หน่วยเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ คือ อะไร

0
267

หน่วยเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ คือ อะไร การจัดเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์มักเรียกว่า การจัดเก็บข้อมูล ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ประกอบด้วยส่วนประกอบคอมพิวเตอร์และสื่อบันทึกที่ใช้ในการเก็บข้อมูลดิจิตอล มันเป็นฟังก์ชั่นหลักและส่วนประกอบพื้นฐานของคอมพิวเตอร์

หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ของคอมพิวเตอร์เป็นสิ่งที่จัดการข้อมูลโดยดำเนินการคำนวณ ในทางปฏิบัติคอมพิวเตอร์เกือบทุกเครื่องใช้ลำดับชั้นของการจัดเก็บซึ่งทำให้ตัวเลือกการจัดเก็บข้อมูลที่รวดเร็ว แต่มีราคาแพงและขนาดเล็กใกล้กับ CPU และตัวเลือกที่ช้ากว่า แต่มีขนาดใหญ่กว่าและราคาถูกกว่า โดยทั่วไปแล้วเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว (ซึ่งสูญเสียข้อมูลเมื่อปิดเครื่อง) เรียกว่า “หน่วยความจำ” ในขณะที่เทคโนโลยีที่ช้ากว่าจะเรียกว่า “พื้นที่จัดเก็บ”

แม้แต่การออกแบบคอมพิวเตอร์เครื่องแรกเครื่องวิเคราะห์ของชาร์ลส์ Babbage และเครื่องวิเคราะห์ของ Percy Ludgate มีความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างการประมวลผลและหน่วยความจำ (Babbage เก็บตัวเลขเป็นการหมุนของเกียร์ในขณะที่ Ludgate เก็บหมายเลขไว้เป็นกระบอกสูบในกระสวยอวกาศ) ความแตกต่างนี้ขยายออกไปในสถาปัตยกรรม Von Neumann โดยที่ CPU ประกอบด้วยสองส่วนหลักคือหน่วยควบคุมและหน่วยคำนวณเชิงตรรกะ (ALU) อดีตควบคุมการไหลของข้อมูลระหว่าง CPU และหน่วยความจำในขณะที่หลังดำเนินการทางคณิตศาสตร์และการดำเนินการทางตรรกะกับข้อมูล

ที่เก็บข้อมูลหลัก
บทความหลัก: หน่วยความจำคอมพิวเตอร์
ที่เก็บข้อมูลหลัก (หรือที่เรียกว่าหน่วยความจำหลักหน่วยความจำภายในหรือหน่วยความจำสูงสุด) มักเรียกง่าย ๆ ว่าหน่วยความจำเป็นสิ่งเดียวที่เข้าถึง CPU โดยตรง CPU จะอ่านคำแนะนำที่เก็บไว้อย่างต่อเนื่องและดำเนินการตามที่จำเป็น ข้อมูลใด ๆ ที่ดำเนินการอย่างแข็งขันจะถูกเก็บไว้ในลักษณะที่เหมือนกัน

ในอดีตคอมพิวเตอร์ยุคแรก ๆ ใช้สายการหน่วงเวลาท่อวิลเลียมส์หรือการหมุนดรัมแม่เหล็กเป็นที่เก็บข้อมูลหลัก ในปี 1954 วิธีการที่ไม่น่าเชื่อถือเหล่านั้นส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยหน่วยความจำแกนแม่เหล็ก หน่วยความจำหลักยังคงมีอยู่จนถึงปี 1970 เมื่อความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวงจรรวมทำให้หน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์สามารถแข่งขันในเชิงเศรษฐกิจได้

สิ่งนี้นำไปสู่หน่วยความจำแบบสุ่มเข้าถึงหน่วยความจำ (RAM) มันมีขนาดเล็กเบา แต่ค่อนข้างแพงในเวลาเดียวกัน (RAM บางประเภทที่ใช้สำหรับการจัดเก็บหลักนั้นมีความผันผวนเช่นพวกเขาสูญเสียข้อมูลเมื่อไม่ได้เปิดเครื่อง)

ดังที่แสดงในแผนภาพตามเนื้อผ้ามีเลเยอร์ย่อยอีกสองชั้นของที่เก็บข้อมูลหลักนอกเหนือจาก RAM ความจุขนาดใหญ่:

