Paměti

Petr Jedlička, Cyril Klimeš, Tomáš Pitner tomas.pitner@mendelu.cz

Cíle přednášky

Seznámit se s použitím, typy a technickou realizací pamětí.
Nejprve připomenutí jednotek pro udávání velikosti pamětí

Bez pamětí by si počítač nepamatoval ani jak počítat (program), ani s čím počítat (data). Vnitřní paměti jsou pro přímé užití během výpočtu, vnější pro delší ukládání i po vypnutí stroje.

Přehled jednotek velikosti dat

Desítkové jednotky (SI) jako ve fyzice
Dvojkové jednotky (IEC) jako v informatice

Desítkové jednotky (SI)

Jednotka	Název	Velikost v bajtech (B)
1 kB	kilobajt	1 000
1 MB	megabajt	1 000 000
1 GB	gigabajt	1 000 000 000
1 TB	terabajt	1 000 000 000 000
1 PB	petabajt	1 000 000 000 000 000

Jednotka

Název

Velikost v bajtech (B)

1 kB

kilobajt

1 000

1 MB

megabajt

1 000 000

1 GB

gigabajt

1 000 000 000

1 TB

terabajt

1 000 000 000 000

1 PB

petabajt

1 000 000 000 000 000

Dvojkové jednotky (IEC)

Jednotka	Název	Velikost v bajtech (B)
1 KiB	kibibajt	1 024
1 MiB	mebibajt	1 048 576
1 GiB	gibibajt	1 073 741 824
1 TiB	tebibajt	1 099 511 627 776
1 PiB	pebibajt	1 125 899 906 842 624

Jednotka

Název

Velikost v bajtech (B)

1 KiB

kibibajt

1 024

1 MiB

mebibajt

1 048 576

1 GiB

gibibajt

1 073 741 824

1 TiB

tebibajt

1 099 511 627 776

1 PiB

pebibajt

1 125 899 906 842 624

Účel pamětí

pamatovat si údaje (zapíšu — přečtu i opakovaně)
pokud možno rychle je poskytnout
buďto po dobu běhu programu/počítače
nebo trvale, evt. do přemazání

Přístup k paměti: čtení

zadáme adresu
aktivujeme požadavek čtení
paměť nám vrátí data uložená na zadané adrese

Přístup k paměti: zápis

zadáme nová data k uložení
zadáme adresu
aktivujeme požadavek zápisu
paměť uloží zadaná data na zadanou adresu

Základní parametry pamětí

kapacita	množství dat, které lze do paměti uložit (obvyklé jednotky: bajt, kilobajt…)
vybavovací doba	čas od vydání příkazu ke čtení z paměti do okamžiku, kdy je informace k dispozici
rychlost toku dat	množství informací, které lze přečíst/zapsat za jednotku času

Další parametry: chybovost

chybovost	průměrná frekvence chyb, např. 10^-11 bitů je v průměru chybně přečteno/zapsáno (Mean Time Between Failure je 300000 hod)
energetická závislost	zda musí být stále připojeny ke zdroji el. energie
destruktivita čtení	zda čtení zničí uložená data

Další parametry: přístupy, počty

způsob přístupu	přímý sekvenční ("postupně") kombinovaný (index-sekvenční)
počet možných zápisů/čtení	u některých typů (např. Flash NAND) je relevantních údajem počet možných přepisů jedné buňky, neboť je statisticky omezen

Paměti dle technologické realizace

magnetické	založené na magnetických vlastnostech materiálu, informaci uchovává směr magnetizace
optické	využívá optických vlastností materiálu, např. odraz světla
polovodičové	využívá vlastností tranzistorů; buď se realizují klopnými obvody (technologie TTL), nebo obnovováním elektrického náboje (CMOS)
magnetooptické	pomocí světla (laser) se mění magnetické vlastnosti materiálu

Vnitřní a vnější paměti

potřebuje každý počítač; jsou v ní instrukce programu a data, se kterými pracuje;
část vnitřní paměti počítače nebo zařízení je obvykle zapisovatelná (RW, RAM, DRAM, DDR): pro data i zavedené programy (software)
část je jen pro čtení (ROM, PROM, EPROM, EEPROM): pro kontroly, zabezpečení, zavaděč operačního systému…

pevné disky (HDD, SDD)
výměnná média (Flash, optická, magnetická)

Vnitřní paměti dle přístupu

Nyní se omezíme na vnitřní paměti, tedy realizované jako polovodičové:

Zapisovatelné paměti	také RW (read-write) nebo RAM (Random Access Memory) pro data, programy
Jen pro čtení	ROM (read-only), PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), EEPROM (Electrically Erasable PROM)

Volatilní paměti

Volatile (dočasné):

energeticky závislé
slouží pro průběžné ukládání vstupů, mezivýsledků, výstupů…
pro další výpočty, zobrazování, před uložením ven…

Pracovní paměti

Vnitřní pracovní paměti počítače tvoří hierarchii od nejmenší a nejrychlejší po největší (a nejpomalejší):

registry CPU
cache (L1, L2, L3, případně i více úrovní)
hlavní paměť ("RAM", operační paměť)

Registry CPU

Pro nejrychlejší práci, vyhnout se zcela přístupu vně CPU

V instrukcích se někdy pojmenovávají mnemotechnicky:
- AL (8 bitů), AX (16), EAX (32), RAX (64), BL…,
Někdy číselně:
- R0 .. R31 (všechny třeba 32bitové).
Bývají jich max desítky, např. 32 (obecně u RISC více).

