekundär Speicher auf RAM und beginnt, es auszuführen. Eine nichtflüchtige Technologie, die für diesen Zweck verwendet wird, heißt ROM, für Nur-Lese-Speicher (Die Terminologie kann etwas verwirrend sein, da die meisten ROM -Typen auch fähig sind Zufallszugriff).

Viele Arten von "ROM" sind nicht buchstäblich nicht schreibgeschützt, wie Aktualisierungen für sie möglich sind; Es ist jedoch langsam und das Gedächtnis muss in großen Teilen gelöscht werden, bevor es erneut geschrieben werden kann. Etwas eingebettete Systeme Führen Sie Programme direkt aus ROM (oder ähnlichem) aus, da solche Programme selten geändert werden. Standardcomputer speichern keine nicht-rudimentären Programme in ROM und verwenden vielmehr große Kapazitäten der sekundären Speicherung, die ebenfalls nicht flüchtig und nicht so kostspielig ist.

In letzter Zeit, Hauptspeicher und Zweitlager In einigen Verwendungen beziehen sich auf das, was historisch bezeichnet wurde, jeweils Zweitlager und Tertiärlagerung.^[4]

Zweitlager

A Festplatte (HDD) mit schützender Abdeckung entfernt

Zweitlager (auch bekannt als Externer Speicher oder Hilfspeicher) unterscheidet sich von der Primärspeicherung darin, dass sie von der CPU nicht direkt zugänglich ist. Der Computer verwendet normalerweise seine Eingangs-/Ausgangskanäle, um auf den Sekundärspeicher zuzugreifen und die gewünschten Daten in Primärspeicher zu übertragen. Die Sekundärspeicherung ist nichtflüchtig (bei der Ausschalten des Stromversorgungs). Moderne Computersysteme haben in der Regel zwei Größenordnungen mehr Sekundärspeicher als Primärspeicher, da die sekundäre Speicherung günstiger ist.

In modernen Computern, Festplattenfahrten (HDDS) oder Solid State Drives (SSDs) werden normalerweise als Sekundärspeicher verwendet. Das Zugriffszeit pro Byte für HDDs oder SSDs wird normalerweise in gemessen Millisekunden (Eintausendste Sekunden), während die Zugangszeit pro Byte für die Primärspeicherung in gemessen wird Nanosekunden (eine Milliarden Sekunden). Somit ist die sekundäre Lagerung deutlich langsamer als die primäre Speicher. Rotieren optische Speicherung Geräte wie z. CD und DVD Laufwerke, haben noch längere Zugangszeiten. Weitere Beispiele für Sekundärspeichertechnologien sind USB -Flash -Laufwerke, Disketten, Magnetband, Papier Klebeband, geschlagene Karten, und Widderscheiben.

Einmal der Festplattenlesen/Schreibkopf Auf HDDs erreicht die richtige Platzierung und die Daten, die nachfolgenden Daten auf der Spur sind sehr schnell zugänglich. Um die Suchzeit und die Rotationslatenz zu verkürzen, werden Daten in großen zusammenhängenden Blöcken auf und von Scheiben übertragen. Sequentielle oder Blockzugriff auf Festplatten sind Größenordnungen schneller als den Zufallszugriff, und es wurden viele hoch entwickelte Paradigmen entwickelt, um effiziente Algorithmen basierend auf sequentiellem Zugriff zu entwerfen. Eine andere Möglichkeit, den E/A -Engpass zu reduzieren, besteht darin, mehrere Festplatten parallel zu verwenden, um die Bandbreite zwischen Primär- und Sekundärgedächtnis zu erhöhen.^[5]

Sekundärspeicher wird häufig nach a formatiert Dateisystem Format, das die Abstraktion liefert, die zum Organisieren von Daten erforderlich ist Dateien und Verzeichnissewährend gleich Metadaten Beschreibung des Eigentümers einer bestimmten Datei, der Zugriffszeit, der Zugriffsberechtigungen und anderer Informationen.

Meiste Computer Betriebssysteme das Konzept von verwenden virtueller SpeicherErmöglichen der Nutzung mehr primärer Speicherkapazität als im System physikalisch verfügbar. Wenn sich der primäre Speicher füllt, bewegt das System die am wenigsten verwendeten Stücke (Seiten) zu einer SWAP -Datei oder einer Datendatei zum Sekundärspeicher, wobei sie später bei Bedarf abgerufen werden. Wenn viele Seiten in einen langsameren Sekundärspeicher verschoben werden, wird die Systemleistung verschlechtert.

Tertiärlagerung

Ein großer Bandbibliothek, mit Bandpatronen, die vorne in die Regale platziert sind, und einem Roboterarm, der sich hinten bewegt. Die sichtbare Höhe der Bibliothek beträgt ca. 180 cm.

