Kiến trúc máy tính : Phu luc RAM

Các Vấn Đề Sẽ Trình Bày


ROM, RAM tĩnh, RAM động .
Các loại ROM , RAM , đặc điểm phân biệt .
Video Ram , Cache .
Bus .
Đặc điểm đóng gói bộ nhớ .
Tổ chức bộ nhớ.
Bộ nhớ quy ước .
Bộ nhớ mở rộng .
Bộ nhớ phát triển .
Bộ nhớ DOS cao .
Bộ Nhớ cao .


Memory
Memory: Memory đơn giản là một thiết bị nhớ có thể ghi và chứa thông tin. ROM, RAM, Cache, Hard disk, Floppy disk, CD.... đều có thể gọi là memory (vì nó vẫn lưu thông tin). Dù là loại memory nào thì cũng có các tính chất sau đây :
Sức chứa
Tốc độ truy nhập
Interface


Memory



Sức chứa: thiết bị có thể chứa được bao nhiêu?
Ví dụ: CD chứa được 650MB-700MB, Floppy disk chứa được 1.4MB, Cache chứa được 256KB...
Tốc độ truy nhập: là tốc độ vận truyền thông tin của thiết bị. Tính về tốc độ thì CPU bao giờ cũng nhanh nhất, sau đó đến Cache, rồi đến các loại RAM.
Interface: là cấu trúc bên ngoài của memory . Interface phải phù hợp với các thiết bị khác . Ví dụ : motherboard …







ROM
ROM ( Read Only Memory ) : thông tin lưu trữ trong ROM không thể xoá được và không sửa được, thông tin sẽ được lưu trữ mãi mãi.
Ưu điểm: ROM rất phù hợp để lưu giữ các chương trình POST và BIOS không thay đổi.
Bất lợi : một khi đã cài đặt thông tin vào rồi thì ROM sẽ không còn tính đa dụng (xem như bị gắn "chết“ vào một nơi nào đó). Ví dụ điển hình là các con "chip" trên motherboard hay là BIOS ROM để vận hành khi máy vi tính vừa khởi động.
Các Loại ROM
PROM (Programmable ROM) :
Mặc dù ROM nguyên thủy là không xoá/ghi được, nhưng do sự tiến bộ trong khoa học, các thế hệ sau của ROM đã đa dụng hơn như PROM.Một máy lập trình cho PROM sẽ đọc chương trình cần nạp từ máy tính và thực hiện từng bước theo địa chỉ. Thông tin có thể được “ cài " vào chip và nó sẽ lưu lại mãi trong chip. Một đặc điểm lớn nhất của loại PROM là thông tin chỉ cài đặt một lần mà thôi. CD có thể được gọi là PROM vì chúng ta có thể copy thông tin vào nó (một lần duy nhất) và không thể nào xoá được.


EPROM (Erasable Programmable ROM) :
Một dạng cao hơn PROM là EPROM, tức là ROM nhưng chúng ta có thể xoá và viết lại được. Dạng "CD-Erasable" là một điển hình. EPROM khác PROM ở chổ là thông tin có thể được viết và xoá nhiều lần theo ý người xử dụng, và phương pháp xoá là hardware (dùng tia hồng ngoại xoá) cho nên khá tốn kém và không phải ai cũng trang bị được.

Các loại ROM
Các loại ROM
EEPROM (Electronic Erasable Programmable ROM) : Ðây là một dạng cao hơn EPROM, đặt điểm khác biệt duy nhất so với EPROM là có thể ghi và xoá thông tin lại nhiều lần bằng software thay vì hardware.
Ví dụ điển hình cho loại EPROM này là "CD-Rewritable". Ứng dụng của EEPROM cụ thể nhất là "flash BIOS". BIOS vốn là ROM và flash BIOS tức là tái cài đặt thông tin (upgrade) cho BIOS. Cái tiện nhất ở phương pháp này là bạn không cần mở thùng máy ra mà chỉ dùng software điều khiển gián tiếp.