Procesorové cache

hned nejbližší větší paměti než registry
jejich použití je transparentní, programátor o ní nemusí ani vědět, procesor je plní sám při přístupech do hlavní paměti a při opakovaném čtení z hlavní paměti je využívá pro zrychlení
u "velkých" CPU většinou více úrovní cache (L1, L2, L3)
nižší úrovně jsou zvlášť u každého jádra, L3 evt. L4 pak společné

cache L1 je obvykle 100× rychlejší než paměť RAM, kapacity u nových řad Intel 13. a 14. gen. 80 kB/jádro
cache L2 je přibližně 25× rychlejší, kapacity 2-4 MB/jádro
L3 cache je největší paměťovou jednotkou v CPU, kapacita 24-36 MB/CPU

Hlavní (operační) paměť

Operační paměť

největší, velikosti dnes běžně GB až desítky GB, min. 8, spíše 16+ GB
protože jde vždy o paměť typu RAM (i pro zápis)
používá se označení RAM jako synonymum k hlavní/operační paměti

Obr. 1. Hierarchie a rychlosti

Adresování pamětí

registry	triviální, jak jsme ukazovali: adresa registru = jméno registru je přímo součástí instrukce, např. `add rax, 42`.
cache	jako programátoři neadresujeme přímo, ale ptáme se cache na hodnotu Y, která se v hlavní paměti nachází na adrese X.
hlavní paměť	přímo zadáním adresy (prvního bajtu) načítaného/zapisovaného slova.

Manipulace s daty

Při získání údaje čtením se obsah paměti přímo nemaže,
ALE: u dynamických pamětí zeslábne náboj v paměťové buňce a musí se obnovit (refresh paměti), o to se naštěstí ani programy ani OS nemusí starat.
Lze do ní zapsat novou informaci tak, že se přepíše existující informace.
Běžně se pro hlavní paměti na PC používají dynamické paměti (DRAM).
Na vestavěných zařízeních (kontroléry) může být paměť statická (SRAM), aby se zjednodušilo obvodové řešení.

Adresování

cílem je určit místo, kde chceme číst nebo zapisovat

Fyzické adresování:

adresy, které jsou přímo posílány na adresové vstupy paměťových obvodů (=fyzické adresy)

Logické adresování:

logické adresy jsou adresy používané v programu;
jsou následně převedeny na fyzické adresy

Fyzické adresování

Přímé adresování (adresou)
Asociativní (klíčem)

Řízení přímého adresování na úrovni obvodu

řídicí vstupy	aktivace čipu (`Chip Enable`), zápis (`Write Enable`)
adresové vstupy	`A₀..A_N-1` adresa = číslo na adresových vstupech
datové vodiče	vstup i výstup (`D₀..D_M-1`), `M` je počet bitů jedné adresovatelné jednotky

Přímé

místo (adresa) pro zápis nebo čtení dat je přesně určeno hodnotou na adresových vstupech (adresové sběrnici)
má tolik bitů, kolik adresovatelných pozic je třeba adresovat
N adresových bitů umožní adresovat 2^N pozic

Asociativní

Asociativní paměť je typem paměti adresovatelné obsahem (Content-Addressable Memory, CAM)
na základě určitých dat (klíče) předložených paměti se získá místo (adresa) nebo rovnou hodnota na tomto místě
princip asociativní paměti lze přirovnat k asociativním polím (hash, mapa) ve většině programovacích jazyků

Využití asociativních pamětí

vyrovnávací (cache) paměti
velmi rychlé vybavování

Logické adresování

postup, jak paměť adresuje počítačový program
ta se adresovacími obvody a look-up stránkovými tabulkami převede na fyzickou adresu
využívá se technik segmentování (historicky) nebo stránkování (nyní)

Realita dle kategorie procesorů

Malé procesory a kontroléry:

tzv. plochý adresový model; prostě adresa je jedno dále nestrukturované číslo
fyzická = logická adresa
často oddělené části paměťového prostoru dat a instrukcí (=Harvardská architektura)

Větší procesory:

společný adresový prostor dat a instrukcí (=von Neumannova architektura)
mapování logického na fyzický prostor většinou pomocí stránkování

Vývoj logického adresování v architekturách x86

Osmibitové procesory

řada Intel kdysi začala 4bitovým procesorem 4004 pro kalkulačky, historicky prvním mikroprocesorem; adresování až 4 kB paměti (2¹² bajtů)
následovaly osmibitové jako Intel 8080 s "kontrolérovými" varianta i jako 8048 nebo 8051: ta žije dodnes; adresování 64 kB paměti (2¹⁶ bajtů)