Tertiärlagerung oder Tertiärspeicher^[6] ist eine Ebene unterhalb der Sekundärspeicherung. Normalerweise beinhaltet es einen Robotermechanismus, der wird montieren (Einfügen) und Abgang Abnehmbare Massenspeichermedien in ein Speichergerät entsprechend den Anforderungen des Systems; Solche Daten werden häufig vor der Verwendung in den Sekundärspeicher kopiert. Es wird hauptsächlich für die Archivierung selten auf Informationen verwendet, da es viel langsamer ist als die sekundäre Speicherung (z. B. 5–60 Sekunden gegenüber 1–10 Millisekunden). Dies ist in erster Linie nützlich für außerordentlich große Datenspeicher, auf die ohne menschliche Bediener zugegriffen wird. Typische Beispiele sind Bandbibliotheken und Optische Jukeboxen.

Wenn ein Computer Informationen aus dem Tertiärspeicher lesen muss, wird er zunächst einen Katalog konsultieren Datenbank Um festzustellen, welches Band oder die Disc die Informationen enthält. Als nächstes unterrichtet der Computer a Roboterarm um das Medium zu holen und in eine Fahrt zu legen. Wenn der Computer die Informationen gelesen hat, wird der Roboterarm das Medium an seinen Platz in der Bibliothek zurückkehren.

Tertiärlagerung ist auch als bekannt als Nahe Lagerung Weil es "in der Nähe von Online" ist. Die formelle Unterscheidung zwischen Online-, Nah- und Offline -Speicher ist:^[7]

• Online -Speicher ist sofort für E/A verfügbar.
• Nahe Speicher ist nicht sofort verfügbar, kann aber ohne menschliche Intervention online gestellt werden.
• Offline -Speicher ist nicht sofort verfügbar und erfordert, dass eine menschliche Intervention online wird.

Zum Beispiel sind immer drehende Festplatten-Laufwerke online zu speichern, während sich Drehantriebe automatisch drehen, z. B. in massiven Arrays von Leerlaufscheiben (DIENSTMÄDCHEN), sind nahezu liegende Aufbewahrung. Abnehmbare Medien wie Bandpatronen, die automatisch geladen werden können, wie in Bandbibliotheken, sind nahezu liegende Aufbewahrung, während Bandpatronen, die manuell beladen werden müssen, offline -Speicher sind.

Offline-Speicher

Offline-Speicher ist ein Computerdatenspeicher auf einem Medium oder einem Gerät, das nicht unter der Kontrolle von a steht Verarbeitungseinheit.^[8] Das Medium wird normalerweise in einem sekundären oder tertiären Speichergerät aufgezeichnet und dann physikalisch entfernt oder getrennt. Es muss von einem menschlichen Bediener eingefügt oder verbunden werden, bevor ein Computer erneut darauf zugreifen kann. Im Gegensatz zur tertiären Speicherung kann nicht ohne menschliche Interaktion zugegriffen werden.

Offline Speicher wird gewohnt, um Informationen übertragenDa das abgelöste Medium leicht physikalisch transportiert werden kann. Darüber hinaus ist es für Fälle von Katastrophen nützlich, in denen beispielsweise ein Feuer die ursprünglichen Daten zerstört, ein Medium an einem abgelegenen Ort nicht betroffen ist, um aktiviert zu werden Notfallwiederherstellung. Offline-Speicher erhöht sich allgemein InformationssicherheitDa es physisch unzugänglich von einem Computer ist und die Vertraulichkeit oder Integrität der Daten nicht von computergestützten Angriffstechniken beeinflusst werden kann. Wenn auf die für Archivzwecke gespeicherten Informationen selten zugegriffen werden, ist die Offline-Speicherung kostengünstiger als tertiärer Speicher.

In modernen Personalcomputern werden die meisten sekundären und tertiären Speichermedien auch für den Offline-Speicher verwendet. Optische Discs und Flash -Speichergeräte sind am beliebtesten und in viel weniger abnehmbaren Festplattenantrieben. Bei Enterprise -Verwendungen ist Magnetband vorherrschend. Ältere Beispiele sind Floppy -Scheiben, Reißverschlüsse oder Stanzkarten.

Eigenschaften der Speicherung

Ein 1 Gib -Modul von Laptop DDR2 RAM

Speichertechnologien auf allen Ebenen der Speicherhierarchie können differenziert werden, indem bestimmte Kerneigenschaften bewertet und Merkmale messen, die für eine bestimmte Implementierung spezifisch sind. Diese Kernmerkmale sind Volatilität, Veränderlichkeit, Zugänglichkeit und Adressierbarkeit. Für eine bestimmte Implementierung jeder Speichertechnologie sind die Merkmale, die es wert sind, Kapazität und Leistung zu messen.

