Rýchla vyrovnávacia pamäť (Cache): Princíp fungovania

Hardvér zahŕňa všetky fyzické súčasti počítačov, ako sú procesor, pamäť, displej alebo klávesnica. Hardvér predstavuje prvky počítača, ktorých sa môžeme dotknúť. Oproti tomu softvér je nehmotný, označuje inštrukcie, ktoré riadia hardvér a umožňujú používateľom vykonávať rôzne úlohy. Na fungovanie počítača je nutná spolupráca hardvéru a softvéru.

Ako funguje vyrovnávacia pamäť vo vnútri procesora

Základné súčasti počítača

V domácnostiach a kanceláriách sa často stretneme s PC (personal computer, osobný počítač). Neprenosnému PC sa hovorí stolný počítač, niekedy tiež desktop. Stolný počítač sa väčšinou skladá z počítačovej skrine, ku ktorej pripájame príslušenstvo ako monitor, klávesnicu, reproduktory apod. Počítačová skriňa, ktorá sa stavia na výšku a často pod stôl, sa nazýva tower. Prenosnému osobnému počítaču sa hovorí notebook. Ten má všetok hardvér aj príslušenstvo vstavané priamo do svojho tela. Prenosné počítače mávajú navyše akumulátor (batériu), aby sme ich mohli používať, aj keď nie sú pripojené do elektrickej siete. Smartfóny (chytré telefóny) a tablety sú tiež prenosné počítače. Mávajú dotykovú obrazovku a sú pomerne malé.Mainframe je veľký a veľmi výkonný počítač, ktorý často používajú firmy na výpočtovo náročné operácie. Superpočítače sú mnohonásobne výkonnejšie než osobné počítače a mainframy, môžu zaberať celé haly a väčšinou vykonávajú náročné vedecké výpočty. Server je počítač, ktorý je pripojený k počítačovej sieti (väčšinou k internetu) a poskytuje služby iným počítačom, ktoré si ich vyžiadajú. Veľa zariadení je dnes tiež ovládaných počítačmi. Týmto počítačom sa hovorí vstavané systémy a väčšinou sú skonštruované priamo na ovládanie daného zariadenia a vstavané vnútri. Nachádzajú sa napríklad v moderných autách, lietadlách, chytrých spotrebičoch apod. Na výrobných linkách sa používajú CNC stroje (computer numerical control), ktoré riadi počítač podľa nejakého počítačového programu.

Vývoj počítačov

V dávnej histórii si ľudia uľahčovali počítanie napríklad s guľôčkovými počítadlami (abakus) alebo logaritmickými pravítkami. Prvý programovateľný stroj navrhol Charles Babbage v 19. Vývoj počítačov sa často rozdeľuje do tzv. generácií:

1. generácia (40. roky 20. storočia): Veľkú časť funkčnosti počítača zaisťovali elektrónky. V tej dobe boli počítače pomalé a poruchové, zaberali veľký priestor (typicky celej miestnosti) a na svoj beh vyžadovali značné množstvo energie. Najznámejším zástupcom tejto generácie je počítač ENIAC, ktorý bol postavený v 40. rokoch 20. stor. v USA. Na svete bolo vtedy iba veľmi málo počítačov, preto sa používali prevažne na náročné matematické výpočty pre armádu alebo na výskum.
2. generácia (50. - 60. roky 20. storočia): Objavili sa tranzistory, polovodičové súčiastky, ktoré v počítačoch nahradili elektrónky a umožnili tak zvýšenie spoľahlivosti a rýchlosti, zatiaľ čo znížili poruchovosť.
3. generácia (60. - 70. roky 20. storočia): Vďaka integrovaným obvodom začali počítače zmenšovať a zvyšovať svoj výkon. Integrovaný obvod združuje veľa tranzistorov.
4. generácia (80. roky 20. storočia): Vznikli mikroprocesory, procesory tvorené jediným integrovaným obvodom, ktoré umožnili počítače ešte viac zmenšiť. Objavili sa osobné počítače s grafickým rozhraním a počítače sa tak mohli rozšíriť aj do domácností. Počiatky internetu síce siahajú až do 50. rokov 20. storočia, koncom 80. rokov 20. storočia sa k nemu však pripájalo viac a viac počítačov a vznikali prvé webové stránky. (Nie len) vďaka internetu a pokračujúcemu zmenšovaniu cien a veľkostí počítačov sa počítače viac a viac objavovali v bežnom živote.

