Számítógépes memória – definíció, működés, bitek és bájtok

A számítógépes memória a számítógép működéséhez szükséges adatok és utasítások átmeneti tárolására szolgáló elektronikus terület. A memória biztosítja, hogy a központi feldolgozó egység (CPU)) közvetlenül hozzáférhessen a futtatandó programokhoz és az őket vezérlő/használó adatokhoz. Mielőtt egy program futni tudna, a programot a tárolóból betöltik a memóriába; ez a betöltés teszi lehetővé a gyors végrehajtást. A memóriára minden számítógépben szükség van, mivel a processzor csak a memóriában elérhető adatokkal tud dolgozni.

Működés és felépítés

A modern számítógépek bináris digitális elektronikai eszközök: minden tárolt információt két állapot valamelyikével (például be/kikapcsolt, 1/0) reprezentálnak. A kapcsolásokat tranzisztorok vagy egyéb memóriacella-technológiák végzik; a memória fizikai elemei így sok-sok apró kapcsolóból állnak. A memória cellák címezhetők: a processzor egy memóriacímet ad meg, és az adott címhez tartozó adatra kér hozzáférést. A memória jellemzői közé tartozik a kapacitás (mennyi adat fér bele), az elérés sebessége (mennyi idő alatt lehet olvasni/írni) és a volatilitás (az adat megmarad-e áramtalanítás után).

Bitek, bájtok és egységek

A memória legalapvetőbb egysége a bit: egyetlen bináris számjegy, amely vagy 0 vagy 1 értéket vehet fel. A bitek egymás mellé rendezésével jönnek létre nagyobb egységek:

Bájt: nyolc bit alkot egy bájtot. A bájt a legtöbb számítógépes rendszer alapvető címezhető egysége.
Nibble: négy bitet tartalmaz, azaz a bájt fele; az angol "nibble" szó a "fél harapás" képzete miatt vált elterjedtté.
Nagyobb egységek: kilobájt (KB), megabájt (MB), gigabájt (GB) stb., amelyek a bájtok többszörösei (a gyakorlatban néha 1000-alapú, néha 1024-alapú értelmezéssel használják őket).

A bit elnevezés a "binary digit" (bináris számjegy) rövidítése. A byte (bájt) elnevezést azért írják így, mert az eredeti "bite" szóval való összetéveszthetőséget el akarták kerülni; így alakult ki a ma használt helyesírás és jelentés. Eredetileg a bitek gyűjteményét a számítástechnikusok bájtnak nevezték.

Memóriatípusok

RAM (véletlen elérésű memória): olvasható és írható, gyors, de általában volatilis — áramtalanításkor az adat elvész. Ezen belül fontos megkülönböztetni a DRAM-ot (dinamikus RAM) és a SRAM-ot (statikus RAM), az SRAM gyorsabb, de drágább.
ROM (csak olvasható memória): tartalmazhat állandó, gyári adatokhoz szükséges információkat (például boot kód). Léteznek programozható és újraírható ROM változatok is.
Gyorsítótár (cache): kis, nagyon gyors SRAM terület a processzor közelében, amely a gyakran használt adatokhoz biztosít gyors hozzáférést, csökkentve a főmemóriához való lassabb hozzáférések számát.
Nem felejtő (non-volatile) memória: mint a flash vagy SSD alapú tárolók: megtartják az adatot áramtalanítás után is, de írás/olvasás sebességük általában lassabb, mint a RAM-é.

Memóriahierarchia és teljesítmény

A számítógép teljesítményét nagyban befolyásolja a memória-architektúra: a gyors, de kis kapacitású memóriák (registerek, cache) közelsége a processzorhoz és a nagy, de lassabb memóriák (fő memória, háttértár) távolsága. A cél, hogy a processzor a lehető legtöbbször találja meg a szükséges adatot a gyorsabb rétegekben (cache hit), és minél ritkábban kelljen a lassabb háttértárhoz fordulni (cache miss).