Volatilität

Nichtflüchtiger Gedächtnis behält die gespeicherten Informationen, auch wenn sie nicht ständig mit Strom versorgt werden. Es ist für eine langfristige Speicherung von Informationen geeignet. Flüchtiger Speicher Erfordert ständige Kraft, um die gespeicherten Informationen aufrechtzuerhalten. Die schnellsten Gedächtnistechnologien sind volatile, obwohl dies keine universelle Regel ist. Da der primäre Speicher sehr schnell sein muss, verwendet er vorwiegend den flüchtigen Speicher.

Dynamischer Direktzugriffsspeicher ist eine Form des volatilen Speichers, für die auch die gespeicherten Informationen regelmäßig neu gelesen und neu geschrieben werden müssen, oder erfrischtsonst würde es verschwinden. Statische Zufallszugriffsgedächtnis ist eine Form des flüchtigen Speichers, ähnlich wie Dram, mit der Ausnahme, dass es nie aktualisiert werden muss, solange Strom angewendet wird. Es verliert seinen Inhalt, wenn die Stromversorgung verloren geht.

Ein unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) kann verwendet werden, um einem Computer ein kurzes Zeitfenster zu geben, um Informationen aus dem primären flüchtigen Speicher in nichtflüchtigen Speicher zu verschieben, bevor die Batterien erschöpft sind. Zum Beispiel einige Systeme EMC SymmetrixHaben Sie Batterien, die einige Minuten lang einen volatilen Speicher halten.

Wandlungsfähigkeit

Lesen/Schreiben Sie den Speicher oder veränderlichen Speicher

Ermöglicht, dass Informationen jederzeit überschrieben werden. Ein Computer ohne Menge an Lese-/Schreibspeicher für primäre Speicherzwecke wäre für viele Aufgaben nutzlos. Moderne Computer verwenden normalerweise auch Lese-/Schreibspeicher für den Sekundärspeicher.

Langsames Schreiben, schnell gelesene Speicherung

Lesen/Schreibspeicher, mit dem Informationen mehrfach überschrieben werden können, aber der Schreibvorgang ist viel langsamer als der Lesevorgang. Beispiele beinhalten CD-RW und SSD.

Schreiben Sie einmal Speicher

Schreiben Sie einmal viele Lesen Sie viele (Wurm) ermöglicht es, dass die Informationen irgendwann nach der Herstellung nur einmal geschrieben werden. Beispiele sind Halbleiter Programmierbares schreibgeschütztes Speicher und CD-R.

Lesen Sie nur Speicher

Behält die zum Zeitpunkt der Herstellung gespeicherten Informationen. Beispiele beinhalten Maske ROM ICS und CD-ROM.

Barrierefreiheit

Zufallszugriff

Jeder Standort im Speicher kann jederzeit in ungefähr der gleichen Zeit zugreifen. Solche Merkmale eignen sich gut für die primäre und sekundäre Speicherung. Die meisten Halbleiter -Erinnerungen und Festplattenantriebe bieten jedoch nur einen Zufallszugriff Flash-Speicher Unterstützt den Zufallszugriff ohne Latenz, da keine mechanischen Teile bewegt werden müssen.

Sequentieller Zugriff

Der Zugriff auf Informationen wird in einer seriellen Reihenfolge nacheinander sein; Daher hängt die Zeit für den Zugriff auf eine bestimmte Information davon ab, auf welche Informationen zuletzt zugegriffen wurden. Solche Merkmale sind typisch für den Offline-Speicher.

Adressierbarkeit

Ortsadressible

Jede individuell zugängliche Informationseinheit im Speicher wird mit ihrem numerischen Auswahl Speicheradresse. In modernen Computern ist der Standortadressiblespeicher in der Regel für den Primärspeicher, der intern von Computerprogrammen zugegriffen wird, da die Standortaddressibilität sehr effizient ist, aber für den Menschen belastend ist.

Datei adressierbar

Informationen sind unterteilt in Dateien von variabler Länge, und eine bestimmte Datei wird mit ausgewählt für Menschen lesbar Verzeichnis und Dateinamen. Das zugrunde liegende Gerät ist immer noch landerschaftlich adressiv, aber das Betriebssystem eines Computers liefert das Dateisystem Abstraktion Um den Vorgang verständlicher zu machen. In modernen Computern werden sekundäre, tertiäre und offline-Speicherdateisysteme verwendet.