16- a 32bitové procesory

pak 16bitové 8086: adresování až 1 MB paměti (2²⁰ bajtů)
16bitové 80268: první, kde fungovaly izolování paměti procesů a OS navzájem; adresování až 16 MB paměti (2²⁴ bajtů)
32bitové 80386: první, kde bylo stránkování; adresování až 4 GB paměti (2³² bajtů)

8086 (16bitový)

Povinná segmentace: segmentové registry CS, DS, SS, ES
Každý segment max 64 KB
Adresace: segment × 16 + offset

80286 (16bitový)

Zaveden protected mode s deskriptory
Tabulka, kde je pro každý segment jeho začáteční adresa ve fyzickém prostoru a
Stránkování ještě neexistovalo

80386 (32bitový)

Segmentace + nově stránkování (4KB stránky) používané dnes dominantně, viz dále
Segmenty až 4 GB + nové registry FS a GS
Možnost flat memory modelu (segmenty se základnou 0)
dnešní způsob bez segmentace

80486 a Pentium

80486 (32bitový)

80486: fyzická adresa 32 bitů, logická 46 bitů
Segmentace zůstává, ale OS používají flat model
Paměťová ochrana řešena stránkováním
Segmenty zůstávají kvůli zpětné kompatibilitě

Obr. 2. Pentium (64bitový)

x86-64 a Intel Core

Long mode (64bit): segmentace do značné míry ignorována
CS, DS, ES, SS mají nulovou základnu, fixní limit
Pouze FS a GS zůstávají aktivní
Paměť řízena výhradně stránkováním.

Shrnutí

Moderní OS (Windows, Linux) používají plochý/flat memory model
Segmentace slouží pouze ke kompatibilitě
Stránkování/paging zajišťuje ochranu, izolaci i virtualizaci

Stránkování (paging)

Obr. 3. Plné stránkování na Intel x64

Yosifovich, Pavel, et al. Windows Internals: System architecture, processes, threads, memory management, and more, Part 1. Microsoft Press, 2017.

Princip stránkování x64

V podstatě postupný převod přes look-up tabulky:

Virtuální (logická) adresa se rozdělí na bitové úseky odspodu (od LSB) takto:
- 12 bitů (0-11) bude adresa bajtu v rámci základní jednotky stránkování = stránky
- 9 bitů (12-20) index do tzv. tabulky stránek (Page Table, PT) s 512 položkami
- 9 bitů (21-29) index do tzv. tabulky adresáře stránek (Page-Directory Table, PDT) s 512 položkami
- 9 bitů (30-38) index do tzv. tabulky ukazatelů na adresáře stránek (Page-Directory Table, PDT) s 512 položkami
- 9 bitů (39-47) index do tzv. tabulky ukazatelů na adresáře stránek (Page-Directory Table, PDT) s 512 položkami

Princip stránkování x64

Nejvyšších 16 bitů (48-63) se nepoužije
Skupiny bitů se použijí jako 9bitové indexy do výše uvedených tabulek

Shrnutí

Úroveň stránkování	Název tabulky	Rozsah bitů virtuální adresy	Funkce (index)	Počet položek
1.	Page-Map Level-4 Table (PML4)	47–39 (9 bitů)	Index do PML4	512
2.	Page-Directory-Pointer Table (PDPT)	38–30 (9 bitů)	Index do PDPT	512
3.	Page-Directory Table (PDT)	29–21 (9 bitů)	Index do PDT	512
4.	Page Table (PT)	20–12 (9 bitů)	Index do PT	512
—	Offset ve stránce	11–0 (12 bitů)	Posun ve stránce	4096 bajtů (4 KiB stránka)

Úroveň stránkování

Název tabulky

Rozsah bitů virtuální adresy

Funkce (index)

Počet položek

Page-Map Level-4 Table (PML4)

47–39 (9 bitů)

Index do PML4

512

Page-Directory-Pointer Table (PDPT)

38–30 (9 bitů)

Index do PDPT

512

Page-Directory Table (PDT)

29–21 (9 bitů)

Index do PDT

512

Page Table (PT)

20–12 (9 bitů)

Index do PT

512

—

Offset ve stránce

11–0 (12 bitů)

Posun ve stránce

4096 bajtů (4 KiB stránka)

Paging on Intel x64

Adresování hlavní paměti

Nejmenší adresovatelná jednotka bývá bajt (8 bitů).
Tedy každý bajt má jednoznačně danou adresu.
Datová sběrnice na 64bitových procesorech přenáší data po 64bitových slovech (osmibajtových), přičemž se dále přenášejí celé cache linie (typicky 64 bajtů).

Čtení jednoho bajtu tedy fakticky znamená načtení celé cache linie do procesoru; procesor pak z ní využije jen požadovaný bajt. K libovolnému bajtu uvnitř zarovnané linie je přístup stejně rychlý — pokud ale bajt překročí hranici cache linie, může být přístup nepatrně pomalejší.

