Hiểu biết cơ bản về Bộ nhớ

Bộ nhớ máy tính là tài nguyên làm việc chính của máy tính. Về tính chất vật lý thì bộ nhớ máy tính là một tập hợp các chip nhớ. Đây là nguồn tài nguyên quan trọng vì nó quyết định số lượng và kích cỡ chương trình có thể được chạy vào cùng một thời điểm cũng như lượng dữ liệu có thể được xử lý ngay tức thời.

Tất cả quá trình xử lý dữ liệu và thực thi chương trình đều chiếm không gian nhớ. Các chỉ lệnh của chương trình được chép vào bộ nhớ từ đĩa, băng từ hoặc từ mạng và sau đó được chuyển sang cho các mạch, đơn vị điều khiển để phân tích và thực thi. Các chỉ lệnh điều khiển máy tính nhập dữ liệu từ bàn phím, đĩa, băng từ, dây điện thoại hoặc từ mạng vào bộ nhớ.
Khi dữ liệu được nhập vào bộ nhớ, các nội dung cũ sẽ bị chép đè. Khi dữ liệu nằm trong bộ nhớ, chúng có thể được xử lý (được tính toán, so sánh và sao chép). Kết quả hoặc là được hiển thị lên màn hình hoặc được gửi ra máy in, đĩa, băng từ hoặc các kênh truyền thông.

RAM làm việc như thế nào?

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên hay Random Access Memory (RAM) là loại bộ nhớ thông dụng nhất được sử dụng trong máy vi tính của chúng ta. Gọi RAM là loại truy xuất ngẫu nhiên vì ta có thể truy xuất trực tiếp đến bất kỳ một tế bào nhớ nào nếu ta biết hàng và cột nào giao nhau tại tế bào đó. (Hãy tưởng tượng đến bàn cờ vua, mỗi một ô đen hoặc trắng sẽ là một tế bào nhớ). Đối lập với Ram là loại bộ nhớ truy xuất theo thứ tự hay Serial Access Memory (SAM). SAM lưu trữ dữ liệu trên một loạt các tế bào nhớ mà ta chỉ có thể truy xuất đến một cách tuần tự (giống băng cát-sét). Nếu dữ liệu không nằm ở vị trí hiện tại, mỗi tế bào nhớ sẽ được kiểm tra lần lượt cho đến khi tìm thấy. SAM thường làm việc tốt dưới dạng các buffer nhớ, nơi dữ liệu thường được lưu trữ và sử dụng theo thứ tự (bộ nhớ đệm dành cho các vân đồ họa trên bo mạch đồ họa là một ví dụ). Trong khi đó, dữ liệu trên RAM có thể được truy xuất theo thứ tự bất kỳ.

Bộ nhớ được tạo thành bằng cách sắp xếp các bit vào một lưới 2 chiều. Ở hình trên, các điểm màu đỏ biểu diễn 1 và trắng biểu diễn 0. Các cột sẽ được chọn và sau đó các hàng được nạp điện để ghi dữ liệu vào cột tương ứng.

=> Những điều cơ bản về RAM

Tương tự như bộ vi xử lý (BVXL), chip nhớ cũng là một mạch tích hợp (IC) được làm từ hàng triệu bóng bán dẫn (transitor) và tụ điện. Đối với loại bộ nhớ thông dụng nhất trên máy vi tính, bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM), một bóng bán dẫn và một tụ điện đi đôi với nhau để tạo thành một tế bào nhớ. Tụ điện sẽ giữ bit thông tin 0 hoặc 1. Bóng bán dẫn hoạt động như một ngắt để mạch điều khiển trên chip nhớ đọc hoặc thay đổi trạng thái của tụ điện.