Inhaltsadressibel

Jede individuell zugängliche Informationseinheit wird auf der Grundlage der dort gespeicherten Inhalte ausgewählt. Inhaltsadressible Speicher kann mit Verwendung implementiert werden Software (Computerprogramm) oder Hardware- (Computergerät), wobei die Hardware schneller, aber teurere Option ist. Der adressierbare Hardware -Inhaltsspeicher wird häufig in einem Computer verwendet CPU -Cache.

Kapazität

Rohkapazität

Die Gesamtmenge der gespeicherten Informationen, die ein Speichergerät oder ein Medium enthalten können. Es wird als eine Menge von ausgedrückt Bits oder Bytes (z. B. 10.4 Megabyte).

Speicherspeicherdichte

Die Kompaktheit gespeicherter Informationen. Es ist die Speicherkapazität eines Mediums, das mit einer Länge, Fläche oder einem Volumeneinheit geteilt ist (z. B. 1,2 Megabyte pro Quadratzoll).

Leistung

Latenz

Die Zeit, die für den Zugriff auf einen bestimmten Standort im Speicher benötigt wird. Das relevante Maßeinheit ist normalerweise Nanosekunde Für die primäre Speicherung, Millisekunde für sekundäre Lagerung und zweite Für tertiäre Lagerung. Es kann sinnvoll sein, die Lesenlatenz zu trennen und eine Latenz (insbesondere für nichtflüchtige Speicher) und im Falle eines sequentiellen Zugriffsspeichers, der minimalen, maximalen und durchschnittlichen Latenz.

Durchsatz

Die Rate, mit der Informationen gelesen oder in den Speicher geschrieben werden können. Im Computerdatenspeicher wird der Durchsatz normalerweise in Bezug auf Megabyte pro Sekunde (mb/s) ausgedrückt Bitrate kann auch verwendet werden. Wie bei der Latenz müssen möglicherweise die Les -Rate und die Schreibrate differenziert werden. Auch auf Medien zugreift, im Gegensatz zu zufällig, liefert typischerweise einen maximalen Durchsatz.

Die Granularität

Die Größe des größten "Teils" von Daten, auf die effizient als einzelne Einheit zugegriffen werden kann, z. ohne zusätzliche Latenz einzuführen.

Verlässlichkeit

Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Bitwertänderung unter verschiedenen Bedingungen oder insgesamt Fehlerrate.

Dienstprogramme wie HDParm und Sar Kann verwendet werden, um die IO -Leistung unter Linux zu messen.

Energieverbrauch

• Speichergeräte, die die Nutzung des Lüfters reduzieren, werden während der Inaktivität automatisch heruntergefahren, und niedrige Festplatten können den Energieverbrauch um 90 Prozent verringern.^[9][10]
• 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerke verbrauchen oft weniger Leistung als größere.^[11][12] Geringe Kapazität Solid State Drives Haben Sie keine beweglichen Teile und verbrauchen weniger Strom als Festplatten.^[13][14][15] Außerdem kann der Speicher mehr Strom verbrauchen als Festplatten.^[15] Große Caches, die verwendet werden, um zu vermeiden, die zu treffen Speicherwand, kann auch eine große Menge an Strom verbrauchen.

Sicherheit

Volldiskette Verschlüsselung, Volumen- und virtuelle Festplattenverschlüsselung, Andor -Datei/Ordnerverschlüsselung ist für die meisten Speichergeräte leicht verfügbar.^[16]

Die Hardware -Speicherverschlüsselung ist in der Intel -Architektur verfügbar und unterstützt die Verschlüsselung der Gesamtspeicherverschlüsselung (TME) und die Verschlüsselung von Page Granular Memory mit mehreren Tasten (MKTME).^[17][18] und in Sparc M7 -Generation seit Oktober 2015.^[19]

Verwundbarkeit und Zuverlässigkeit

CLEVER. Die Softwarewarnung schlägt vor, dass ein drohender Festplattenfehler vorliegt

Unterschiedliche Arten von Datenspeicher haben unterschiedliche Fehlerpunkte und verschiedene Methoden von Vorhersageversagenanalyse.

Schwachstellen, die sofort zu Totalverlust führen können, sind Kopfunfall auf mechanischen Festplatten und Ausfall elektronischer Komponenten Beim Flash -Speicher.

Fehlererkennung

Fehlerrate -Messung auf einen DVD+r. Die geringfügigen Fehler sind korrigierbar und innerhalb eines gesunden Bereichs.

Bevorstehendes Misserfolg an Festplattenfahrten ist schätzbar verwendet CLEVER. Diagnosedaten, die die enthalten Öffnungszeiten und die Anzahl von Spin-ups, obwohl seine Zuverlässigkeit umstritten ist.^[20]

Durch die Flash -Speicherung kann die Verschiebungsübertragungsraten aufgrund von Anhäufen von Fehlern erfahren Flash -Speichercontroller Versuche zu korrigieren.