ลงทะเบียนโปรเซสเซอร์อยู่ภายในโปรเซสเซอร์ โดยทั่วไปการลงทะเบียนแต่ละครั้งจะมีข้อมูลหนึ่งคำ (มักเป็น 32 หรือ 64 บิต) คำแนะนำของ CPU สั่งให้หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ทำการคำนวณต่างๆหรือดำเนินการอื่น ๆ กับข้อมูลนี้ (หรือด้วยความช่วยเหลือของมัน) การลงทะเบียนเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการจัดเก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์ทุกรูปแบบ
ตัวประมวลผลแคชเป็นสเตจกลางระหว่างการลงทะเบียนที่เร็วมากและหน่วยความจำหลักที่ช้ากว่ามาก มันถูกนำมาใช้เพียงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ ข้อมูลที่ใช้งานส่วนใหญ่ในหน่วยความจำหลักจะซ้ำกันในหน่วยความจำแคชซึ่งเร็วกว่า แต่มีความจุน้อยกว่ามาก ในทางกลับกันหน่วยความจำหลักช้ากว่ามาก แต่มีความจุมากกว่าหน่วยประมวลผลกลาง การตั้งค่าแคชลำดับชั้นหลายระดับนั้นใช้กันทั่วไปแคชหลักมีขนาดเล็กที่สุดเร็วที่สุดและอยู่ภายในโปรเซสเซอร์ แคชรองค่อนข้างใหญ่และช้ากว่า
หน่วยความจำหลักเชื่อมต่อโดยตรงหรือโดยอ้อมกับหน่วยประมวลผลกลางผ่านบัสหน่วยความจำ จริงๆแล้วมันคือรถบัสสองคัน (ไม่ใช่ในแผนภาพ): ที่อยู่บัสและบัสข้อมูล CPU จะส่งตัวเลขผ่านบัสแอดเดรสเป็นอันดับแรกซึ่งเรียกว่าที่อยู่หน่วยความจำซึ่งระบุตำแหน่งของข้อมูลที่ต้องการ จากนั้นมันจะอ่านหรือเขียนข้อมูลในเซลล์หน่วยความจำโดยใช้บัสข้อมูล นอกจากนี้หน่วยความจำการจัดการหน่วย (MMU) เป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กระหว่าง CPU และ RAM คำนวณที่อยู่หน่วยความจำจริงตัวอย่างเช่นเพื่อให้นามธรรมของหน่วยความจำเสมือนหรืองานอื่น ๆ

เนื่องจากประเภท RAM ที่ใช้สำหรับการจัดเก็บหลักมีความผันผวน (ไม่ได้กำหนดค่าเริ่มต้น) คอมพิวเตอร์ที่มีเฉพาะที่จัดเก็บข้อมูลดังกล่าวจะไม่มีแหล่งที่มาเพื่ออ่านคำแนะนำจากเพื่อเริ่มการทำงานของคอมพิวเตอร์ ดังนั้นที่เก็บข้อมูลหลักที่ไม่ลบเลือนที่มีโปรแกรมเริ่มต้นระบบขนาดเล็ก (BIOS) จะใช้ในการบูตเครื่องคอมพิวเตอร์นั่นคือเพื่ออ่านโปรแกรมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจากที่เก็บข้อมูลทุติยภูมิที่ไม่ลบเลือนไปยัง RAM และเริ่มดำเนินการ เทคโนโลยีที่ไม่ลบเลือนที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้เรียกว่า ROM สำหรับหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (คำศัพท์อาจจะค่อนข้างสับสนเนื่องจากประเภท ROM ส่วนใหญ่ยังสามารถเข้าถึงแบบสุ่มได้)

“ROM” หลายประเภทไม่เพียงอ่านอย่างแท้จริงเนื่องจากอาจมีการอัปเดต อย่างไรก็ตามมันจะช้าและหน่วยความจำจะต้องลบในส่วนที่มีขนาดใหญ่ก่อนที่จะสามารถเขียนใหม่ ระบบฝังตัวบางตัวเรียกใช้โปรแกรมโดยตรงจาก ROM (หรือคล้ายกัน) เนื่องจากโปรแกรมดังกล่าวแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง คอมพิวเตอร์มาตรฐานไม่ได้จัดเก็บโปรแกรมที่ไม่ใช่พื้นฐานใน ROM และใช้ความจุขนาดใหญ่ของที่เก็บข้อมูลสำรองซึ่งไม่ลบเลือนเช่นกันและไม่มีค่าใช้จ่าย

เมื่อเร็ว ๆ นี้ที่เก็บข้อมูลหลักและที่เก็บข้อมูลสำรองในการใช้งานบางอย่างอ้างถึงสิ่งที่เรียกว่าในอดีตตามลำดับที่เก็บข้อมูลรองและที่เก็บข้อมูลระดับอุดมศึกษา