Zarovnávání adres

Proto se uložení datových struktur obvykle děje od adres, které jsou násobky aspoň 8 nebo 16 (bajtů) = provede se zarovnání (alignment):

Zarovnané po 8 bajtech

0x00000000
0x00000008
0x00000010
0x00000018

Zarovnané po 16 bajtech

0x00000000
0x00000010
0x00000020
0x00000030

Statické paměti

realizace jedné buňky (bitu) jedním klopným obvodem (flip-flop)
SRAM je volatilní, závislá na napájení
při odpojení se informace vytratí
ale nepotřebuje na rozdíl od DRAM aktivní oživování (refresh)
ani po čtení hodnoty

Princip SRAM

matice řádky * sloupce a na průsečících jsou jednotlivé buňky
buňka je obvykle na bázi CMOS
bistabilní klopný obvod (dva CMOS invertory proti sobě)
dva přístupové tranzistory (set/reset), každý zapojen na sloupcový a invertovaný sloupcový vodič

Buňka SRAM (1 bit)

sram cell

Použití SRAM v současnosti

RAM nebo vyrovnávací paměť v kontrolérech, (obvykle kolem 32 bajtů až 128 KB)
primární cache (od 8 KB do mnoha MB) v CPU,
stavové informace a registry CPU,
v zákaznických obvodech (obvykle v řádu kilobajtů)
v programovatelných hradlových polích (FPGA)

Pseudostatická paměť RAM (PSRAM nebo PSDRAM)

PSRAM je dynamická paměť RAM s vestavěným obvodem pro refresh a řízení adres, díky čemuž se chová podobně jako statická RAM,
Spojuje vysokou hustotu DRAM s jednoduchostí použití typickou pro skutečnou SRAM.
PSRAM se používá například v Apple iPhone a dalších vestavěných systémech.

Dynamické paměti

dynamická paměť ve smyslu "musí se obnovovat"
realizace jedné buňky (bitu) pomocí dvojice CMOS + kapacitor držící náboj
i čtení náboj snižuje
nutné stálé periodické obnovování náboje

Principy

Buňka DRAM paměti

Uložený bit v buňce DRAM

Čtení z buňky DRAM

Čtení z DRAM celkově

Zápis do DRAM

Refresh (oživování) DRAM

Detekce
Zesílení
Zpětný zápis

Refresh fáze 1

Refresh fáze 2

Refresh fáze 3

Hierarchie v DRAM pamětech

pro DDR5 paměti

Vyrovnávací paměti (cache)

Vyrovnávací paměti (cache) tvoří most mezi procesorem, který potřebuje rychle dostat data, a hlavní pamětí, která je sice velká, ale mnohem pomalejší než procesor. Pro programátora je obvykle zcela transparentní, přímo nemusí její existenci ani vnímat.

Účel cache pamětí

Jako vyrovnávací paměti

Běžné velké operační paměti v posledních desetiletích ani zdaleka nedosahují vybavovacích časů, které by nezdržovaly CPU.
Cache tak tvoří most mezi potřebou rychle dostupných dat a potřebou velké kapacity paměti.
Velká a současně rychlá paměť by byla drahá, případně zcela nerealizovatelná.
Proto se mezi procesor a hlavní paměť vkládá jako mezistupeň cache nebo dokonce více úrovní cache (L1, L2, …) za sebou.

Technická nemožnost udělat současně dost velkou a rychlou paměť plyne i z fyzikálních omezení: velkou kapacitu nedostaneme dostatečně blízko k procesoru, který data píše a čte.

Princip čtení přes cache

Procesor se zeptá cache, zda obsahuje požadovaná data.
Jsou-li dostupná v cache, jsou velmi rychle poskytnuta procesoru.
Nejsou-li dostupná, musejí se načíst z hlavní paměti, poskytnou procesoru a uložit do cache.
To po čase vyvolá potřebu vyřadit (přepsat) v cache méně používané údaje a uvolnit místo pro poptávanější data.

Algoritmy určující, která data lze z cache uvolnit, používají různé strategie, například se vyřadí dlouho nepoužívaný údaj (Least Recently Used, LRU).

Algoritmus čtení přes cache (případ cache-miss)

Scénář, kdy kýžený obsah není v cache

Požadavky na zápis dat s cache

Klíčový požadavek:

Udržet dlouhodobě konzistenci (shodu) mezi hlavní pamětí a cache, aby se nestalo, že program vezme z cache údaj neshodující se s hlavní pamětí.
Při určitém systému práce s cache mohou být přechodně některé záznamy v cache čerstvější než v hlavní paměti; tehdy musejí být označeny "dirty" příznakem, aby se "časem" přepsaly do hlavní paměti a tím byl paměťový systém opět uveden do konzistentního stavu.

Postup při zápisu přes cache

Program chce zapsat údaj do paměti.
Údaj se nejprve vždy zapíše do cache.
Poté se postup liší dle používané strategie pro danou cache:
write-through
zápis do cache vždy souběžně se zápisem do hlavní paměti ^[1]
write-back
zápis do hlavní paměti se odkládá buďto do uplynutí určeného času nebo na chvíli, kdy se musí řádek v cache uvolnit, vyměnit — tehdy se změněný údaj už musí zapsat do hlavní paměti.

