Pamięć komputerowa (ang. computer memory) jest urządzeniem cyfrowym służącym do przechowywania informacji w postaci bitów. Dzielimy ją na:

• pamięć operacyjną (ang. operating memory) - służy do przechowywania uruchomionych programów oraz przetwarzanych danych. Jest pamięcią szybką, o krótkim czasie dostępu do przechowywanej informacji. Pamięć operacyjna realizowana jest z układów półprzewodnikowych. Posiada relatywnie małą pojemność (do kilku giga bajtów). Po wyłączeniu zasilania pamięć operacyjna traci przechowywane w niej dane.
• pamięć masową (ang. mass storage) - służy do składowania programów oraz dużej ilości informacji. Pamięć masowa posiada dłuższy czas dostępu do przechowywanych danych w porównaniu z pamięcią operacyjną, lecz ma dużą pojemność (setki gigabajtów). Realizowana jest w postaci dysków twardych, stacji CD/DVD, dysków sieciowych (dostępnych poprzez sieć teleinformatyczną). W przyszłości, gdy ulepszone zostaną pamięci FLASH, pamięć masowa prawdopodobnie zintegruje się z pamięcią operacyjną komputera - urządzenia mechaniczne, jak dyski twarde i stacje CD/DVD, odejdą do lamusa (tak dzieje się obecnie ze stacjami dyskietek, zastępują je Pendrive'y). Pamięć masowa nie traci przechowywanej informacji po wyłączeniu zasilania.

Pamięć RAM (ang. Random Access Memory - pamięć o dostępie swobodnym) jest podstawowym składnikiem pamięci operacyjnej komputera. Termin RAM oznacza pamięć, z której informacja może być odczytywana w dowolnej kolejności bez względu na poprzednie odczyty czy zapisy. Termin RAM wprowadzono w celu odróżnienia pamięci o dostępie swobodnym od pamięci o dostępie sekwencyjnym (np. taśmowej, dyskowej itp.), popularnej na początku ery komputerowej.

Informacja przechowywana jest w pamięci RAM w postaci bitów umieszczanych w komórkach (ang memory cell), których mogą być miliardy. Aby komputer mógł uzyskiwać w prosty sposób dostęp do każdej komórki pamięci, zostały one ponumerowane. Numery komórek nazywamy adresami komórek pamięci (ang. memory cell address). Poniżej przedstawiamy fragment logicznej struktury pamięci (czyli tak, jak widzi swoją pamięć komputer):

Ze względów ekonomicznych poszczególne komórki pamięci przechowują grupę kilku bitów (najczęściej jest ich 8 - czyli 1 bajt, ale rozmiar bitowy komórki pamięci zależy od architektury systemu komputerowego). Na przykład komórka o adresie 3 przechowuje 8 bitów o zawartości 11111110. Treść tej informacji uzależniona jest od interpretacji stanów bitów.

Komputer steruje pamięcią przy pomocy trzech magistral (ang. bus). Magistrale zbudowane są z linii, którymi transmituje się sygnały. We współczesnych komputerach magistrale są cyfrowe, co oznacza, iż poszczególne linie przesyłają tylko sygnały dwustanowe, czyli bity. Widać z tego wyraźnie, iż komputery są maszynami binarnymi nie tylko ze względu na rodzaj przetwarzanych informacji, lecz również z powodu swojej wewnętrznej budowy - mówimy, iż posiadają architekturę binarną (ang. binary architecture).

Magistrala adresowa (ang. address bus) przekazuje pamięci adres komórki, do której komputer chce uzyskać dostęp - odczytać zawartość lub umieścić nowe dane. Ponieważ adres przekazywany jest magistralą cyfrową, to sam również występuje jako liczba binarna. Ilość linii na magistrali adresowej określa zakres dostępnych adresów, a zatem maksymalny rozmiar pamięci komputera. Do obliczeń stosujemy prosty wzór:

rozmiar pamięci = 2^{liczba linii na magistrali adresowej}

Na przykład w starych komputerach magistrala adresowa mogła zawierać maksymalnie 16 linii. Zatem rozmiar możliwej do zaadresowania pamięci wynosił 2¹⁶ = 65536 komórek (sławne 64KB - kilo bajty). Jeśli magistrala adresowa składa się z 32 linii, to komputer jest w stanie wykorzystać 2³² = 4294967296 = 4GB pamięci (GB - gigabajt). Oczywiście w systemie może być mniej pamięci (np. tylko 1GB = 1073741824 komórek), w takim przypadku część adresów nie jest wykorzystywana, gdyż nie stoją za nimi żadne komórki. Ilość możliwych do zaadresowania komórek nosi nazwę przestrzeni adresowej (ang. address space). Natomiast pamięć fizyczna (ang. physical memory, physical storage) określa ilość pamięci rzeczywiście zainstalowanej w systemie komputerowym.

Magistrala danych (ang. data bus) umożliwia komputerowi przekazywanie danych do pamięci oraz odczyt przechowywanych przez pamięć informacji z komórek. Magistrala danych zbudowana jest z linii sygnałowych, po których przekazywane są bity. Ilość linii na magistrali danych zależy od architektury komputera. Na przykład w systemach 32-bitowych magistrala danych zawiera 32 linie, co pozwala w jednym cyklu dostępu do pamięci przesłać porcję 32 bitów.

Magistrala sterująca (ang. control bus) umożliwia komputerowi kierowanie pracą pamięci. Zawiera ona kilka linii, które określają rodzaj wykonywanej przez pamięć operacji (zapis lub odczyt) oraz uaktywniają odpowiednie banki pamięci w systemach 16-, 32- i 64-bitowych.

Prześledźmy teraz uproszczone cykle odczytu i zapisu danych do pamięci.

Poszczególne kroki obu cykli muszą być dokładnie skoordynowane w czasie, w przeciwnym razie pamięć może nie zdążyć przygotować danych dla komputera. Również przy zapisie przekroczenie dopuszczalnych parametrów czasowych pamięci może prowadzić do zgubienia informacji. Wynika z tego, iż pamięć oraz reszta systemu komputerowego muszą ze sobą ściśle współpracować.

W zależności od sposobu zapamiętywania bitów w komórkach pamięć RAM dzielimy na dwa rodzaje:

Pamięć statyczna RAM (ang. SRAM - Static Random Access Memory). Do zapamiętywania bitów stosuje się przerzutniki bistabilne. Pamięci statyczne są bardzo szybkie i mało kłopotliwe w obsłudze. Wadą jest złożoność przerzutnika zapamiętującego jeden bit danych. Zbudowany jest z co najmniej 6 elementów elektronicznych (tranzystorów CMOS). Ponieważ użyteczna pamięć musi zawierać setki milionów takich przerzutników (np. pamięć 1GB zawiera 8 • 107'3741'824 = 8'589'934'592 przerzutników = 51'539'607'552 tranzystorów CMOS), to jej wewnętrzna budowa bardzo się komplikuje. Jednakże przemysł elektroniczny radzi sobie z tymi trudnościami i pamięci statyczne zdobywają coraz większą popularność.

Pamięć dynamiczna RAM (ang. DRAM - Dynamic Random Access Memory). Ponieważ pamięci statyczne zawierają dużo elementów elektronicznych i są trudne w produkcji, inżynierowie od dawna poszukiwali prostszych układów pamięciowych. Rozwiązaniem okazała się pamięć dynamiczna, wynaleziona w 1966 roku i opatentowana w 1968 przez dr Roberta Dennarda z Centrum Badawczego Thomasa J. Watsona w IBM. Pomysł opiera się na wykorzystaniu kondensatorów do zapamiętywania bitów informacji. Kondensator naładowany ładunkiem elektrycznym utrzymuje ten stan. W pamięci dynamicznej dla każdego bitu wykorzystywany jest mikroskopijny kondensatorek sterowany pojedynczym tranzystorem CMOS (a nie sześcioma, jak w pamięci statycznej). Problem polega na tym, iż w tej skali trudno uzyskać materiały izolacyjne o wysokich parametrach (a pamięć dynamiczna ma być przecież tania, inaczej jej produkcja traci sens). Zatem naładowany kondensatorek szybko rozładowuje się z powodu przepływu elektronów przez warstwę izolacyjną. Czas rozładowania wynosi milisekundy. Ładunek kondensatorka musi być systematycznie odświeżany - stąd nazwa pamięć dynamiczna, ponieważ informacja jest pamiętana dynamicznie - trzeba ją cyklicznie regenerować, inaczej dosłownie rozpłynie się w strukturze układu scalonego. Do odświeżania (ang. refresh) zawartości pamięci dynamicznej stosuje się specjalne obwody (mogą one być umieszczone wewnątrz układu scalonego pamięci - wtedy mamy do czynienia z tzw. pamięcią pseudostatyczną, gdyż zewnętrznie obsługiwana jest identycznie jak pamięć statyczna). Z powodu odświeżania pamięć dynamiczna jest wolniejsza w działaniu od pamięci statycznej i bardziej kłopotliwa w eksploatacji. Jej zaletę stanowi natomiast duża pojemność z uwagi na mniejszą liczbę elementów elektronicznych przypadającą na bit danych w porównaniu z pamięcią statyczną. Pamięci dynamiczne są obecnie powszechnie stosowane w systemach komputerowych.