ที่เก็บข้อมูลสำรอง

ฮาร์ดไดรฟ์ที่ถอดฝาครอบป้องกันออก
หน่วยความจำรอง (หรือที่รู้จักในชื่อหน่วยความจำภายนอกหรือหน่วยความจำเสริม) แตกต่างจากหน่วยความจำหลักที่ CPU ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยตรง คอมพิวเตอร์มักจะใช้ช่องสัญญาณเข้า / ส่งออกเพื่อเข้าถึงที่เก็บข้อมูลสำรองและถ่ายโอนข้อมูลที่ต้องการไปยังที่จัดเก็บข้อมูลหลัก ที่เก็บข้อมูลสำรองไม่ลบเลือน (เก็บข้อมูลเมื่อปิดเครื่อง) ระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่มักจะมีขนาดของคำสั่งสองขนาดมากกว่าที่เก็บข้อมูลหลักเนื่องจากที่เก็บข้อมูลสำรองมีราคาไม่แพง

ในคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ (HDDs) หรือโซลิดสเตตไดรฟ์ (SSD) มักใช้เป็นที่เก็บข้อมูลสำรอง เวลาเข้าถึงต่อไบต์สำหรับ HDD หรือ SSD นั้นวัดเป็นมิลลิวินาที (หนึ่งพันวินาที) ในขณะที่เวลาเข้าถึงต่อไบต์สำหรับหน่วยเก็บข้อมูลหลักวัดเป็นนาโนวินาที (หนึ่งพันล้านวินาที) ดังนั้นที่เก็บข้อมูลสำรองจะช้ากว่าที่เก็บข้อมูลหลักอย่างมาก อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบออปติคัลที่กำลังหมุนเช่นไดรฟ์ซีดีและดีวีดีมีเวลาเข้าถึงได้นานกว่า ตัวอย่างอื่น ๆ ของเทคโนโลยีหน่วยเก็บข้อมูลรอง ได้แก่ USB แฟลชไดรฟ์ฟลอปปีดิสก์เทปแม่เหล็กเทปกระดาษการ์ดเจาะรูและดิสก์ RAM

เมื่อหัวอ่าน / เขียนบนฮาร์ดดิสก์ถึงตำแหน่งที่เหมาะสมและข้อมูลข้อมูลที่ตามมาบนแทร็กจะเข้าถึงได้อย่างรวดเร็ว เพื่อลดเวลาในการค้นหาและเวลาในการตอบสนองการหมุนข้อมูลจะถูกถ่ายโอนไปยังและจากดิสก์ในบล็อกขนาดใหญ่ที่ต่อเนื่องกัน การเข้าถึงลำดับหรือบล็อกบนดิสก์เป็นคำสั่งของขนาดเร็วกว่าการเข้าถึงแบบสุ่มและกระบวนทัศน์ที่ซับซ้อนจำนวนมากได้รับการพัฒนาเพื่อออกแบบอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพตามการเข้าถึงตามลำดับและบล็อก อีกวิธีหนึ่งในการลดปัญหาคอขวดของ I / O คือการใช้ดิสก์หลายตัวพร้อมกันเพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ระหว่างหน่วยความจำหลักและรอง

ที่จัดเก็บรองมักจะจัดรูปแบบตามรูปแบบระบบไฟล์ซึ่งให้สิ่งที่เป็นนามธรรมที่จำเป็นในการจัดระเบียบข้อมูลลงในไฟล์และไดเรกทอรีในขณะที่ยังให้ข้อมูลเมตาอธิบายเจ้าของไฟล์บางอย่างเวลาเข้าถึงสิทธิ์การเข้าถึงและข้อมูลอื่น ๆ

ระบบปฏิบัติการคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ใช้แนวคิดของหน่วยความจำเสมือนช่วยให้การใช้ประโยชน์จากความจุหลักมากกว่าที่มีอยู่ในระบบ ในขณะที่หน่วยความจำหลักเต็มระบบจะย้ายชิ้นส่วนที่ใช้น้อยไปยังไฟล์ swap หรือไฟล์หน้าในหน่วยเก็บข้อมูลรองเพื่อดึงข้อมูลในภายหลังเมื่อจำเป็น หากเพจจำนวนมากถูกย้ายไปยังที่เก็บข้อมูลสำรองที่ช้ากว่าประสิทธิภาพของระบบจะลดลง