1. Pro zápis do hlavní paměti se využije zápisový buffer kvůli relativní dlouhému trvání zápisu do hlavní paměti.

Principy vyhledávání a ukládání v cache

Plně asociativní	současně se porovnávají značky u všech záznamů v cache na shodu; kde se shoduje, odtud se údaj vrátí
N-cestně asociativní	kombinace asociativního a přímého adresování: z prostředních bitů adresy se určí jedna ze skupin, kde údaj může být (a nikde jinde); pak se ve vybrané skupině s N místy asociativním adresování vybere řádek, kde údaj může být, a zjistí, zda tam opravdu je.
Přímo adresovaná	nic se neasociuje, rovnou se sáhne na spočtenou adresu do cache a zkontroluje, zda je tam kýžený údaj

Plně asociativní

je nutné velké množství komparátorů
vzhledem k tomu, že se musí v každém řádku tabulky uchovávat celý tag, musí mít cache paměť velkou kapacitu, do které se tyto tagy ukládají a kterou není možné využít k uchovávání dat
z těchto důvodů se plně asociativní paměti prakticky nepoužívají

Příklad: plně asociativní cache s osmi bloky

N-cestně asociativní

Zaadresování

N-cestně asociativní paměti (N-way associative) pracují tak, že zadaná adresa se rozdělí na dvě části: tag a adresa skupiny (někdy též adresa třídy, v angličtině set).
Adresa skupiny je přivedena na N dekodérů (zařízení, které na základě vstupní hodnoty vybere jeden ze svých výstupů, na který umístí hodnotu log. 1, a na ostatní výstupy umístí hodnotu log. 0), které v každé tabulce vyberou jeden řádek.
Z těchto řádků se potom vezmou příslušné tagy a komparátorem se porovnají se zadaným tagem.

N-cestně asociativní (2)

Shoda?

Podobně jako u plně asociativních cache pamětí pokud jeden z komparátorů signalizuje shodu, je informace v cache paměti přítomna. Nastává cache-hit.
V opačném případě je nezbytné informaci hledat jinde cache-miss.
N-cestně asociativní paměti částečně eliminují nevýhody plně asociativních cache pamětí a v současnosti jsou nejpoužívanějším typem cache pamětí.

2-cestná cache

Přímo adresovaná

Není vůbec asociativní, pro data "se jde rovnou".
Vlastně jde o 1-cestnou cache.
Princip jednoduše řečený na příkladu:
1. Z adresy požadovaných dat se vezme střední část bitů, sáhne se na jimi danou pozici, řádek v cache.
2. Je-li záznam na řádku platný a současně odpovídá-li jejich tag nejvyšší části adresy požadovaných dat, požadovaná data v cache jsou a je možné je vrátit.

Příklad: přímo adresovaná cache

Obr. 4. Přímo adresovaná cache, https://cw.fel.cvut.cz/b182/_media/courses/b35apo/en/lectures/05-e-cache.pdf

Strategie uvolňování cache

Cache je vždy až o několik řádů menší než hlavní paměť — uvolňování méně používaných záznamů je tedy nutností.

Možné strategie (politiky):

Random	uvolní se náhodně zvolený řádek (záznam)
LRU	(Least Recently Used) uvolní je nejdéle nepoužívaný řádek (musíme si někde pamatovat poslední přístupy)
LFU	(Least Frequently Used) uvolní se nejméně používaný (opět si musíme něco pamatovat navíc)
ARC	(Adaptive Replacement Cache) kombinace LRU a LFU

Trvalé paměti (úložiště)

Nyní se vrátíme k vnějším pamětem:

Slouží jako úložiště pro dlouhodobé ukládání dat,
programového kódu (operačního systému, knihoven i aplikací),
výměnu dat (přenosná média),
archivaci dat.

Technické provedení paměťových médií

vyměnitelnost média

výměnná média (výměnné disky, diskety, CD, pásky, flash-disky…)
nevýměnná (pevná) média (pevné disky, vestavěné SSD)

fyzikální princip

magnetický záznam (magnetické pásky, pevné disky, diskety)
optický záznam (CD, DVD, Blue-ray)

mechanické provedení

s točivými díly (HDD - klasické pevné disky)
bez pohyblivých částí (SSD disky)

Pevné disky

Pevné disky neboli hard disks, hard disky, slangově také hárd, hadrdisk, hadr, jsou velkokapacitní datová úložná zařízení.
Pevné proto, že médium je pevně zabudované do jednotky disku, tedy nevýměnné.
Nevýměnnost je relativní: často máme hlavně vedlejší pevné disky celé ve vysouvacím šuplíku.
Vyjímatelnost umožňuje odpojení kvůli riziku hackingu a virů, dovoluje přenos nebo uschování na bezpečné místo.

Princip záznamu

Je magnetický, podobně jako u pásek a disket.
Pevný disk je mechanicky tvořen kotoučem nebo vícero souosými kotouči ("plotnami") s vrstvou z feromagnetického materiálu.

Mezi kotouči se na ramínkách pohybují záznamové hlavy — podobně jako u disket.
Kotouče rotují typicky rychlostí 5400-7200 rpm.
Oproti disketám je kapacita HD mnohonásobná.

Můj první HDD měl 20 MB; to není chyba, opravdu MB!

Solid-state Drives (SSD)

Principy a vlastnosti SSD

Na polovodičovém principu Flash-NAND nebo Flash-NOR.
Sofistikované algoritmy pro obsazování místa při zápisech: nepíše se čistě sekvenčně.
Sofistikované samoopravné kódy kvůli chybovosti (u NAND).
Postupné zpomalování při obsazenosti disku.