Pamięć stała (ang. ROM - Read Only Memory). Opisywane powyżej pamięci RAM tracą przechowywaną informację przy zaniku zasilania. Innymi słowy, jeśli wyłączysz komputer, to przestanie on pamiętać wszystko, co znajduje się w jego pamięci RAM. Z drugiej strony komputer potrzebuje pamięci, które przechowują dane nawet po wyłączeniu zasilania. Przykładem może być pamięć ROM-BIOS (ang ROM Basic Input/Output Subsystem), która zawiera program startowy oraz podstawowe procedury obsługi urządzeń zewnętrznych (klawiatura, monitor, dyski, itp.). Gdy włączymy zasilanie komputera, właśnie z pamięci ROM-BIOS wykonuje się program startowy, który uruchomi resztę systemu operacyjnego. Pamięć ROM można tylko odczytywać. Zawarta w ROM informacja została tam umieszczona na etapie produkcji w strukturze wewnętrznej układu scalonego i nie może być już zmieniona przez użytkownika.

Pamięć FLASH. Jest to pamięć nieulotna, tzn. można w niej zapisać dane, wyłączyć zasilanie, a dane nie zostaną stracone i wciąż będą obecne po ponownym włączeniu zasilania. Bity są zapamiętywane, podobnie jak w pamięci dynamicznej, w mikroskopijnych kondensatorach. Jednak tym razem warstwa izolacyjna jest tak dobra, iż ładunek zostaje uwięziony nawet na 10 lat. Czemu w takim razie nie stosuje się pamięci FLASH w charakterze pamięci RAM? Niestety, oprócz wymienionych zalet, pamięci FLASH posiadają również istotne wady. Po pierwsze nie są tak szybkie jak typowe pamięci SRAM czy DRAM. Ustępują im o rząd wielkości. Szybkość pracy pamięci jest kluczowa dla szybkości działania całego systemu komputerowego. Po drugie każdy zapis danych degeneruje warstwę izolacyjną i po kilku milionach cykli warstwa ta ulega całkowitemu uszkodzeniu - pamięć przestaje działać. Pomimo tych wad pamięć FLASH może być stosowana jako zastępca pamięci ROM do przechowywania BIOS komputera. Dzięki możliwości zapisu danych użytkownik może aktualizować oprogramowanie systemowe swojego komputera - np. aktualizacja usuwa wykryte przez producenta błędy, poprawia współdziałanie z nowymi składnikami systemu itp. Oczywiście aktualizacja zawartości pamięci FLASH jest wykonywana przez odpowiedni program producenta płyty głównej - w przeciwnym razie komputer bardzo szybko przestałby się uruchamiać (odpowiedz sobie dlaczego?).

Pamięć dyskowa (ang. disk storage, disk memory). Oprócz pamięci operacyjnej, w której komputer przechowuje bezpośrednio uruchomione programy oraz właśnie wykonywane programy, w systemach komputerowych stosuje się pamięć masową o bardzo dużej pojemności. Na dzień dzisiejszy pamięć masowa realizowana jest za pomocą urządzeń mechaniczno elektronicznych. Typowym przykładem jest dysk twardy (ang. hard drive, hard disk). Pomysł takiego urządzenia powstał dosyć dawno, bo w roku 1947 w postaci pamięci bębnowej.

