Kaj je računalniški pomnilnik: definicija, bit, bajt, RAM in CPU

Računalniški pomnilnik je območje za začasno shranjevanje. V njem so shranjeni podatki in navodila, ki jih potrebuje centralna procesna enota (CPU). Preden se program lahko zažene, se iz pomnilnika naloži v pomnilnik. S tem je centralni procesni enoti omogočen neposreden dostop do računalniškega programa. Pomnilnik je potreben v vseh računalnikih.

V praksi to pomeni: program je trajno shranjen na napravi za hrambo (npr. SSD ali disk), nato se ob zagonu prekopira v delovni pomnilnik (RAM), kjer do njega neposredno dostopa CPU. Trajna hramba je počasnejša, a ne izgubi vsebine ob izklopu; delovni pomnilnik je hiter, a vsebino ob izklopu izgubi.

Računalnik je običajno binarna digitalna elektronska naprava. Binarno pomeni, da ima le dve stanji: vklopljeno ali izklopljeno, 0 ali 1. V binarnem digitalnem računalniku se za vklop in izklop električne energije uporabljajo tranzistorji. Pomnilnik računalnika je sestavljen iz številnih tranzistorjev.

Vsaka nastavitev vklopa/izklopa v pomnilniku računalnika se imenuje binarna številka ali bit. Skupina osmih bitov se imenuje bajt. Bajt je sestavljen iz dveh nizkih bitov, od katerih ima vsak po štiri bite. Računalniški znanstveniki so si izmislili besedi bit in bajt. Beseda bit je kratica za binarno številko. Iz binarnega sistema vzame bi in doda t iz digitalnega sistema. Zbirka bitov se je imenovala bit. Računalničarji so spremenili črkovanje v bajt, da bi se izognili zmedi. Ko so računalničarji potrebovali besedo za polovico bajta, so menili, da bi bila beseda nibble, kot polovica grižljaja, zabavna izbira.

Opomba in dopolnitev: polovični bajt se v slovenščini pogosto imenuje polbajt (ali nibl) in ima 4 bite; en bajt ima vedno 8 bitov. V sodobnih sistemih skoraj vsi znaki, majhna števila ali del večjih števil temeljijo na bajtih.

Enote in zapisi količin

Bit (b): najmanjša enota, 0 ali 1.
Bajt (B): 8 bitov; osnovna enota za shranjevanje znakov in podatkov.
Večje enote (dve rabi):
- Decimalno (SI): 1 kB = 1.000 B, 1 MB = 1.000.000 B, 1 GB = 1.000.000.000 B.
- Binarno: 1 KiB = 1.024 B, 1 MiB = 1.048.576 B, 1 GiB = 1.073.741.824 B.
V praksi se pri RAM-u pogosto uporablja binarni pomen (GiB), pri diskih pa decimalni (GB).

Vrste računalniškega pomnilnika

RAM (Random Access Memory): delovni pomnilnik, hlapen (vsebina izgine ob izklopu), hiter za branje/pisanje.
- DRAM (najpogostejši v glavnem pomnilniku): visoka kapaciteta, nekoliko večja latenca.
- SRAM (uporablja se za predpomnilnik): zelo hiter, dražji, manjša kapaciteta.
Predpomnilnik (cache): manjši in zelo hiter pomnilnik blizu ali v CPU (L1, L2, L3), zmanjšuje povprečni čas dostopa do podatkov.
Registerji: najhitrejši, najmanjši pomnilnik znotraj CPU, hranijo trenutne operande in naslove.
ROM in flash: nespremenljiv ali poltrajno zapisljiv pomnilnik za firmware; vsebina se ne izgubi ob izklopu.
Navidezni pomnilnik (strani/swap): del trajne hrambe, ki ga sistem uporabi, ko RAM-a zmanjka; bistveno počasnejši od RAM-a.

Kako sodelujeta RAM in CPU

CPU pridobi navodila in podatke iz RAM-a. Če so podatki že v predpomnilniku, je dostop hitrejši; sicer jih je treba prebrati iz RAM-a (ali celo iz trajne hrambe prek navideznega pomnilnika).
Dostop poteka prek pomnilniškega krmilnika in vodil (kanalov). Sodobni RAM (npr. DDR4/DDR5) deluje v kanalih; več kanalov in višje frekvence pomenijo večjo prepustnost.
Latenca (zakasnitev) in prepustnost (MB/s) vplivata na hitrost programov, zlasti iger, znanstvenih izračunov in obdelave podatkov.
Besedna dolžina sistema (32-bitni ali 64-bitni) določa, koliko pomnilnika je mogoče neposredno nasloviti in kako široko podatke CPU obdeluje naenkrat.