Negativa

Omezený počet zápisů jedné buňky: nehodí se pro extrémní zátěže.
Omezená životnost záznamu: bez dodávky elekřiny měsíce max. roky, pak se data pomalu vytrácejí.
Násobně vyšší cena za TB než u HDD.

Použití

Ideální do přenosných počítačů: SSD je mechanicky odolný, lehký, má nízkou spotřebu a vysokou rychlost.
V notebooku jsou obvykle stále pod napětím, odpadá tak postupná ztráta dat.
Zejména vhodný pro start systému a spouštění častých aplikací.
Vhodný také v kombinaci HDD (cena, kapacita) a SSD (rychlost).

Nevhodné pro zálohování a archivaci!

Základní princip

Flash paměť využívá MOSFET s plovoucím hradlem (floating gate).
Zápis a mazání probíhá elektricky pomocí tunelování náboje.
Paměť je nevolatilní: pro udržení hodnot netřeba stále dodávat proud.

Flash paměti NAND a NOR

Obě technologie uchovávají bity pomocí náboje na plovoucím hradle tranzistoru.
Liší se ale způsobem propojení buněk a přístupovými metodami.

NOR Flash

Paměťové buňky jsou propojeny paralelně (jako v NOR logice).
Umožňuje přímý náhodný přístup (random access) na úrovni bajtu.
Často používaná pro BIOS a firmware, kde je nutné spouštět kód přímo z paměti (XIP).
Pomalejší zápis a mazání, vyšší cena za bit.

NAND Flash

Buňky jsou spojeny sériově do bitových řetězců (NAND logika).
Přístup se provádí po stránkách (page) – typicky 2 až 16 KB.
Mazání je možné pouze po blocích (např. 128 stránek = 512 KB).
Vysoká hustota, nízká cena za bit – ideální pro SSD, karty a USB.
Vyžaduje řadič pro ECC, přemapování a wear leveling.

Srovnání NAND vs. NOR (1)

Vlastnost	NOR Flash	NAND Flash
Topologie buněk	Paralelní	Sériová
Přístupová jednotka	Bajt	Stránka (např. 4 KB)
Podpora XIP	Ano	Ne
Hustota	Nižší	Vyšší
Rychlost čtení	Vysoká při malém rozsahu	Efektivní při sekvenci

Vlastnost

NOR Flash

NAND Flash

Topologie buněk

Paralelní

Sériová

Přístupová jednotka

Bajt

Stránka (např. 4 KB)

Podpora XIP

Ano

Hustota

Nižší

Vyšší

Rychlost čtení

Vysoká při malém rozsahu

Efektivní při sekvenci

Srovnání NAND vs. NOR (2)

Vlastnost	NOR Flash	NAND Flash
Rychlost zápisu	Pomalejší	Rychlejší
Mazání	Po blocích	Po větších blocích
Spolehlivost	Vyšší	Vyžaduje ECC
Cena za bit	Vysoká	Nízká
Počet zápisových cyklů	10⁵	10³ .. 10⁴
Použití	Firmware, BIOS	SSD, paměťové karty

Vlastnost

NOR Flash

NAND Flash

Rychlost zápisu

Pomalejší

Rychlejší

Mazání

Po blocích

Po větších blocích

Spolehlivost

Vyšší

Vyžaduje ECC

Cena za bit

Vysoká

Nízká

Počet zápisových cyklů

10⁵

10³ .. 10⁴

Použití

Firmware, BIOS

SSD, paměťové karty

Adresování NOR a NAND

NOR	Každý bajt je přímo adresovatelný.
NAND	Přístup se provádí přes bloky → stránky → buňky.

NAND vyžaduje sofistikovaný řadič pro překlad adres, kontrolu chyb (ECC) a rozložení zápisů (wear leveling).

Shrnutí

Technologie NOR	Bootloadery, mikrokontroléry; výhoda: přímý přístup (XIP)
Technologie NAND	Ukládání dat (mass storage); výhoda: cena, kapacita

Porovnání HDD a SSD (1) – výkon

Vlastnost	HDD	SSD
Rychlost čtení/zápisu	Pomalejší (~100 MB/s)	Rychlejší (500 MB/s až 7000+ MB/s)
Přístupová doba	Vysoká (~10 ms)	Nízká (~0.1 ms)
Mechanické části	Ano (rotační části)	Ne (zcela elektronické)

Vlastnost

HDD

SSD

Rychlost čtení/zápisu

Pomalejší (~100 MB/s)

Rychlejší (500 MB/s až 7000+ MB/s)

Přístupová doba

Vysoká (~10 ms)

Nízká (~0.1 ms)

Mechanické části

Ano (rotační části)

Ne (zcela elektronické)

Porovnání HDD a SSD (2) – provoz

Vlastnost	HDD	SSD
Spotřeba energie	Vyšší	Nižší
Hlučnost	Slyšitelný hluk	Tichý provoz
Odolnost vůči nárazům	Nízká (citlivý na otřesy)	Vysoká (žádné pohyblivé části)
Životnost (přepisů)	~1-2 miliony hodin MTBF	Omezený počet cyklů