Die Gesundheit von Optische Medien kann durch bestimmt werden durch Messen korrigierbarer kleiner Fehler, von denen hohe Zählungen verschlechternde und/oder minderwertige Medien bedeuten. Zu viele aufeinanderfolgende geringfügige Fehler können zu Datenbeschädigungen führen. Nicht alle Anbieter und Modelle von optische Laufwerke Support -Fehlerscanning.^[21]

Speichermedium

Ab 2011^{[aktualisieren]}Die am häufigsten verwendeten Datenspeichermedien sind Halbleiter, magnetisch und optisch, während das Papier immer noch eine begrenzte Verwendung sieht. Für die Entwicklung werden einige andere grundlegende Speichertechnologien wie All-Flash-Arrays (AFAS) vorgeschlagen.

Halbleiter

Halbleitergedächtnis Verwendet Halbleiter-basierend Integrierter Schaltkreis (IC) Chips zum Speichern von Informationen. Daten werden normalerweise in gespeichert Metal -Oxid -Jemonductor (Mos) Gedächtniszellen. Ein Halbleiter -Gedächtnischip kann Millionen von Speicherzellen enthalten, die aus Tiny bestehen MOS-Feldeffekttransistoren (Mosfets) und/oder MOS -Kondensatoren. Beide flüchtig und nicht flüchtig Formen des Halbleitergedächtnisses existieren erstere, die Standard -MOSFETs und letztere verwenden schwimmende Gate-MOSFETs.

In modernen Computern besteht der primäre Speicher fast ausschließlich aus dynamischem flüchtigen Halbleiter Arbeitsspeicher (RAM), besonders Dynamischer Direktzugriffsspeicher (Dram). Seit der Jahrhundertwende eine Art nichtflüchtiges Jahrhundert schwebendes Gebiet Halbleitergedächtnis bekannt als als Flash-Speicher hat stetig Anteil als Offline-Speicher für Heimcomputer gewonnen. Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher wird auch für den Sekundärspeicher in verschiedenen fortschrittlichen elektronischen Geräten und spezialisierten Computern verwendet, die dafür ausgelegt sind.

Bereits 2006, Notizbuch und Desktop-Computer Die Hersteller haben mit der Verwendung von Flash-basierten Basis begonnen Solid State Drives (SSDS) Default -Konfigurationsoptionen für den Sekundärspeicher entweder zusätzlich zu oder anstelle der herkömmlichen Festplatte.^{[22][23][24][25][26]}

Magnetisch

Magnetischer Speicher verwendet verschiedene Muster von Magnetisierung auf einen magnetisch Beschichtete Oberfläche, um Informationen zu speichern. Magnetische Speicherung ist nicht flüchtig. Die Informationen werden mit einem oder mehreren Lese-/Schreibköpfen zugegriffen, die möglicherweise einen oder mehrere Aufzeichnungswandler enthalten. Ein Lese-/Schreibkopf deckt nur einen Teil der Oberfläche ab, so dass der Kopf oder Medium oder beide relativ zu einem anderen verschoben werden müssen, um auf Daten zuzugreifen. In modernen Computern wird der Magnetspeicher folgende Formen annehmen:

• Magnetscheibe;
  • Diskettefür Offline-Speicher;
  • Festplatte, verwendet für den Sekundärspeicher.
• Magnetbandfür tertiäre und offline-Speicher;
• Karussellgedächtnis (Magnetrollen).

In frühen Computern wurde auch Magnetspeicher verwendet als:

• Primärspeicherung in Form von Magneter Gedächtnis, oder Kerngedächtnis, Kernseilspeicher, Dünnfilmspeicher und/oder Twistor -Speicher;
• Tertiär (z. NCR Cram) oder Off -Line -Speicher in Form von Magnetkarten;
• Magnetklebeband wurde dann häufig für den Sekundärspeicher verwendet.

Die Magnetspeicherung hat keine eindeutige Grenze der Umschreibungszyklen wie Blitzspeicher und neu geschriebene optische Medien, da veränderte Magnetfelder keinen physischen Verschleiß verursachen. Ihre Lebensdauer ist vielmehr durch mechanische Teile begrenzt.^[27][28]

Optisch

Optische Speicherung, das typische optische Scheibespeichert Informationen in Deformitäten auf der Oberfläche einer kreisförmigen Scheibe und liest diese Informationen, indem die Oberfläche mit a beleuchtet wird Laserdiode und die Reflexion beobachten. Die optische Scheibenspeicherung ist nicht flüchtig. Die Deformitäten können dauerhaft sein (nur Medien lesen), einmal gebildet (einmal schreiben) oder reversibel (aufzeichnende oder Lese-/Schreibmedien). Die folgenden Formulare werden derzeit gemeinsam verwendet:^[29]