Gyakorlati tudnivalók

A memória mérete és típusa fontos a számítógép felhasználási területének meghatározásához: több memória és gyorsabb memória jobb többfeladatos munkához, nagy memóriát igénylő alkalmazásokhoz (pl. virtuális gépek, nagy adatbázisok, videószerkesztés).
A memóriacímzés és a processzor szóhossza (pl. 32 vagy 64 bites) határozza meg, hogy milyen mennyiségű memóriát tud közvetlenül címezni a rendszer.
Az endianness (a bájtsorrend) befolyásolhatja, hogyan értelmezik a többbájtos adatszerkezeteket különböző rendszerek között.

Összefoglalva: a számítógépes memória kulcsfontosságú az adatok és utasítások gyors eléréséhez. A bitek és bájtok szolgáltatják az alapot az információ ábrázolásához, míg a memória különböző típusai és szintjei biztosítják a szükséges egyensúlyt a sebesség és a kapacitás között.

Karakterek a memóriában

A memóriabájt egy karaktert, például egy számot, betűt vagy szimbólumot ábrázoló kód tárolására szolgál. Nyolc bit 256 különböző kódot képes tárolni. Ezt elégnek gondolták, és a bájtot nyolc bitben határozták meg. Ez lehetővé teszi a tíz decimális számjegy, 26 kisbetű, 26 nagybetű és számos szimbólum tárolását. A korai számítógépek hat bitet használtak egy bájtra. Ezzel 64 különböző kódot kaptak. Ezek a számítógépek nem rendelkeztek kisbetűkkel.

Az informatikusoknak meg kellett állapodniuk abban, hogy melyik kód képviselje az egyes karaktereket. A legtöbb modern számítógép az ASCII-t, azaz az amerikai szabványos információcsere-kódot használja. Az ASCII-ben minden kód nyolc bitből áll - 0-k és 1-ek tetszőleges kombinációjából -, és egy karaktert alkot. Az A betűt a 01000001 kód jelöli.

Ahhoz, hogy a világ összes nyelvének összes különböző karakterét figyelembe lehessen venni, a modern számítógépeknek több mint 256 különböző karakterre van szükségük. Egy másik, Unicode nevű kódrendszer 1 112 064 különböző karaktert tesz lehetővé azáltal, hogy minden karakterhez egytől négy bájtig terjedő bájtot használ.

Memóriacím

A számítógép CPU-ja minden egyes bájtot elér. Minden egyes bájthoz egy címet használ. A számítógép memóriacímei nullával kezdődnek, és a számítógép által használható legnagyobb számig tartanak. A régebbi számítógépek korlátozottan tudtak memóriát címezni. A 32 bites számítógépek akár 4 GB memóriát is meg tudnak címezni. A modern számítógépek 64 bitet használnak, és akár 18 446 744 073 709 551 616 bájt = 16 exabájt memóriát is meg tudnak címezni.

A számítógépek által használt számok nagyon nagyok lehetnek. A könnyebbség érdekében a K (kilobájt) vagy Ki (kibibájt) egységet lehet használni. A számítógépes memóriában a számok kettes hatványai. Egy kibibájt kétszer 10 hatványa, azaz 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2, és 2¹⁰ = 1024 bájtként írható. Például 64 Kibibájt memória, amelyet 64KiB vagy 64KB-ként írunk, 65 536 bájtnak felel meg (1 024 × 64 = 65 536). Nagyobb memóriakapacitások esetén a megabájt (MB) vagy mebibájt (MiB) és a gigabájt (GB) vagy gibibájt (GiB) egységeket használják. Egy megabájt számítógépes memória 2 ²⁰byte-ot vagy 1024KB-t jelent, ami 1 048 576 byte-ot jelent. Egy gibibájt 2 ³⁰bájtot vagy 1024 MB-ot jelent.

