انواع حافظه در کامپیوتر

در مورد حافظه کامپیوتر

این بخش بر روی حافظه چند منظوره تمرکز کرده که کامپیوترها، برنامه ها و داده هایی را که در حال استفاده هستند را ذخیره می کنند، قطعه ای که داده ها را دریافت می کند به موجب پردازشگر می باشد. حافظه چند منظوره، که حافظه خواندن- نوشتن یا حافظه دسترسی تصادفی (رم) نیز نامیده شده، باید قابل خواندن و قابل نوشتن باشد. دو نوع رم در کامپیوترهای مدرن استفاده می شود:

رم پویا

رم پویا (DRAM) داده ها را فقط برای کسری از ثانیه قبل از از بین رفتن آنها ذخیره می کند. سیستم برای حفظ داده های ذخیره شده باید همواره رم را تازه کند تا عملکرد را دقیق کرده و سرعت آن را محدود کند. DRAM دسترسی ۶۰ ns (نانو ثانیه) را ایجاد کرده اما ارزان بوده و برق نسبتا کمی را مصرف می کند.

رم ایستا

رم ایستا (SRAM) بطور خودکار محتوای خود را تا جایی که برق به آن وصل است نگه می دارد بدون اینکه عمل تازه سازی را انجام دهد. SRAM زمان دسترسی را سریعتر از DRAM ایجاد کرده اما گران و مصرف برق بالایی دارد.

کامپیوترها از معماری حافظه مرتب استفاده می کنند که دارای ویژگی های زیر هستند:

حافظه اصلی

کل حافظه کامپیوتر از DRAM استفاده می کند (سیستم های مدرن از متغیری با نام SDRAM استفاده می کنند) و حافظه اصلی نامیده می شود. در اصل ۲۵۶ مگا بایت تا ۱ گیگا بایت یا بیشتر بزرگتر بوده اما با CPU مدرن بسیار آهسته می باشد. حافظه اصلی جایی است که CPU برنامه ها و داده ها را ذخیره می کند. حافظه اصلی با عنوان بافری بین CPU و دیسک عمل می کند.

حافظه پنهان

حافظه پنهان مقدار کمی از SRAM سریعتر است که دسترسی بین CPU و حافظه اصلی را بافر می کند.

کامپیوترهای مدرن دارای دو لایه حافظه پنهان هستند:

حافظه پنهان اولیه

حافظه پنهان اولیه، که حافظه پنهان سطح ۱ یا حافظه پنهان L1، نامیده شده، در اصل ۱۶ تا ۱۲۸ کیلو بایت حافظه سریع در همان چیپ همانند خود CPU می باشد. اندازه و کارایی حافظه پنهان L1 از عوامل اصلی عملکرد CPU محسوب می شوند. مقدار و نوع حافظه پنهان L1 با CPU مشخص شده و نمی تواند ارتقا یابد.

حافظه پنهان ثانویه

حافظه پنهان L1 برای حذف پراکندگی سرعت بین پردازشگرها و حافظه اصلی به اندازه کافی بزرگ نیست. حافظه پنهان ثانویه، که حافظه پنهان سطح ۲ یا حافظه پنهان L2 نامیده شده، این شکاف را با سازگاری منطقی بین هزینه و عملکرد پر می کند. حافظه پنهان L2 بخشی از بسته CPU (یا خود بستر CPU) در تمام پردازشگرهای مدرن از جمله پنتیوم ۴ اینتل و سلرون، و آلتون ۶۴ AMD و سمپرون می باشد. پردازشگرهای مدرن دارای حافظه پنهان L2 از ۱۲۸ کیلو بایت تا ۲ مگا بایت هستند.