• CD, CD-ROM, DVD, BD-ROM: Lesen Sie nur Speicher, der für die Massenverteilung digitaler Informationen (Musik, Video, Computerprogramme) verwendet wird;
• CD-R, DVD-R, DVD+r, BD-R: Schreiben Sie einmal Speicher, der für Tertiär- und Offline-Speicher verwendet wird.
• CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM, Bd-re: Langsames Schreiben, schnell gelesene Speicher, verwendet für Tertiär- und Offline-Speicher;
• Ultra -Dichte optisch oder uDo ist ähnlich in Kapazität zu BD-R oder BD-RE und ist langsam schreiben, schnell gelesener Speicher für Tertiär- und Offline-Speicher.

Magneto-optische Scheibenspeicherung ist optische Scheibespeicherung, bei der der magnetische Zustand auf a ferromagnetisch Surface speichert Informationen. Die Informationen werden optisch gelesen und durch Kombination magnetischer und optischer Methoden geschrieben. Magneto-optische Scheibenspeicherung ist nicht flüchtig, Sequentieller Zugriff, Langsames Schreiben, schnell gelesene Speicherung für Tertiär- und Offline-Speicher.

3D optische Datenspeicherung wurde auch vorgeschlagen.

Leicht induzierte Magnetisierungsschmelze in magnetischen Photokontoren wurde auch für eine magnetooptische Speicherung mit hoher Geschwindigkeitsnergergheitverbrauch vorgeschlagen.^[30]

Papier

Papierdatenspeichertypischerweise in Form von Papier Klebeband oder geschlagene Karten, wurde seit langem verwendet, um Informationen für die automatische Verarbeitung zu speichern, insbesondere bevor allgemeine Computer vorhanden sind. Die Informationen wurden aufgezeichnet, indem Löcher in das Papier- oder Pappmedium gestanzt und mechanisch (oder später optisch) gelesen wurde, um festzustellen, ob ein bestimmter Ort auf dem Medium fest war oder ein Loch enthielt. Barcodes Ermöglichen Sie Objekten, die verkauft oder transportiert werden, um einige computerlesbare Informationen sicher beigefügt zu haben.

Relativ kleine Mengen an digitalen Daten (im Vergleich zu anderen digitalen Datenspeichern) können als Papier als gesichert werden Matrix Barcode Für eine sehr langfristige Speicherung, da die Langlebigkeit von Papier typischerweise sogar magnetische Datenspeicherung überschreitet.^[31][32]

Andere Speichermedien oder Substrate

Vakuumrohrgedächtnis

A Williams Tube verwendet a Kathodenstrahlröhre, und ein Selektronenrohr benutzte eine große Vakuumröhre Informationen speichern. Diese primären Speichergeräte waren kurzlebig auf dem Markt, da das Williams-Röhrchen unzuverlässig war und die Selectron-Röhre teuer war.

Elektroakustischer Speicher

Verzögerungsspeicher Gebraucht Schallwellen in einer Substanz wie z. Merkur Informationen speichern. Der Verzögerungsspeicher war dynamisch flüchtig, zyklus sequentielles Lese-/Schreibspeicher und wurde für den Primärspeicher verwendet.

Optisches Band

ist ein Medium für die optische Lagerung, die im Allgemeinen aus einem langen und schmalen Kunststoffstreifen besteht, auf den Muster geschrieben werden können und aus denen die Muster zurückgelesen werden können. Es teilt einige Technologien mit Kinofilmmaterial und optischen Discs, ist aber mit keinem kompatibel. Die Motivation für die Entwicklung dieser Technologie war die Möglichkeit weitaus größerer Speicherkapazitäten als Magnetband oder optische Scheiben.

Phasenwechselspeicher

verwendet verschiedene mechanische Phasen von Phasenwechselmaterial Informationen in einer X -Y -adressierbaren Matrix speichern und die Informationen lesen, indem Sie die Variation beobachten elektrischer Wiederstand des Materials. Der Phasenwechselspeicher wäre nicht flüchtig, zufälliger Lese-/Schreibspeicher und kann für den primären, sekundären und offline-Speicher verwendet werden. Die meisten umschreiben und viele optische Schreibscheiben verwenden bereits Phasenwechselmaterial, um Informationen zu speichern.