Współczesny dysk twardy zawiera zespół wirujących dysków wykonanych z twardego materiału i pokrytych bardzo cienką warstwą magnetyczną. Nad powierzchniami dysków unoszą się na poduszkach powietrznych głowice zapisująco-odczytujące. Zapisany ślad ma formę koncentrycznych pierścieni, które nazywamy ścieżkami (ang. track). Ścieżki podzielone są na sektory (ang. sector). W sektorach zapisuje się dane (zwykle 512 lub 1024 bajty). Minimalną jednostką odczytu lub zapisu jest cały sektor - wynika to z powodów technicznych: bardzo trudno byłoby zsynchronizować zapis pojedynczych bajtów z obrotem dysku. Sektor, jako większy, łatwiej rozpoznać na ścieżce - posiada odpowiednie znaczniki, które głowica odczytuje w trakcie przeglądania ścieżki. Na podstawie tych znaczników kontroler dysku twardego (specjalny mikrokomputer zawarty w każdym dysku twardym) rozpoznaje początek określonego sektora i może go odczytać do wewnętrznego bufora lub zapisać danymi z bufora.

Jak widać, pamięć dyskowa posiada nieco inną strukturę, niż typowa pamięć RAM. Zamiast pojedynczych komórek mamy sektory. Jeśli jednak potraktujemy sektor jako taką dużą komórkę zawierającą 512 (lub 1024) bajtów danych, a numer ścieżki i numer sektora na ścieżce jako adres tej komórki w obszarze dysku, to pojawi się analogia pamięci dyskowej z pamięcią RAM. Różnice są w sposobie dostępu do danych. W pamięci RAM komputer po prostu wysyłał adres na magistralę adresową i odczytywał sobie dane z magistrali danych. Z dyskiem musi natomiast współpracować poprzez porty wejścia/wyjścia. Wymaga to całej procedury komunikacyjnej do odczytu i zapisu sektora. Poza tym dane na dyskach są zorganizowane w tzw. system plików (ang. file system), którym zarządza system operacyjny komputera. Całość jest na tyle skomplikowana, iż samodzielna obsługa dysku twardego komputera na poziomie sektorów raczej mija się z celem - ilość czynników do uwzględnienia jest tak duża, że lepiej zostawić to fachowcom - o ile nie jesteś młodym geniuszem tworzącym konkurencyjny system operacyjny w stosunku do Windows, Linux, Unix itd.

Zaletą dysków twardych jest duża pojemność do przechowywania danych oraz oprogramowania, sięgająca setek gigabajtów. Przewiduję jednakże, iż w niedalekiej przyszłości dyski twarde, jako urządzenia w sumie mechaniczne, zostaną wyparte przez pamięci FLASH, które są urządzeniami czysto elektronicznymi i nie zawierają zużywających się części ruchomych. Już dzisiaj takie rozwiązania można spotkać w sprzęcie komputerowym mniejszego kalibru - aparaty fotograficzne, kamery, telefony komórkowe itp. Współczesne mikrodyski krzemowe PenDrive mają pojemności takie, jakie miały dyski twarde w połowie lat 90-tych ubiegłego wieku (a nawet większe - np. PenDrive 8GB, 16GB). Mój pierwszy dysk twardy miał pojemność 160MB i wydawał mi się bardzo duży. Mój pierwszy PenDrive miał pojemność 1GB i wydaje mi się już za mały. A Bill Gates twierdził kiedyś, że pamięć RAM pierwszych komputerów IBM o pojemności 640KB jest przestrzenią "nie do zapełnienia". To ciekawe czemu jego system Windows 10 wymaga teraz co najmniej 4GB pamięci RAM, czyli 65536 razy więcej?