انواع حافظه

سیستم های جدید از یکی از حافظه های اصلی زیر استفاده می کنند:

DRAM همگام، که SDRAM نامیده شده، در سال ۱۹۹۶ عمل انتقال را شروع کرد و معمولا تا سال ۲۰۰۱ در کامپیوترها استفاده شد. برخلاف حافظه های ناهمگام منسوخ و قدیمی، SDRAM مرجع ساعتی مشترکی را بین CPU به اشتراک می گذارد. CPU و حافظه با یکدیگر کار می کنند، که CPU می تواند داده را به و از حافظه انتقال دهد بجای اینکه به CPU در انتظار پنجره دلخواه باشد. سرعت های SDRAM در مگاهرتز بجای نانو ثانیه می باشد که از انواع اولیه حافظه هستند. DRAM همگام دارای یکی از اشکال زیر است:

JEDEC SDRAM

JEDEC SDRAM یا PC66 SDRAM از PC100 SDRAM و PC133 SDRAM متفاوت است.

PC100 SDRAM

PC100 SDRAM با پردازشگرهای پنتیوم II و پنتیوم III استفاده شده که از ۱۰۰ مگاهرتز FSB استفاده می کند.

PC133 SDRAM

PC133 SDRAM با ۱۳۳ مگاهرتز FSB استفاده می شود. با اینحال نمی توان تصور کرد که حافظه PC133 می تواند برای ارتقای سیستمی استفاده شود که دارای حافظه PC100 یا PC66 می باشد. بعضی از سیستم ها، بخصوص سیستم هایی که براساس چیپ ست های سری ۸۱۰ و ۴۴۰BX اینتل هستند به حافظه PC100 نیاز دارند و با حافظه PC133 به دستی کار نمی کنند.

بطور کلی، اگرچه ماژول های PC66، PC100 و PC133 هنوز در دسترس هستند (با توزیع محدود)، هر سیستمی که از SDRAM استفاده می کند گزینه ضعیفی برای ارتقا می باشد. جدیدترین سیستم های SDRAM اکنون بیش از ۵ سال عمر دارند و به پایان عمر خدماتی خود نزدیک می شوند. سریعترین سیستم های SDRAM مانند مدلهای پنتیوم III 1 گیگاهرتز، هنوز با عنوان سیستم های ثانویه به اندازه کافی سریع بوده اما قیمت بالای آن در هر مگا بایت SDRAM باعث شده تا ارتقای آنها ازنظر اقتصادی انجام نشود.

DDR-SDRAM

نسبت به SDRAM استاندارد، نرخ داده دوگانه SDRAM (DDR-SDRAM) باعث دو برابر شدن داده های منتقل شده در هر چرخه ساعت شده و بموجب آن پهنای باند حافظه پیک نیز بطور موثر دو برابر می شود. DDR-SDRAM بهبود تکاملی SDRAM استاندارد است، که گاهی اوقات نرخ داده تک SDRAM یا SDR-SDRAM به موجب تمایز آن نامیده می شود. بدلیل اینکه DDR-SDRAM لزوما برای تولید SDR-SDRAM هزینه می کند، بنابراین سریعا باید SDR-SDRAM را منسوخ کند.

چیپ های استفاده شده برای تولید ماژول حافظه DDR-SDRAM، که DIMM (ماژول حافظه داخلی دوگانه) نامیده شده، برای سرعت عملیاتی آنها نامگذاری می شوند. برای مثال، چیپ های ۱۰۰ مگاهرتزی به دوبرابر یعنی تا ۲۰۰ مگاهرتز می رسند و بنابراین چیپ های DDR200 نامیده می شوند. بطور مشابه، چیپ هایی که در ۱۳۳ مگاهرتز کرا می کنند چیپ های DDR266 نامیده شده، و آنهایی که در ۱۶۶ مگاهرتز کار کرده نیز چیپ هایی DDR333، و در ۲۰۰ مگاهرتز نیز چپی های DDR400 نامیده می شوند.

برخلاف SDR-SDRAM DIMMs، که با سرعت های چیپ های خود طراحی شده، DDR-SDRAM DIMMs با پهنای باند خود طراحی می شوند.

مسیر داده آنها ۶۴ بیت (۸ بایت) عرض دارد. برای مثال، DDR-SDRAM DIMM که از چیپ های DDR200 استفاده نموده ۸ بایت را ۲۰۰ میلیون برابر در زمان منتقل می کند که کل پهنای باند ۱۶۰۰ میلیون بایت/ ثانیه دارد و PC1600 DIMM نامیده می شود. بطور مشابه، DDR-SDRAM DIMMs که از چیپ های DDR266 استفاده نموده PC1200 نامگذاری می شوند و آنهایی که از چیپ های DDR333 استفاده کرده PC2700، و آنهایی که از چیپ هایی DDR400 استفاده نموده نیز PC3200 نامیده می شوند.