RAM
RAM (Random Access Memory) :
Bộ nhớ Ram là loại không cố định có nghĩa là yêu cầu phải có nguồn nuôi để duy trì các nội dung của Ram nếu mất điện hoặc tắt máy tính, các nội dung của Ram sẽ bị mất. Ram là thiết bị lí tưởng để lưu giữ các chương trình và dữ liệu do máy tính nạp vào trong lúc chạy.
Rất nhiều người nghĩ là RAM khác với ROM trên nhiều khía cạnh nhưng thực tế RAM chẳng qua là thế hệ sau của ROM mà thôi. Cả RAM và ROM đều là "random access memory" cả, tức là thông tin có thể được truy cập không cần theo thứ tự. Tuy nhiên ROM chạy chậm hơn RAM rất nhiều. Thông thường ROM cần trên 50ns để vận hành thông tin trong khi đó RAM cần dưới 10ns (do cách chế tạo).
Các loại RAM
SRAM : lưu giữ các bit trong những tế bào của mình có tác dụng như những cái chuyển mạch điện tử . Các tế bào SRAM mở mạch điện (1) hoặc tắt mạch (0) để phản ánh trạng thái của tế bào . Khi dữ liệu được lưu giữ trong tế bào SRAM nó được duy trì mãi . Chỉ bị thay đổi bởi thao tác ghi hoặc khi ngắt nguồn nuôi . Nhược điểm của SRAM là có kích thước lớn và tiêu hao tương đối nhiều điện khi làm việc . Các vi mạch SRAM hiện nay nói chung bị hạn chế đến 256K .

Các Loại RAM
DRAM (Dynamic RAM) :
lưu trữ các bit dưới dạng những điện tích trong các tụ điện bán dẫn cực nhỏ . Mỗi tế bào lưu trữ có kích thước rất nhỏ và hầu như không tiêu thụ dòng điện nên mật độ lưu trữ khá cao và tiêu hao rất ít điện . Tuy nhiên các điện tích dùng để đại diện cho trạng thái của từng bit chỉ có tuổi thọ khoảng vài mili giây. Sau khỏang thời gian đó, các mức điện bị giảm và tác dụng nhớ không còn. Vì vậy phải có thao tác làm tươi lại ( nên được gọi là RAM động ). DRAM có tốc độ truy cập chậm hơn SRAM, tuy nhiên giá thành sản xuất lại rẻ hơn rất nhiều, và hiện nay DRAM đang được sử dụng rất phổ biến.
Các Loại RAM
FPM-DRAM (Fast Page Mode DRAM) :
Ðây là một dạng cải tiến của DRAM, về nguyên lý thì FPM DRAM sẽ chạy nhanh hơn DRAM một tí do cải tiến cách dò địa chỉ trước khi truy cập thông tin. Những loại RAM như FPM hầu như không còn sản xuất trên thị trường hiện nay nữa.

Các Loại RAM
EDO-DRAM (Extended Data Out DRAM) :
Là một dạng cải tiến của FPM DRAM, nó chạy nhanh hơn FPM DRAM một nhờ vào một số cải tiến cách dò địa chỉ trước khi truy cập data. Một đặc điểm nữa của EDO DRAM là nó cần support của system chipset. Loại memory này chạy với máy 486 trở lên (tốc độ dưới 75MHz). EDO DRAM cũng đã quá cũ so với kỹ thuật hiện nay.  EDO-DRAM chạy nhanh hơn FPM-DRAM từ 10 - 15%.
Các Loại RAM
BDEO-DRAM (Burst Extended Data Out DRAM) :
Là thế hệ sau của EDO DRAM, dùng kỹ thuật "pineline technology" để rút ngắn thời gian dò địa chỉ của data. Hầu hết các nhà chế tạo tìm cách nâng cao tốc độ truy cập thông tin của RAM bằng cách cải tiến cách dò địa chỉ hoặt cách chế tạo hardware.
Các Loại RAM
SDRAM (Synchronous DRAM)
Ðây là một loại RAM có nguyên lý chế tạo khác hẳn với các loại RAM trước. Như tên gọi của nó là "synchronous" DRAM, synchronous có nghĩa là đồng bộ . Synchronous là một khái niệm rất quan trọng trong lĩnh vực digital, RAM hoạt động được là do một memory controller (hay clock controller), thông tin sẽ được truy cập hay cập nhật mỗi khi clock (chu kỳ dòng điện) chuyển từ 0 sang 1, "synchronous" có nghĩa là ngay lúc clock nhảy từ 0 sang 1 chứ không hẳn là clock qua 1 hoàn toàn). Do kỹ thuật chế tạo mang tính bước ngoặc này, SDRAM và các thế hệ sau có tốc độ cao hơn hẳn các loại DRAM trước.
Các Loại RAM
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
Ðây là loại memory cải tiến từ SDRAM. Nó nhân đôi tốc độ truy cập của SDRAM bằng cách dùng cả hai quá trình đồng bộ khi clock chuyển từ 0 sang 1 và từ 1 sang 0. Ngay khi clock của memory chuyển từ 0 sang 1 hoặc từ 1 sang 0 thì thông tin trong memory được truy cập.
Loại RAM này được CPU Intel và AMD hỗ trợ, tốc độ hiện tại vào khoảng 800Mhz. (DDR-SDRAM đã ra đời trong năm 2000)