Innym rodzajem pamięci masowej są stacje dysków elastycznych (ang. floppy drive). Zasada działania takiej stacji jest bardzo podobna do zasady działania dysku twardego. Dysk jest umieszczony w plastikowej obudowie (dyskietce) i wykonany z elastycznego materiału pokrytego warstwą ferromagnetyczną. Po umieszczeniu dyskietki w stacji z dyskiem styka się głowica, która podobnie jak w magnetofonie, zapisuje lub odczytuje koncentryczne ścieżki magnetyczne na obu powierzchniach dysku. Ścieżki dzielą się na sektory. W każdym sektorze można umieścić 512 bajtów informacji. Jednostką zapisu lub odczytu jest jeden sektor, z tych samych powodów co dla dysku twardego. Pojemność dyskietki wynosi 1,44MB (format HD - High Density, wysoka gęstość zapisu). Na dzisiejsze czasy jest to niewiele - na dyskietce mieści się kilka prostych obrazków lub kilka dokumentów procesora tekstu Word. Zapis i odczyt jest bardzo wolny i . niestety, niezbyt pewny. Rozpowszechnienie się tanich pamięci PenDrive wróży bardzo szybki koniec stacjom dysków elastycznych - coraz częściej pojawiają się komputery bez tego urządzenia. Jeden PenDrive o pojemności 4GB to odpowiednik 2844 dyskietek HD !!! - rozumiesz już, czemu dyskietki muszą odejść?

Większość współczesnych programów wykorzystuje na pasku narzędziowym (ang tool bar) ikonę dyskietki do oznaczenia operacji zapisu danych. W niedalekiej przyszłości symbol będzie wymagał zastąpienia innym, gdyż z powodu zaniechania stosowania tego nośnika, dyskietki przestaną się kojarzyć nowym użytkownikom z zapisem danych.

Dobra rada - obecnie producenci produkują dyskietki o coraz gorszych parametrach. Jeśli już musisz zapisywać coś na dyskietce, to zaopatrz się w przynajmniej 3 sztuki i wszystkie dane zapisuj trzykrotnie na każdej dyskietce. Unikniesz wtedy (nie ma gwarancji) przykrych niespodzianek, gdy dane będzie trzeba odczytać na innym komputerze. Dyskietki szanuj, noś zawsze w jakimś pudełku, nigdy luzem - lubią łapać piach, który zarysowuje powierzchnię dysku uniemożliwiając poprawny odczyt. Najlepiej jednak zaopatrz się w PenDrive'a, a nigdy nie zatęsknisz do dyskietek. Niech spoczywają w pokoju. Należy im się.
Dysk sieciowy (ang. network drive) jest obszarem pamięci dyskowej odległego komputera, który został udostępniony użytkownikowi poprzez sieć lokalną. Z punktu widzenia komputera dysk sieciowy zachowuje się identycznie jak dysk twardy. Można na nim umieszczać dane i programy. Posiada on określoną pojemność. Różnica jest tylko taka, iż dostęp do danych następuje poprzez procedury obsługi transmisji sieciowych. Dyski sieciowe mogą być współdzielone przez kilku użytkowników sieci, dzięki temu użytkownicy są w stanie ze sobą ściśle współpracować - bardzo istotna cecha w firmach wykorzystujących intensywnie technologie informatyczne. Z drugiej strony dysk sieciowy zapewnia bezpieczeństwo danych - jeśli komputer użytkownika ulegnie awarii, to dostęp do danych użytkownik może uzyskać z innego, sprawnego komputera.

Dysk optyczny (ang. optical disk). W poszukiwaniu tanich nośników informacji pod koniec lat 80-tych ubiegłego wieku naukowcy zainteresowali się laserami. Laser (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) jest urządzeniem, które emituje bardzo spójną wiązkę światła. Po wynalezieniu półprzewodnikowych diod laserowych trafił on do sprzętu powszechnego użytku jako urządzenie odczytujące dane ze specjalnych dysków optycznych CD (ang. compact disk) lub DVD (ang. digital video disk lub digital versatile disk).

Dyski CD/DVD są wykonane z warstw sztywnego polimeru. Pomiędzy warstwami umieszczona jest powierzchnia odblaskowa z aluminium lub podobnego materiału. Zadaniem tej powierzchni jest odbijanie wiązki lasera w kierunku fotodiody (element czuły na światło). W powierzchni odblaskowej wytłoczone są mikroskopijne zagłębienia, tworzące spiralną ścieżkę przebiegającą wokół całej powierzchni czynnej dysku. Ścieżka jest śladem, po którym porusza się promień lasera, gdy dysk optyczny zostanie włożony do stacji CD/DVD (ang. CD/DVD Drive). Jeśli promień trafi na zagłębienie, to zostanie odbity pod innym kątem i nie trafi do układu odczytującego. Przerwy w odbiorze światła lasera są właśnie informacją cyfrową odczytywaną z dysku. Na ich podstawie napęd CD odtwarza zapisane na dysku dane cyfrowe.