قیمت پایین ماژول های PC3200 DDR-SDRAM از DDR-SDRAM کمتر بوده، هرچند ماژول های PC2700 توزیع محدودی دارند. در دسترس بود محدود PC1200 و انواع آهسته DDR-SDRAM برای سیستم هایی که از متغیرهای آهسته تر استفاده می کنند اهمیتی ندارد، زیرا حافظه PC3200 با متغیرهای آهسته تر سازگاری روبه عقبی دارد.

هر سیستمی که از DDR-SDRAM استفاده می کند گزینه خوبی برای ارتقا می باشد. اگر علامتگذاری نشود، در اینصورت می توان سرعت و سایر ویژگی های DDR-SDRAM DIMM را چک کردن شماره آیتم بر روی ماژول در وب سایت سازنده شناسایی نمود. DDR-SDRAM DIMMs از ۱۸۴ پین استفاده نموده و می تواند از ماژول های رم ۱۶۸ پین DR-SDRAM و ۲۴۰ پین DDR2-SDRAM با توجه به شماره پین ها و درجه کلید متمایز شود. شکل ۲-۶ یک DDR-SDRAM DIMM را نشان می دهد.

DDR2 SDRAM

تا اوایل ۲۰۰۳، تکنولوژی اصلی DDR2 SDRAM به سرعت به حدود خود نزدیک شد. همچنانکه AMD و اینتل به سرعت های بالاتر FSB تغییر کردند، DDR- SDRAM به حفظ فضای خود اصرار نمود. DDR-SDRAM اصلی خارج از PC3200 بود. چیپ ست های DDR دو کاناله (که ترکیبی از پهنای باند ماژول های حافظه جفت هستند) با استفاده از حافظه PC3200 پهنای باند پیک را به ۶۴۰۰ مگا بایت/ ثانیه محدود می کنند. بدین صورت الزامات پهنای باند پردازشگر مطابق با ۶۴ بیت (۸ بایت) عرض کانال حافظه فعال با ۸۰۰ مگاهرتز FSB مانند مدل های اصلی پنتیوم ۴ بوده اما پردازشگرهای جدید معرفی شده اند، حتی DDR-SDRAM دو کاناله نمی تواند پهنای باند پردازشگر را افزایش دهد.

DDR2 SDRAM یک راه حل بلند مدت است. DDR2 به یک سری پیشرفت های تکاملی در تکنولوژی DDR استاندارد از جمله افزایش پهنای باند، ولتاژ پایین (۱٫۸ ولت در برابر ۲٫۵ ولت DDR)، مصرف برق پایین، و بهبود بسته بندی کمک می کند. به گونه ای که DDR-SDRAM پهنای باند را در SDR-SDRAM دو برابر می کند زمانی که با نرخ ساعتی مشابه کار می کند، در اینصورت DDR2-SDRAM نیز پنهانی باند را در DDR-SDRAM با دو برابر کردن سرعت رابط الکتریکی دو برابر می کند. DDR2DIMMs از کانکتور جدید ۲۴۰ پین استفاده می کند که با DDR-SDRAM 184 پین و کانکتورهای اولیه سازگاری ندارد. جدول ۱-۶ ویژگی های مهم DDR2-SDRAM را نشان داده که با PC3200 (DDR400) DDR-SDRAM مقایسه می شود.