Các Loại RAM
DRDRAM (Direct Rambus DRAM)
Ðây lại là một bước ngoặc mới trong lĩnh vực chế tạo memory, hệ thống Rambus có nguyên lý và cấu trúc chế tạo hoàn toàn khác loại SDRAM truyền thống. Memory sẽ được vận hành bởi một hệ thống phụ gọi là Direct Rambus Channel có độ rộng 16 bit và một clock 400MHz điều khiển. Ta thấy kỹ thuật mới này dùng 16 bits interface, trông khác hẳn với cách chế tạo truyền thống là dùng 64bit cho memory, bởi thế kỹ thuật Rambus đã cho ra đời loại chân Rambus Inline Memory Module (RIMM) tương đối khác so với memory truyền thống. Loại RAM này hiện nay chỉ được hỗ trợ bởi CPU Intel Pentum IV, rất đắt, tốc độ vào khoảng 400-800Mhz


Các Loại RAM
SLDRAM (Synchronous-Link DRAM) :
Là thế sau của DRDRAM, thay vì dùng Direct Rambus Channel với chiều rộng 16bit và tốc độ 400MHz, SLDRAM dùng bus 64bit chạy với tốc độ 200MHz. Theo lý thuyết thì hệ thống mới có thể đạt được tốc độ 400Mhz x 64 bits = 400Mhz x 8 bytes = 3.2Gb/giây, tức là gấp đôi DRDRAM. Ðiều thuận tiện là là SLDRAM được phát triển bởi một nhóm 20 công ty hàng đầu về vi tính cho nên nó rất da dụng và phù hợp nhiều hệ thống khác nhau.
VRAM
VRAM (Video RAM) :
Khác với memory trong hệ thống và do nhu cầu về đồ hoạ ngày càng cao, các hãng chế tạo graphic card đã chế tạo VRAM riêng cho video card của họ mà không cần dùng memory của hệ thống chính. VRAM chạy nhanh hơn vì ứng dụng Dual Port technology nhưng đồng thời cũng đắt hơn rất nhiều.


Cache
Cache memory
Là loại memory có dung lượng rất nhỏ (thường nhỏ hơn 1MB) và chạy rất nhanh (gần như tốc độ của CPU). Thông thường thì Cache memory nằm gần CPU và có nhiệm vụ cung cấp những data thường (đang) dùng cho CPU. Sự hình thành của Cache là một cách nâng cao hiệu quả truy cập thông tin của máy tính mà thôi.
Cache
Những thông tin thường dùng (hoặc đang dùng) thường được chứa trong Cache, mổi khi xử lý hay thay đổi thông tin, CPU sẽ dò trong Cache memory trước xem có tồn tại hay không, nếu có nó sẽ lấy ra dùng lại còn không thì sẽ tìm tiếp vào RAM hoặc các bộ phận khác.  
Lý do Cache memory nhỏ là vì nó rất đắt tiền và chế tạo rất khó khăn bởi nó gần như là CPU (về cấu thành và tốc độ). Thông thường Cache memory nằm gần CPU, trong nhiều trường hợp Cache memory nằm trong CPU luôn. Người ta gọi Cache Level 1 (L1), Cache level 2 (L2)...là do vị trí của nó gần hay xa CPU. Cache L1 gần CPU nhất, sau đó là Cache L2...

Đặc Điểm Đóng Gói Bộ Nhớ
Các mạch nhớ được đặt trên những miếng silicon .
Mỗi chip nhớ được đóng kín trong vỏ chứa có chân ra để có thể sử dụng trong lắp ráp mạch động .
Một số kiểu đóng gói vi mạch chủ yếu : DIP , SIP , ZIP , SIMM , DIMM , Card nhớ …
Các Kiểu Đóng Gói Bộ Nhớ
DIP ( Dual In-Line Package ) : loại vỏ 2 hàng thẳng .
Đặc điểm : rất dễ sử dụng và có thể cắm vào các đế vi mạch . Trên các loại máy tính cũ thường có một hàng dài các đế cắm DIP trống ở giữa vi mạch hoặc trên các card nhớ mở rộng .
SIP ( Single In-Line Package ) : loại vỏ 1 hàng thẳng . Có các chân nằm dọc theo 1 cạnh của của vỏ dựng thẳng đứng .
ZIP ( Zig-Zag In-Line Package ) : Loại vỏ 1 hàng zic-zac cũng có các chân nằm dọc trên 1 cạnh của vỏ thẳng đứng , nhưng ZIP khắc phục hạn chế về khoảng cách giữa các chân của SIP bằng cách sắp xếp các chân của nó theo kiểu zic-zac . ZIP có thể sử dụng nhiều chân hơn so với SIP cùng loại .