Základné komponenty hardvéru

* Procesor (CPU = central processing unit) je základnou súčasťou počítača, ktorá vykonáva výpočty a logické operácie. Súčasné procesory bývajú typicky viacjadrové, viac čipov (fyzických jadier) môže spracovávať viac procesov súčasne. Významnou vlastnosťou procesoru je taktovacia frekvencia.* Operačná pamäť (RAM = random access memory) slúži na dočasné ukladanie dát, s ktorými počítač momentálne pracuje (dáta operačného systému a aplikácií). Po vypnutí počítača sa jej obsah vymaže. Kapacita pamäte sa bežne udáva v gigabajtoch (GB, 1 GB = 1000 MB).* Úložisko slúži na dlhodobé ukladanie dát (napr. fotografií, videí, dokumentov, operačného systému, aplikácií…). Jeho kapacita sa udáva v GB. Na polovodičoch je založená tzv. flash paměť. Tú využívajú napr. SSD (solid state drive, polovodičový disk), eMMC v mobilných zariadeniach alebo pamäťové karty (napr. HDD (hard disk drive, pevný disk) využíva kovové platne, na ktoré sa ukládajú dáta na princípe magnetizmu. Obsahuje pohyblivé časti, je pomalejší než SSD.* Elektrické napätie potrebné na prevádzku počítača poskytuje zdroj. V prípade mobilných zariadení je prítomný akumulátor, ktorý je možné opakovane nabíjať.* Vstupné zariadenia zaisťujú vstup dát do počítača (typicky od používateľa, prípadne z prostredia). Patria medzi ne napr. klávesnica, myš, skener alebo mikrofón.* Výstupné zariadenia majú na starosť výstup dát z počítača k používateľovi. Medzi výstupné zariadenia patrí napr. monitor alebo tlačiareň. Vstupné a výstupné zariadenia môžu byť kombinované: napr. tlačiareň (výstupné) so skenerom (vstupné) alebo dotykový displej (výstupom je obraz, vstupom sú dotyky).

Cache (rýchla vyrovnávacia pamäť)

Cache (rýchla vyrovnávacia pamäť) je veľmi rýchla, ale pomerne malá pamäť, ktorá pomáha zrýchľovať beh počítača. Pretože procesor je veľmi rýchly v porovnaní s pamäťou, každý krát, keď si potrebuje načítať nejaké dáta z pamäti, musí dlho čakať. Aby sa chod počítača toľko nespomaľoval, procesor si do cache ukladá často používané dáta, ktoré odtiaľ môže načítať rýchlejšie.

Princíp fungovania

Rovnako ako ľudská pamäť, aj tá počítačová slúži na uchovanie informácií. Dlhodobá pamäť slúži na dlhodobé uloženie dát - napríklad fotografií, filmov alebo zdrojových kódov počítačových programov. Je to to úložisko, ku ktorému máme prístup v Prieskumníku súborov. V operačnej pamäti si počítač ukladá dáta a stavy procesov, s ktorými práve pracuje. Je oveľa rýchlejšia než dlhodobá pamäť, takže na urýchlenie behu počítača sa dáta z dlhodobej pamäti dočasne nahrávajú do operačnej pamäti, keď je s nimi treba pracovať. Ako používatelia k nej nemáme priamy prístup, pracuje s ňou iba procesor.Cache je rýchlejšia než operačná pamäť, ale na procesor a registre nestačí. RAM (random access memory) umožňuje rýchly zápis aj čítanie, a preto sa používa ako krátkodobá (napríklad operačná) pamäť. Jej názov znamená, že je v nej možné pristúpiť okamžite na ľubovoľnú adresu.

Typy pamätí

* ROM (read only memory) po slovensky znamená pamäť iba na čítanie, teda do nej nie je možné dáta zapisovať.* Flash pamäť je podtyp ROM, ktorý je ale možné prepisovať - ide do nej teda oproti klasickej ROM ukladať nové dáta. Zápis aj čítanie prebieha pomocou elektrického prúdu.* HDD (hard disk drive) slúži ako dlhodobá pamäť v počítači, často sa tiež nazýva pevný disk. Dáta sa ukladajú na magnetický otočný disk.* SSD (solid state drive) je ďalší typ dlhodobého úložiska. Oproti HDD je tvorené flash pamäťou. Vďaka tomu je odolnejšie, pretože nemá žiadne pohyblivé časti, a tiež rýchlejšie.* CD a DVD sú prenosné dlhodobé úložiská v tvare disku.* Pamäťová karta je malé prenosné dlhodobé úložisko tvorené flash pamäťou.Pamäť môže byť volatilná alebo nevolatilná. Z volatilnej pamäti všetky dáta zmiznú, keď sa odpojí od elektrického prúdu. Volatilná je cache, RAM a operačná pamäť (tá sa totiž realizuje ako RAM). V nevolatilnej pamäti všetky dáta zostávajú nezávisle od pripojenia k elektrickému zdroju, ale väčšinou býva pomalšia než volatilná.

tags: #rýchla #vyrovnávacia #pamäť #princíp #fungovania