Holographische Datenspeicherung

speichert Informationen optisch im Inneren Kristalle oder Photopolymere. Die holographische Lagerung kann im Gegensatz zur optischen Scheibenspeicherung das gesamte Volumen des Speichermediums nutzen, was auf eine kleine Anzahl von Oberflächenschichten beschränkt ist. Holographischer Speicher wäre nicht flüchtig, sequentieller und entweder Schreib- oder Lese-/Schreibspeicher. Es kann für den sekundären und offline-Speicher verwendet werden. Sehen Holographische vielseitige Scheibe (HVD).

Molekulargedächtnis

Speichert Informationen in Polymer Das kann elektrische Ladung speichern. Das molekulare Gedächtnis kann besonders für die primäre Speicherung geeignet sein. Die theoretische Speicherkapazität des molekularen Gedächtnisses beträgt 10 Terabit pro Quadratzoll (16 Gbit/mm²).^[33]

Magnetische Fotokoneitere

Speichern Sie Magnetinformationen, die durch Beleuchtung mit schlechten Lichtverhältnissen geändert werden können.^[30]

DNA

Speichert Informationen in DNA Nukleotide. Es wurde erstmals im Jahr 2012 durchgeführt, als die Forscher ein Verhältnis von 1,28 Petabyte pro Gramm DNA erzielten. Im März 2017 berichteten Wissenschaftler, dass ein neuer Algorithmus namens DNA -Brunnen bei 215 Petabyte pro Gramm DNA 85% der theoretischen Grenze erreichte.^{[34][35][36][37]}

Verwandte Technologien

Redundanz

Während eine Gruppe von Bits Fehlfunktionen durch Fehlererkennung und Korrekturmechanismen aufgelöst werden kann (siehe oben), erfordert die Fehlfunktion der Speichervorrichtung unterschiedliche Lösungen. Die folgenden Lösungen werden häufig verwendet und für die meisten Speichergeräte gültig:

• Gerät Spiegelung (Reproduzieren) - Eine häufige Lösung für das Problem besteht darin, eine identische Kopie des Geräteinhalts auf einem anderen Gerät ständig zu pflegen (typischerweise mit demselben Typ). Der Nachteil ist, dass dies den Speicher verdoppelt, und beide Geräte (Kopien) müssen gleichzeitig mit etwas Overhead und möglicherweise einigen Verzögerungen aktualisiert werden. Der Aufwärtstrend ist möglich, dass die gleiche Datengruppe durch zwei unabhängige Prozesse gleichzeitig gelesen wird, was die Leistung erhöht. Wenn eines der replizierten Geräte als fehlerhaft erkannt wird, ist die andere Kopie weiterhin in Betrieb und wird verwendet, um eine neue Kopie auf einem anderen Gerät zu generieren (normalerweise in einem Pool von Stand-by-Geräten für diesen Zweck verfügbar).
• Redundante Auswahl unabhängiger Scheiben (ÜBERFALLEN) - Diese Methode verallgemeinert das obige Gerät, indem es ein Gerät in einer Gruppe von ermöglicht nGeräte, die versagen und durch den restaurierten Inhalt ersetzt werden (Gerätespiegelung wird mit RAID mit RAID mit n = 2). RAID -Gruppen von n = 5 oder n = 6 sind üblich. n> 2 speichert Speicher, wenn ich mit dem Vergleich mit dem Vergleich mit n = 2auf Kosten der mehr Verarbeitung sowohl während des regulären Betriebs (mit häufig reduzierter Leistung) als auch auf fehlerhafte Geräteersatz.

Gerätespiegelung und typische RAID sind für einen einzigen Geräteausfall in der RAID -Gruppe von Geräten ausgelegt. Wenn jedoch ein zweiter Fehler auftritt, bevor die RAID -Gruppe vollständig vom ersten Fehler repariert wird, können die Daten verloren gehen. Die Wahrscheinlichkeit eines einzelnen Fehlers ist typischerweise gering. Somit ist die Wahrscheinlichkeit von zwei Fehlern in derselben Raid -Gruppe in der Zeitnähe viel kleiner (ungefähr die Wahrscheinlichkeit quadratisch, d. H. Von selbst multipliziert). Wenn eine Datenbank nicht einmal eine solche kleinere Wahrscheinlichkeit eines Datenverlusts tolerieren kann, wird die RAID -Gruppe selbst repliziert (gespiegelt). In vielen Fällen erfolgt eine solche Spiegelung geografisch aus der Ferne, in einem anderen Speicherarray, um auch die Erholung von Katastrophen zu verarbeiten (siehe Disaster Recovery oben).

Netzwerkkonnektivität

Ein sekundärer oder tertiärer Speicher kann eine Verbindung zu einem Computer herstellen, der verwendet wird Computernetzwerke. Dieses Konzept bezieht sich nicht auf den primären Speicher, der in geringerem Maße zwischen mehreren Prozessoren geteilt wird.