Các Kiểu Đóng Gói Bộ Nhớ
SIMM ( Single In-Line Memory Module ) : mô đun nhớ thẳng hàng đơn là loại đóng gói rất phổ dụng . Các vi mạch nhớ gắn bề mặt được hàn trên một môđun mạch in nhỏ . Các môđun nhớ này sau đó sẽ được cắm vào các ổ cắm phù hợp trên bo mẹ .
Simm có hai loại hoặc là 30 pins hoặc là 72 pins. Người ta hay gọi rõ là 30-pin SIMM hoặc 72-pin SIMM. Loại RAM (có cấu hình SIMM) thường tải thông tin mỗi lần 8bits, sau đó phát triễn lên 32bits. Nhận dạng SIMM khi nó có 30 hoặc 72 pins. Loại 72-pin SIMM có chiều rộng 41/2" trong khi loại 30-pin SIMM có chiều rộng 31/2" .
Các Kiểu Đóng Gói Bộ Nhớ
DIMM (Dual In-line Memory Modules)
Cũng gần giống SIMM , nhưng có số pins là 72 hoặc 168. Một đặc điểm khác để phân biệt DIMM với SIMM là các chân (pins) của SIMM dính lại với nhau tạo thành một mảng để tiếp xúc với memory slot trong khi DIMM có các chân hoàn toàn cách rời độc lập với nhau. Một đặc điểm phụ nữa là DIMM được cài đặt thẳng đứng (ấn thanh RAM thẳng đứng vào memory slot) trong khi SIMM thì ấn vào nghiêng khoảng 45 độ. Thông thường loại 30 pins tải data 16bits, loại 72 pins tải data 32bits, loại 144 (cho notebook) hay 168 pins tải data 64bits.
Các Kiểu Đóng Gói Bộ Nhớ
SO DIMM (Small Outline DIMM)
Ðây là loại memory dùng cho notebook, có hai loại pin là 72 hoặc 144.  Nếu để ý thì thấy chúng có khổ hình nhỏ phù hợp cho notebook. Loại 72pins vận hành với 32bits, loại 144pins vận hành với 64bits.
Các Kiểu Đóng Gói Bộ Nhớ
RIMM (Rambus In-line Memory Modules) và SO RIMM (RIMM dùng cho notebook) :
Là technology của hãng Rambus, có 184 pins (RIMM) và 160 pins (SO RIMM) và truyền data mỗi lần 16bit (thế hệ cũ chỉ có 8bits) cho nên chạy nhanh hơn các loại cũ. Tuy nhiên do chạy với tốc độ cao, RIMM memory tụ nhiệt rất cao thành ra lối chế tạo nó cũng phải khác so với các loại RAM truyền thống. Thanh RAM có hai thanh giải nhiệt kẹp hai bên gọi là heat speader. 
Bus
BUS : gồm nhiều dây dẫn điện nhỏ gộp lại, là hệ thống hành lang để dẫn data từ các bộ phận trong computer (CPU, memory, IO devices). BUS có chứa năng như hệ thống ống dẫn nước, nơi nào ống to thì nước sẽ chạy qua nhiều hơn, còn sức nước mạnh hay yếu là do các bộ phận khác tạo ra.
FSB (Front Side Bus) hành lang chạy từ CPU tới main memory
BSB (Back Side Bus) hành lang chạy từ memory controller tới L2 (Cache level 2)
Tổ Chức Bộ Nhớ
Hoạt động nhớ và tổ chức bộ nhớ là do bộ vi xử lý quản lý . Nếu CPU được cải tiến thì tổ chức bộ nhớ cũng phải thay đổi theo để phù hợp và khả năng quản lý bộ nhớ cũng được nâng cao .
Các bộ vi xử lý đời trước chỉ có thể địa chỉ hóa 1MB bộ nhớ .
Các bộ vi xử lý hiện nay như : 80486 hay 80586 (Pentium ) có khả năng địa chỉ hóa hơn 4GB bộ nhớ hệ thống .
Các tổ chức bộ nhớ cổ điển như : Bộ nhớ truyền thống ( Bộ nhớ quy ước ) , Bộ nhớ mở rộng , Bộ nhớ phát triển .
Ngoài ra còn có : Bộ nhớ DOS cao , Bộ nhớ cao …
Bộ Nhớ Quy Ước
Bộ Nhớ Quy Ước : là 640K quy ước được gán cho vùng nhớ của DOS . Các máy PC loại cũ chỉ có thể địa chỉ hóa 1MB bộ nhớ , ngoài 1MB này các phần nhớ không thuộc chức năng hệ thống cơ sở .