Một tụ điện giống như một thùng nước nhỏ có thể chứa các điện tử. Để lưu 1 vào tế bào nhớ, thùng nước này sẽ được đổ đầy các điện tử. Để lưu 0, thùng nước sẽ được làm rỗng. Tuy nhiên, thùng nước có một khuyết điểm là nó có một lỗ thủng. Trong khoảng vài mili giây, một thùng nước đầy sẽ trở nên trống rỗng. Do đó, để bộ nhớ động làm việc, hoặc là CPU hoặc là bộ điều khiển bộ nhớ phải nhanh chóng nạp lại tất cả các tụ điện đang chứa 1 trước khi nó phóng điện. Để làm được việc này, bộ điều khiển sẽ đọc lại nội dung nhớ rồi ghi nó vào lại. Quá trình làm tươi này tự động diễn ra hàng ngàn lần trong một giây. Và chính quá trình này tạo nên phần "động" cho RAM. Ram động phải được làm tươi một cách liên tục nếu không nó sẽ "quên" mọi thứ nó đang giữ. Mặt hạn chế của quá trình làm tươi là nó sẽ mất một khoảng thời gian để thực hiện và điều này có thể làm giảm tốc độ của bộ nhớ.

Các tế bào nhớ được khắc lên một bánh silicon theo một dãy các cột (bitlines) và các hàng (wordlines). Điểm giao của một bitline và một wordline tạo thành địa chỉ của tế bào nhớ.

DRAM hoạt động bằng cách gửi dòng nạp điện qua cột phù hợp (CAS) để kích hoạt bóng dẫn tại mỗi bit trong cột. Khi ghi, các hàng sẽ chứa trạng thái mà tụ điện đã mang. Khi đọc, một bộ khuếch đại hướng sẽ xác định mức nạp điện trong tụ điện. Nếu hơn 50%, nó sẽ đọc là 1. Ngược lại, nó sẽ đọc là 0. Một bộ đếm sẽ theo dõi trình tự làm tươi dựa trên hàng nào được truy xuất theo thứ tự nào. Quãng thời gian để làm tất cả việc này là rất nhỏ, do đó nó được biểu diễn bằng đơn vị nano giây (hàng tỉ của giây). Một chip nhớ được đánh giá 70ns nghĩa là nó sẽ mất 70 nano giây để hoàn tất quá trình đọc và nạp lại điện cho mỗi tế bào.

Các tế bào nhớ đơn độc sẽ là vô dụng nếu không có cách lấy được thông tin vào và ra của chúng. Do đó, các tế bào nhớ có một bộ hỗ trợ toàn vẹn trên các mạch chuyên dụng khác. Những mạch này làm chức năng:

* Nhận biết hàng và cột (chọn địa chỉ hàng và địa chỉ cột).
* Theo dõi trình tự làm tươi (bộ đếm).
* Đọc và lưu tín hiệu từ tế bào (bộ khuếch đại hướng).
* Bảo tế bào xem có nên nhận dòng nạp hay không (bật ghi).

Các chức năng khác của bộ điều khiển bộ nhớ bao gồm các tác vụ xác định loại, tốc độ, dung lượng bộ nhớ và kiểm tra lỗi.

RAM tĩnh (SRAM) sử dụng một công nghệ hoàn toàn khác. Các bit của bộ nhớ được giữ dưới dạng các con bật. Một con bật cho tế bào nhớ tốn 4 hoặc 6 bóng bán dẫn cùng một vài dây dẫn. Và chúng không cần được làm tươi. Nhờ vậy, tốc độ của RAM tĩnh nhanh hơn rất nhiều so với RAM động. Tuy nhiên, vì nó cần đến nhiều thành phần nên tế bào bộ nhớ tĩnh chiếm nhiều không gian trên chip hơn là tế bào bộ nhớ động. Do đó, trên cùng một chip, chúng ta có ít bộ nhớ hơn. Dẫn đến việc chế tạo RAM tĩnh tốn nhiều chi phí hơn.

Như vậy, RAM tĩnh nhanh và đắt tiền. Ram động rẽ nhưng chậm hơn. Ram tĩnh thường được dùng để chế tạo các bộ đệm nhạy tốc độ cho CPU. Trong khi RAM động thường dùng làm không gian nhớ chính cho hệ thống.