Lastnosti pomnilnika

Hlapnost: RAM je hlapen, ROM/flash in diski niso.
Naslavljanje: vsak bajt v RAM-u ima svoj naslov; operacijski sistem upravlja preslikavo navideznih naslovov procesov v fizične naslove.
Operacije: branje in pisanje. Nekateri pomnilniki (npr. ROM) podpirajo le branje ali počasnejše zapisovanje.

Zakaj je količina in hitrost RAM-a pomembna

Premalo RAM-a vodi do pogostega zamenjevanja (swap), kar močno upočasni sistem.
Več RAM-a omogoča več hkrati odprtih aplikacij in obdelavo večjih podatkovnih nizov.
Hitrejši RAM in nižja latenca izboljšata odzivnost, še posebej pri opravilih, občutljivih na dostop do pomnilnika (igre, 3D-risanje, kompilacija kode).

Pogosta vprašanja in praktični primeri

Koliko RAM-a potrebujem? Za osnovno rabo 8–16 GB; za igre in ustvarjalno delo 16–32 GB; za zahtevne znanstvene/razvojne naloge 32 GB ali več.
Ali je 1 bajt vedno 8 bitov? Da, v sodobnih računalnikih je to standard.
Ali RAM shrani podatke trajno? Ne. Ob izklopu vsebina izgine; za trajno shranjevanje so namenjeni SSD-ji, trdi diski ipd.
Ali več kanalov RAM pomaga? Da. Dvokanalni ali štirikanalni način poveča prepustnost, če so moduli pravilno nameščeni.

Povzetek: pomnilnik predstavlja elektronski prostor za hitro, začasno hranjenje podatkov in navodil, ki jih potrebuje CPU). Temelji na binarnih številkah – bitih – in bajtih, ki tvorijo osnovo vseh informacij v sistemu. Razumevanje razlik med RAM-om, predpomnilnikom, registri in trajno hrambo ter med enotami (kB/KB, KiB) pomaga pri izbiri in učinkoviti uporabi računalnika.

Znaki v pomnilniku

Bajt v pomnilniku se uporablja za shranjevanje kode, ki predstavlja znak, na primer številko, črko ali simbol. Osem bitov lahko shrani 256 različnih kod. To se je zdelo dovolj in bajt je bil določen na osem bitov. To omogoča deset decimalnih številk, 26 malih črk, 26 velikih črk in številne simbole. Prvi računalniki so uporabljali šest bitov v bajtu. To je omogočalo 64 različnih kod. Ti računalniki niso imeli malih črk.

Računalniški strokovnjaki so se morali dogovoriti, katera koda bo predstavljala posamezen znak. Večina sodobnih računalnikov uporablja ASCII, ameriško standardno kodo za izmenjavo informacij. V ASCII je vsaka koda osem bitov - poljubna kombinacija 0 in 1 - in tvori en znak. Črka A je označena s kodo 01000001.

Za vse različne znake v vseh svetovnih jezikih potrebujejo sodobni računalniki več kot 256 različnih znakov. Drug kodni sistem, imenovan Unicode, omogoča 1 112 064 različnih znakov z uporabo od enega do štirih bajtov za vsak znak.

Naslov pomnilnika

Računalniški procesor lahko dostopa do vsakega posameznega bajta. Za vsak bajt uporablja naslov. Naslovi računalniškega pomnilnika se začnejo pri nič in se povečajo do največjega števila, ki ga računalnik lahko uporabi. Starejši računalniki so bili omejeni pri tem, koliko pomnilnika so lahko naslovili. 32-bitni računalniki lahko naslovijo do 4 GB pomnilnika. Sodobni računalniki uporabljajo 64 bitov in lahko naslovijo do 18 446 744 073 709 551 616 bajtov = 16 eksabajtov pomnilnika.

Številke, ki jih uporabljajo računalniki, so lahko zelo velike. Za lažje razumevanje se lahko uporablja enota K (za kilobajt) ali Ki (za kibibajt). V računalniškem pomnilniku so števila moči dveh. En kibibait je dva na moč 10, to je 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 in se zapiše kot 2¹⁰ = 1024 bajtov. Na primer, 64 kibibajev, zapisanih kot 64KiB ali 64KB, pomnilnika je enako 65 536 bajtov (1 024 × 64 = 65 536). Za večje kapacitete pomnilnika se uporabljajo enote megabajt (MB) ali meibajt (MiB) in gigabajt (GB) ali gibibajt (GiB). En megabajt računalniškega pomnilnika pomeni 2 ²⁰bajta ali 1024KB, kar je 1 048 576 bajtov. En gibibait pomeni 2 ³⁰bajta ali 1024 MB.