• Direktverlagerung (Das) ist eine herkömmliche Massenspeicherung, die kein Netzwerk verwendet. Dies ist immer noch ein beliebter Ansatz. Dies Retonym wurde kürzlich zusammen mit Nas und San geprägt.
• Netzwerkspeicher (NAS) ist Massenspeicher an einen Computer angeschlossen, auf den ein anderer Computer auf Dateiebene über a zugreifen kann lokales Netzwerk, ein privat Weitgebietsnetzwerkoder im Fall von Online -Dateispeicher, über dem Internet. NAS ist üblicherweise mit dem assoziiert NFS und CIFS/SMB Protokolle.
• Speicherbereichsnetz (SAN) ist ein spezielles Netzwerk, das anderen Computern eine Speicherkapazität bietet. Der entscheidende Unterschied zwischen NAS und SAN besteht darin, dass NAS Dateisysteme an Client-Computern präsentiert und verwaltet, während SAN auf Blockaddressing-Ebene (RAW) Zugriff bietet und es an das Anhängen von Systemen zum Verwalten von Daten oder Dateisystemen innerhalb der bereitgestellten Kapazität bietet. SAN ist üblicherweise mit Faserkanal Netzwerke.

Roboterspeicher

Große Mengen einzelner magnetischer Bänder und optische oder magnetooptische Scheiben können in Roboter-Tertiärspeichern gespeichert werden. Im Bandspeicherfeld sind sie bekannt als Bandbibliothekenund im optischen Speicherfeld Optische Jukeboxen, oder optische Festplattenbibliotheken pro Analogie. Die kleinsten Formen der beiden Technologien mit nur einem Laufwerksgerät werden als bezeichnet als Autoloader oder Autochanger.

Speichergeräte für Roboterzugriffe können eine Reihe von Slots mit jedem einzelnen Medien und in der Regel eine oder mehrere Auswahlroboter, die die Schlitze durchqueren und Medien auf integrierte Laufwerke laden. Die Anordnung der Slots und Auswahlgeräte wirkt sich auf die Leistung aus. Wichtige Merkmale einer solchen Speicherung sind mögliche Expansionsoptionen: Hinzufügen von Slots, Modulen, Laufwerken, Robotern. Bandbibliotheken haben möglicherweise 10 bis mehr als 100.000 Slots und bieten Terabyte oder Petabyte von nahen Informationen. Optische Jukeboxen sind etwas kleinere Lösungen, bis zu 1.000 Slots.

Roboterspeicher wird für verwendet Backupsund für Archive mit hoher Kapazität in Bildgebung, medizinischen und Videoindustrien. Hierarchische Speicherverwaltung ist eine am besten bekannte Archivierungsstrategie von automatisch migrieren Langzeitunuierte Dateien vom schnellen Festplattenspeicher bis hin zu Bibliotheken oder Jukeboxen. Wenn die Dateien benötigt werden, sind sie es abgerufen Zurück zur Festplatte.

Siehe auch

Hauptspeicherthemen

• Blende (Computerspeicher)
• Dynamischer Direktzugriffsspeicher (Dram)
• Speicherlatenz
• Massenspeicher
• Speicherzelle (Disambiguierung)
• Speicherverwaltung
  • Speicherleck
  • Virtueller Speicher
• Gedächtnisschutz
• Seitenadressregister
• Stabiler Speicher
• Statische Zufallszugriffsgedächtnis (SRAM)

Sekundäre, tertiäre und offline-Speicherthemen

• Wolkenspeicher
• Hybridwolkenspeicher
• Datendingung
• Datenproliferation
• Datenspeicher -Tag Wird zur Erfassung von Forschungsdaten verwendet
• Festplattendienstprogramm
• Dateisystem
  • Liste der Dateiformate
  • Globales Dateisystem
• Flash-Speicher
• Geoplexing
• Informationsrepository
• Lärmvorhersage maximaler Likelihood-Erkennung
• Objekt (-basierter) Speicherplatz
• Abnehmbare Medien
• Festkörperantrieb
• Spindel
• Virtuelle Bandbibliothek
• Warten Sie Zustand
• Schreiben Sie Puffer
• Schreibschutz

Datenspeicherkonferenzen

• Speicher -Networking -Welt
• Speicherweltkonferenz

Verweise

Dieser Artikel enthältPublic Domain Material von dem General Services Administration dokumentieren: "Bundesstandard 1037c".

Weitere Lektüre

• Goda, K.; Kitsuregawa, M. (2012). "Die Geschichte der Speichersysteme". Proceedings of the IEEE. 100: 1433–1440. doi:10.1109/jproc.2012.2189787.
• Speicher, Computergeschichte Museum