Vlastnost

HDD

SSD

Spotřeba energie

Vyšší

Nižší

Hlučnost

Slyšitelný hluk

Tichý provoz

Odolnost vůči nárazům

Nízká (citlivý na otřesy)

Vysoká (žádné pohyblivé části)

Životnost (přepisů)

~1-2 miliony hodin MTBF

Omezený počet cyklů

Porovnání HDD a SSD (3) – nasazení

Vlastnost	HDD	SSD
Kapacita	Vyšší (až 20 TB)	Nižší (běžně 0.25-4 TB)
Cena za TB	Mezi 1-20 TB je nejvýhodnější: kolem $10	Nejméně $40, a to jen u menších 1-4 TB
Vhodné pro	Archivace, velká data	Rychlý běh systému, aplikací

Vlastnost

HDD

SSD

Kapacita

Vyšší (až 20 TB)

Nižší (běžně 0.25-4 TB)

Cena za TB

Mezi 1-20 TB je nejvýhodnější: kolem $10

Nejméně $40, a to jen u menších 1-4 TB

Vhodné pro

Archivace, velká data

Rychlý běh systému, aplikací

Srovnání cen za TB

Info k cenám disků HDD, SDD, flash a optických disků a pásek: https://diskprices.com/

Magnetické pásky

Historie magnetického záznamu

Technicky je nosičem tenká pevná páska ze syntetických materiálů s feromagnetickou vrstvou.
Ta se v magnetofonu pohybuje definovanou rychlostí v kontaktu se čtecí a záznamovou hlavou.
Hlava ji střídavě zmagnetovává působením magnetického pole.
Při čtení zase naopak změny magnetického toku v pohybující se pásce indukují proud v hlavě a ten se dále zesiluje a zpracovává.

Nejprve zvukové pásky

Pásky s magnetickým záznamem se nejprve používaly pro analogový záznam zvuku a to jim vydrželo až do devadesátých let, kdy byly nahrazeny záznamem digitálním na CD.
Pásky byly ovšem také jedním z prvních médií na dlouhodobé uchovávání dat, na počítačích (od roku 1951).

Způsob záznamu a přístupu

Páska je vždy předurčena k tomu, aby data byla zaznamenávána sekvenčně "za sebou".
Zásadně se tedy nehodí, potřebujeme-li častý přímý přístup někam "doprostřed" nebo střídavě na různých místech.

Rovněž obvykle nedokážeme přemazat/přepsat jen třeba jeden vybraný soubor. Musíme psát dále na volné místo a přemazávat vcelku.
Přístup ke konkrétnímu údaji je o několik řádů pomalejší než například z diskových médií.

Provedení klasických páskových médií

Pásky měly dříve výlučně formu v dlouhých metrážích navinutou na kotoučích, později i na kazetách s hracími dobami obvykle do 90 minut.

Obdobná situace byla u videozáznamů: páskové (kazetové) videokamery se používaly až do doby technické a ekonomické dostupnosti velkých flash pamětí.

Datové pásky

Pásky jsou zřejmě nejdéle sloužící paměťové médium pro levné dlouhodobé ukládání (zálohování, archivaci) dat — a pravděpodobně jím ještě dlouho zůstane.
Podstatnou výhodou je vyjímatelnost páskového média — lze je pro archivaci schovat do trezoru, rozmístit na odlehlá místa, atd.

Umožňuje též rychlý transport dat i na velké vzdálenosti: sbalit arzenál pásek do kufru a přepravit ho letadlem je pro velké objemy způsob významně rychlejší než posílání po seberychlejší síti přes půl světa.
Moderní pásky mohou mít běžně kapacity v řádech terabajtů na kus.

Moderní standard LTO

Linear Tape-Open (LTO), a.k.a. LTO Ultrium formát je typ moderních páskových kartridží (kazet, cartridge) zavedený společnostmi Hewlett Packard Enterprise, IBM a Quantum.
Nejnovější generace LTO-10 z roku 2025 nabízí datovou kapacitu kartridže až 3O TB dat.

Páskové jednotky mívají integrovanou aspoň nějakou kompresi dat, takže se obchodně nabízí kapacita až 75 TB ("with industry-standard 2.5x compression").
Pásky LTO mají šířku 1/2" (12,65 mm) a celá kartridž 102,0 × 105,4 × 21,5 mm.

Příklad: Kartridž LTO-3

Obr. 5. LTX400G od společnosti Sony, zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_Tape-Open

Optické disky: CD, DVD, Blue-ray

Co jsou CD?

Compact Disc, česky též kompaktní disk, lidově cédéčko nebo cédo je vysokokapacitní úložné médium o standardní kapacitě 700 MB dat.
Jde o vynález společností Philips (vyvinul mechaniku) a Sony (digitální kódování), určený původně na záznam digitalizované hudby, jako náhrada vinylových gramodesek.
Při běžném formátu záznamu a vzorkování zvukového záznamu (44.1 kHz * 16 bitů, stereo) odpovídá datová kapacita až 80 minutám nekomprimované hudby.
Komerčně na hudbu byl uveden v roce 1982, v ČSSR kolem poloviny 80. let.