Dyski CD pierwotnie zaprojektowano do zapisu muzyki. Jednak bardzo szybko okazało się, iż technika ta pozwala zapisywać również dane - obrazy, filmy, pliki, programy itp. Powstał standard CD-ROM. Na dysku CD-ROM można zapisać ponad 700MB danych. To bardzo duży skok w porównaniu do dyskietki ( 1,44MB ) . Użytkownicy uzyskali dostęp do olbrzymiej bazy danych cyfrowych - dyski CD-ROM są np. sprzedawane wraz z czasopismami. Na rynku pojawiły się urządzenia nagrywające - nagrywarki CD-R i CD-RW (ang. R - read tylko odczyt, RW - read/write - odczyt/zapis). Dzięki nim użytkownik ma możliwość utworzenia własnych dysków CD, czy to z muzyką, czy to z danymi. Rozwój tej technologii doprowadził w krótkim czasie do powstania dysków DVD o kilkukrotnie większej pojemności (typowo 4,7GB, ale dysk DVD może być dwuwarstwowy - około 8GB oraz dwustronny - 17GB). Ulepszenie polegało na zmniejszeniu średnicy wiązki lasera, co pozwoliło zagęścić ścieżki na dysku oraz zmniejszyć minimalną długość pitów. W efekcie wzrosła pojemność dysku optycznego. Na jednym krążku DVD mieści się około 2 godziny filmu w dobrej jakości cyfrowej.

Prace trwają nadal. Obecnym hitem jest niebiesko-fioletowy laser (w CD i DVD używany był laser podczerwony) o dużo mniejszej długości fali. Zmniejszenie długości fali zwiększa rozdzielczość światła laserowego, co pociąga za sobą możliwość dalszej miniaturyzacji pitów i zagęszczenie ścieżek. Nowe dyski nazwano Blu-ray Disk i HD-DVD (to dwa rywalizujące ze sobą rozwiązania). Mają pojemność 25-30GB. Nowa technologia zapisu cyfrowego umożliwia zapis na dysku BD lub HD-DVD dwie godziny filmu w bardzo wysokiej jakości - przeznaczonego do odtwarzania na telewizorach HD. Obraz nie ustępuje w niczym obrazowi kinowemu. Na rynku są już dostępne nagrywarki dysków Blu-ray oraz HD-DVD. Czyżby zmierzch standardu CD/DVD?

Dyski krzemowe (ang. silicon drive). Są to urządzenia czysto elektroniczne, zawierające pamięć FLASH. Cechą charakterystyczną tej pamięci jest utrzymywanie zapisanych danych, nawet po wyłączeniu zasilania. Sprawia to, iż idealnie nadaje się do zastosowania w urządzeniach przenośnych w charakterze dysku twardego. Obecnie pamięć FLASH ustępuje jeszcze szybkością i trwałością (każdy zapis degeneruje pamięć, po kilku milionach cykli przestanie ona działać) dyskom twardym, ale technologia ta jest intensywnie badana i postęp następuje bardzo szybko. Praktycznie co roku podwaja się pojemność i szybkość pamięci FLASH.

Dyski FLASH posiadają obecnie (rok 2007) pojemności do 16GB przy transferze danych do 12 MB/s. Najpopularniejsze cenowo są jednostki od 1 do 4GB. Bardzo wygodne w eksploatacji, wykorzystują interfejs USB (ang. Universal Serial Bus - uniwersalne łącze szeregowe), który posiadają wszystkie współczesne komputery. Najczęściej dyski Flash, zwane popularnie PenDrive, stosuje się do przenoszenia dużych ilości danych pomiędzy komputerami oraz do archiwizacji - są to zadania dawniej wykonywane przez odchodzące do historii dyskietki.