Številke so večkratniki števila dve. Zato je kilobajt pomnilnika 1024 bajtov in ne 1000, kot bi bilo v primeru kilograma. Da bi se izognili tej zmedi, Mednarodna elektrotehniška komisija (IEC) za binarne moči uporablja imena kibibyte, mebibyte in gibibyte. Kilobajt, megabajt in gigabajt pa uporabljajo v pomenu moči 10. Skupni svet za inženiring elektronskih naprav (JEDEC) je ohranil starejša imena. Za nameček se velikosti računalniških pomnilnikov, kot so trdi diski (HDD), merijo v desetinkah. Tako je 500 GB disk 500 x 1000 x 1000 x 1000 x 1000 bajtov. To je veliko manj kot 500 GB pomnilnika, ki je 500 x 1024 x 1024 x1024. Večina računalniških strokovnjakov še vedno uporablja stara imena in se mora zavedati, da se enote razlikujejo, ko govorimo o pomnilniku in pomnilniških napravah.

Pomnilnik samo za branje

Nekateri programi in navodila so vedno potrebni za delovanje računalnika. Pomnilnik samo za branje (ROM) je trajni pomnilnik, ki se uporablja za shranjevanje teh pomembnih nadzornih programov in sistemske programske opreme za izvajanje funkcij, kot sta zagon ali zagon programov. Pomnilnik ROM ni spremenljiv. To pomeni, da se vsebina ne izgubi, ko se izklopi napajanje. Njegova vsebina je zapisana, ko je računalnik zgrajen, v sodobnih računalnikih pa lahko uporabnik vsebino spremeni s posebno programsko opremo.

Pomnilnik z naključnim dostopom

Pomnilnik z naključnim dostopom (RAM) se uporablja kot delovni pomnilnik računalniškega sistema. V njem so začasno shranjeni vhodni podatki, vmesni rezultati, programi in druge informacije. Lahko se bere in/ali piše. Običajno je nestanoviten, kar pomeni, da se vsi podatki ob izklopu napajanja izgubijo. V večini primerov se ponovno naloži s trdega diska, ki se uporablja za shranjevanje podatkov.

Nehlapni pomnilnik

Hlapni pomnilnik je računalniški pomnilnik, ki ohranja shranjene informacije, ko ni napajanja.
Primeri trajnega pomnilnika so:

pomnilnik samo za branje
bliskovni pomnilnik

Včasih se lahko nanaša na računalniško shranjevanje. Ta je vedno nevolatilna.
Primeri so:

Polprevodniške naprave, ki uporabljajo bliskovni pomnilnik, kot so polprevodniški diski (SSD) in bliskovni diski USB.
Magnetne računalniške naprave za shranjevanje, kot so trdi diski (HDD), diskete in magnetni trakovi.
optične plošče, kot so CD-ROM, DVD-ROM in Blu-ray.
shranjevanje papirja, kot so papirnati trakovi in luknjane kartice.

Polprevodniški pogoni so primer nestalnega pomnilnika.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je računalniški pomnilnik?

O: Računalniški pomnilnik je začasno območje za shranjevanje podatkov in navodil, do katerih dostopa centralna procesna enota (CPU).

V: Kako se izvaja program?

O: Preden se program lahko zažene, ga je treba naložiti iz pomnilnika v pomnilnik, tako da ima centralna enota neposreden dostop do njega.

V: Kaj je binarna digitalna elektronika?

O: Binarna digitalna elektronika je, ko se za vklop in izklop elektrike v računalniku uporabljajo tranzistorji, ki ustvarjajo dve stanji - vklopljeno ali izklopljeno, nič ali ena.

V: Kaj so biti in bajti?

O: Posamezna nastavitev vklopa/izklopa v pomnilniku računalnika se imenuje binarna številka ali bit. Skupina osmih bitov se imenuje bajt.

V: Od kod izhajata besedi bit in bajt?

O: Besedi bit in bajt so si izmislili računalniški znanstveniki - "bit" izhaja iz kombinacije "bi" iz binarnega sistema in "t" iz številke, medtem ko je bil "bajt" spremenjen iz "bit", da bi se izognili zmedi.

V: Kaj je nibble?

O: Nibble je polovica bajta, sestavljena iz štirih bitov. Tako je bil poimenovan, ker so ga imeli za polovico bajte.

V: Kdo si je izmislil besedo nibble?

O: Besedo nibble so ustvarili računalniški znanstveniki, ko so potrebovali ustrezen izraz za polovico bajta.