Mini-CD

Běžné CD má 12 cm průměr,
mini-CD používané dříve typicky "na rozdávání" jako nosič reklamních informací, videí, sborníků v elektronické formě před rozšířením sítí a flash-disků mělo průměr 8 cm.

Organizace záznamu

Systém samotného zápisu bitů je dán typem CD (-ROM, -R, -RW,).
Bity jsou ukládány na dráze odvíjející se po spirále od středu k okraji disku.
Nemá tedy organizaci na stopy a sektory jako pevné disky a diskety.
Organizací ukládání jde tedy o médium sekvenční a vhodné pro kontinuální čtení velkých souborů, ačkoli z logického pohledu můžeme mít na CD filesystém jako na jiných discích.

Nezapisovatelné CD (CD-ROM)

Data jsou vylisována při výrobě jako:
- pits (důlky) a lands (rovné plochy)
Laser při čtení detekuje změny v odrazu světla.
Disk je pouze pro čtení — nelze zapsat ani přepsat.

Zapisovatelné CD (CD-R)

Obsahuje organickou barvicí vrstvu.
Při zápisu laser trvale změní optické vlastnosti vrstvy.
Laserem "vypálené" oblasti napodobují pits.
Pouze jeden zápis, ale čtení je jako u CD-ROM.

Přepisovatelné CD (CD-RW)

Využívá slitinovou vrstvu (např. Ag-In-Sb-Te).
Pomocí laseru lze měnit mezi:
- krystalickým stavem (více odrazivý)
- amorfním stavem (méně odrazivý)
Lze přepsat typicky až 1000×

DVD

Digital Video Disc, Digital Versatile Disc je následníkem CD s významně vyšší kapacitou až 4,7 GB .
Používáno komerčně od roku 1995.
Motivace: záznam videa → digitální náhrada do té doby populárních videokazet.
Běžná stopáž videa při běžné (MPEG-2) kompresi jsou 2 hodiny.

DVD

DVD-R a DVD+R se dají DVD rekordérem jednorázově zaznamenat.
Přepisovatelná DVs (DVD-RW, DVD+RW a DVD-RAM) lze zapisovat a mazat mnohokrát.
Některé typy DVD jsou vícevrstvé a/nebo oboustranné, kapacita pak naroste až na 17,1 GB (standard DVD-18).

Srovnání CD a DVD

Laser	CD používá infračervený laser (780 nm), velikosti pitu minimálně 0,83 µm DVD používá červený laser (650 nm) → menší bod → hustší zápis
Záznamová vrstva	DVD má tenčí vrstvy DVD má menší důlky (minimálně cca 0,40 µm)
Formáty	CD-ROM, CD-R, CD-RW DVD-ROM, DVD-R, DVD+R, DVD±RW, DVD-RAM

Blue-ray (BR)

Je opět vynálezem firmy Sony, přesněji Blu-ray Disc Association (BDA), vedené Sony.
Motivace: filmy ve Full-HD (H.264) kvalitě.
Pro zvýšení hustoty záznamu se musí používat modrý laser (405 nm), odtud i obchodní označení.
Kapacita je výrazně vyšší, nejméně 25 GB, u vícevrstvých až 128 GB.
Opět existují varianty: BD-ROM, BR-R (jednou zapsatelné), BD-RE (přepisovatelné), BD-XL.

Trvanlivost

Při zavedení CD/DVD byly obavy, že médium nebude mít delší životnost než řádově roky.
U lisovaných CD/DVD-ROM odhad až 100 let.
CD-R 5-30 let (organické barvivo časem degraduje)
CR-RW 5-10 let, až 1000 přepisů

Vlastní zkušenost: CD-R i po 25 let bez potíží čitelné — tedy máte-li kde jej přečíst :)

Diskety

Diskety (floppy disks, také pružné disky) jsou dnes již takřka nepoužívaným magnetickým médiem pro záznam dat.
Materiál diskety i princip záznamu je podobný jako u pásky s tím hlavním rozdílem, že k datům je přímý přístup a odpadá nutnost procházet sekvenčně jako u pásky.
Typické kapacity disket běžných formátů disket 8", později 5 1/4" a 3,5" byly do 1,44 MB, tedy o více řádů menší než pevné disky, ale i optické disky CD, DVD.

Organizace záznamu na disketu

Data jsou ukládána do stop ve tvaru soustředných kružnic a sektorů jakožto výsečí těchto kružnic.
Čas potřebný k načtení (nebo zápisu) dat sestává z doby vystavení hlavy na příslušnou stopu a vyčkáním, než se disk pootočí na příslušný sektor.

Na rozdíl od pevného disku se disketa roztočí až při potřebě čtení či zápisu.
Disketa se pohybuje běžně ve vzduchu a nikoli jako kotouče pevného disku zapouzdřené v bezprašném prostředí diskové jednotky.
To omezuje spolehlivost, trvanlivost i možnou hustotu záznamu na disketě.

Příklady disket

Na další kapitolu: Pokročilé architektury

HTML · Slides · PDF | Přehled předmětu