Các mã BIOS , bộ nhớ video , các vectơ ngắt và các dữ liệu BIOS chỉ là 1 số trong các khu vực yêu cầu đối với bộ nhớ dự trữ riêng .
640K còn lại là dùng để nạp và chạy các chương trình ứng dụng .
Tất cả các máy PC tương thích IBM cũng vẫn chỉ có bộ nhớ cơ bản 640K . Việc bổ sung thêm bộ nhớ không được đụng chạm đến khu vực nhớ truyền thống này .
Bộ Nhớ Mở Rộng
Bộ nhớ mở rộng : là kỹ thuật thông dụng khác được sử dụng để vượt qua giới hạn 640K truyền thống .
Các khối nhớ mở rộng được lần lượt chuyển đổi trong dải nhớ cơ sở , nơi mà CPU có thể truy cập theo chế độ thực .
Kỹ thuật của bộ nhớ mở rộng đã sử dụng các băng nhớ 16K được ánh xạ vào trong dải 64K của bộ nhớ chế độ thực nằm ngay phía trên dải nhớ video . Như vậy có thể chạy đồng thời 4 khối nhớ mớ rộng trong chế độ thực .
Trước đây người ta thường dùng các bo mở rộng đặc biệt để điều khiển chuyển đổi các khối trong bộ nhớ mở rộng , nhưng về sau các CPU phù hợp với việc ánh xạ bộ nhớ đã cho phép các trình quản lý bộ nhớ mở rộng bằng phần mềm .
Bộ Nhớ Phát Triển
Để vượt qua giới hạn 640K bộ nhớ phát triển sử dụng phương pháp địa chỉ đươc bảo vệ . Vi xử lý 80286 có thể lập địa chỉ cho 16MB bộ nhớ trong chế độ bảo vệ , trong khi đó những đời sau có thể quản lý 4 GB bộ nhớ .
Hiện nay tất cả các máy tính đều có một vài MB bộ nhớ phát triển .
Ngoài bộ xử lý tốt bộ nhớ phát triển còn cần phải có phần mềm phù hợp và phải nạp trước phần mềm quản lý bộ nhớ vào để máy tính có thể truy cập bộ nhớ phát triển của nó .
Bản thân DOS không thể sử dụng bộ nhớ phát triển . Có thể ghi dữ liệu vào bộ nhớ phát triển nhưng mã lệnh có thể thực hiện bao gồm trong chương trình này vẫn bị hạn chế trong bộ nhớ cơ sở 640K truyền thống .
Một số chương trình được viết có phần phát triển DOS có thể vượt qua giới hạn 640K nhưng những mã lệnh bổ sung cần để phát triển làm cho những chương trình này chạy chậm hơn và kém hiệu qủa hơn
Bộ Nhớ DOS Cao
Dải 384K phía trên của bộ nhớ chế độ thực không được dùng cho DOS vì nó được dành để đáp ứng các yêu cầu nhớ của hệ máy vật lý , và được gọi là dải nhớ DOS cao .
Tuy nhiên phần nhớ này không được sử dụng hết . Vì vậy có thể chép nguyên lại bộ nhớ phát triển vào trong dải nhớ mà hệ máy không dùng đến này .
Vì dải nhớ này không liên hệ với khu vực 640K nên các chương trình DOS không thể sử dụng dải nhớ này được . Nhưng các trình điều khiển độc lập có thể được nạp và chạy trong dải cao này .
Bộ Nhớ Cao
Một điểm đặc biệt là CPU đang chạy bộ nhớ phát triển có thể truy cập vào 1 dải nhớ phát triển (khoảng 64K) nằm qúa trên khu vực chế độ thực . Khả năng này xảy ra là nhờ các đường dây địa chỉ bố trí trên CPU kiểu mới . Kết qủa là thao tác chế độ thực có thể truy cập vào dải 64K ở trên giới hạn 1MB.
Như bộ nhớ DOS cao dải nhớ 64K này không liền với dải nhớ 640K bình thường nên DOS không thể dùng bộ nhớ cao này để chứa chương trình ứng dụng DOS, nhưng các chương trình điều khiển thiết bị có thể được chứa trong bộ nhớ cao này .