A számok kettő többszörösei. Ezért van az, hogy egy kilobájt memória 1024 bájt, és nem 1000, mint a kilogramm esetében. A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) e félreértés elkerülése érdekében a bináris hatalmakra a kibibyte, mebibyte és gibibyte elnevezéseket használja. A kilobájtot, megabájtot és gigabájtot 10-es hatványokra használják. A Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) megtartotta a régebbi elnevezéseket. Ráadásul a számítógépes tárolók, például a merevlemezes meghajtók (HDD) méreteit is tízes hatványokban mérik. Tehát egy 500 GB-os lemezmeghajtó 500 x 1000 x 1000 x 1000 x 1000 bájt. Ez sokkal kevesebb, mint 500 GB memória, ami 500 x 1024 x 1024 x 1024 x1024. A legtöbb informatikus még mindig a régi elnevezéseket használja, és nem szabad elfelejteniük, hogy a mértékegységek különbözőek, amikor memóriáról és tárolóeszközökről beszélnek.

Csak olvasható memória

Vannak olyan programok és utasítások, amelyekre a számítógépnek mindig szüksége lesz. Az olvasható memória (ROM) az állandó memória, amelyet ezeknek a fontos vezérlőprogramoknak és rendszerszoftvereknek a tárolására használnak az olyan funkciók elvégzéséhez, mint a bootolás vagy a programok indítása. A ROM nem illékony. Ez azt jelenti, hogy tartalma nem vész el, ha a készüléket kikapcsolják. Tartalma a számítógép megépítésekor íródik, de a modern számítógépekben a felhasználó speciális szoftverrel megváltoztathatja a tartalmát.

Véletlen hozzáférésű memória

A véletlen hozzáférésű memóriát (RAM) a számítógépes rendszer munkamemóriájaként használják. Ideiglenesen tárolja a bemeneti adatokat, a közbenső eredményeket, a programokat és egyéb információkat. Olvasható és/vagy írható. Általában illékony, ami azt jelenti, hogy az összes adat elvész, ha a készüléket kikapcsolják. A legtöbb esetben az adattárolóként használt merevlemezről töltődik be újra.

Nem-illékony memória

A nem-illékony memória olyan számítógépes memória, amely a tárolt információt akkor is megőrzi, amikor nincs áramellátás.
A nem-illékony memória példái a következők:

csak olvasható memória
flash memória

Néha a számítógépes tárolásra is utalhat. Ezek mindig nem illékonyak.
Példák:

Flash-memóriát használó szilárdtest-eszközök, mint például a szilárdtest-meghajtók (SSD) és az USB flash meghajtók.
Mágneses számítógépes tárolóeszközök, például merevlemezes meghajtók (HDD), floppylemezek és mágnesszalagok.
optikai lemezek, például CD-ROM, DVD-ROM és Blu-ray lemezek
papírtárolás, mint például papírszalag és lyukkártyák

A szilárdtest-meghajtók a nem-illékony tárolók egyik példája.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a számítógépes memória?

V: A számítógépes memória egy olyan ideiglenes tárolóterület, amely adatokat és utasításokat tárol a központi feldolgozó egység (CPU) számára.

K: Hogyan fut egy program?

V: Mielőtt egy program futni tudna, be kell tölteni a tárolóból a memóriába, hogy a CPU közvetlenül hozzáférhessen hozzá.

K: Mi a bináris digitális elektronika?

V: A bináris digitális elektronika az, amikor a számítógépben tranzisztorokat használnak az elektromosság be- és kikapcsolására, két állapotot létrehozva - be vagy kikapcsolva, nulla vagy egy.

K: Mik azok a bitek és bájtok?

V: A számítógép memóriájában lévő egyetlen be-/kikapcsolt beállítást bináris számjegynek vagy bitnek nevezzük. A nyolc bitből álló csoportot bájtnak nevezzük.

K: Honnan származnak a bit és a bájt szavak?

V: A bit és a byte szavakat a számítástechnikusok találták ki - a "bit" a bináris "bi" és a digit "t" szavak kombinálásából származik, míg a "byte" szót a "bite"-ból változtatták meg, hogy elkerüljék az összetévesztést.

K: Mi az a nibble?

V: A nibble egy bájt fele, amely egyenként négy bitből áll. Azért nevezték el így, mert úgy gondolták, hogy ez egy harapás fele.

K: Ki találta ki a nibble szót?

V: A nibble szót az informatikusok találták ki, amikor szükségük volt egy megfelelő kifejezésre a bájt felére.