اگرچه اینتل به DDR2 از زمان معرفی آن تاکید نموده است، اما درک اولیه آن به دو دلیل کُند می باشد. اول، حافظه DDR2 در اصل با قیمت بسیار بالایی در حافظه DDR فروخته می شود که گاهی اوقات بیش از ۲۰۰% تا ۳۰۰% می باشد. تا اواخر ۲۰۰۵، این اختلاف به ۱۵% یا ۲۰% افت کرد، که DDR2 گزینه بسیار معقولی بود. دوم، هرچند DDR2 پهنای باند بالاتری را نسبت به DDR ارائه می دهد، اما دارای تاخیر بسیار زیادی است. در کل، این بدان معناست که هرچند DDR2 می تواند داده ها را با سرعت بالاتری از DDR ارسال کند، در اینصورت انتقال داده ها طولانی تر می باشد. در برنامه هایی که از دسترسی حافظه متوالی مانند ویرایش فیلم استفاده می شود، مزیت پهنای باند DDR2 اینست که  عملکرد حافظه بالایی دارد. در برنامه هایی که دسترسی به حافظه بصورت تصادفی می گیرد از جمله بسیاری از برنامه های بهره وری فردی، در اینصورت مزیت تاخیر DDR موضوع مهمی است. DDR2-SDRAM DIMMs از ۲۴۰ پین استفاده نموده و می تواند از ماژول های حافظه SDR-SDRAM 168 پین و DDR-SDRAM 184 پین با توجه به تعداد پین ها و موقعیت درجه کلید متفاوت باشد.

RDRAM رامبوس

RDRAM رامبوس یک استاندارد رم اختصاصی است که بطور مشترک توسط انیتل و رامبوس توسعه یافته است. RDRAM رامبوس در ماژول هایی با نام RIMMs بسته بندی می شود که به جای کلمه اختصاری یک نام تجاری است.

سه نوع حافظه RDRAM یعنی رامبوس اصلی، رامبوس همزمان، و رامبوس مستقیم وجود دارد. دو نوع اول منسوخ بوده و فقط در دستگاه هایی مانند کنسول های بازی استفاده می شوند. تمام حافظه RDRAM استفاده شده در کامپیوترها از حافظه رامبوس مستقیم هستند. RDRAM با ۴ سرعت یعنی PC600، PC700، PC800 و PC1066 ساخته شده است هرچند فقط PC800 و PC1066 در دسترس می باشند. ماژول های RDRAM همانند DDR-SDRAM طبق پهنای باند خود اما با کمی اختلاف نامگذاری می شوند. RDRAM از مسیر داده ۱۶ بیت یا ۱۸ بیت (در مقابل ۶۴ بیت برای SDRAM) به منظور انتقال دو بایت در یک زمان در مقابل پهنای باند ۸ بایت DDR-SDRAM استفاده می کند. بدین ترتیب، PC800 RDRAM دارای پهنای باند فقط ۱٫۶ گیگا بایت/ ثانیه و PC1066 2.133 گیگا بایت/ ثانیه می باشد. که بسیار کمتر از DDR-SDRAM است.

همچنین RDRAM دارای تاخیر زیادی است و این تاخیر با افزایش تعداد دستگاه های RDRAM بیشتر می شود. اگرچه RDRAM عملکرد بالایی در زمان معرفی خود داشته است، DDR-SDRAM سریع و ارزان نیز به سرعت RDRAM را برای استفاده در سیستم های دسکتاپ منسوخ می کند. سیستم های مبتنی بر RDRAM قابل ارتقا بوده اما سن سیستم و هزینه حافظه اضافی RDRAM در مقابل هزینه تعویض مادربرد و استفاده از DDR-SDRAM یا حافظه DDR2-SDRAM نیز اهمیت دارد.

در مورد نوع حافظه سیستم می توان با توجه به سن سیستم قضاوت کرد. شکل ۳-۶ جدول زمانی انواع حافظه را نشان داده که در ۱۰ سال گذشته در سیستم های جدید نصب شده اند.

در اواخر ۲۰۰۵، چشم انداز حافظه کامپیوترها برای سالهای بعدی قابل پیش بینی بود. حافظه PC3200 DDR-SDRAM در سیستم های ارزان استفاده خواهند شد و بطور گسترده در دسترس افرادی خواهد بود که سیستم های قدیمی را ارتقا می دهند. DDR2-SDRAM در نهایت در سال ۲۰۰۵ به جای ثابتی در سیستم های مبتنی بر اینتل رسید، و همچنانکه AMD به معرفی پردازشگرهای سازگار با DDR2 در طول سال ۲۰۰۶ پرداخته است، DDR2 به تکنولوژی حافظه اصلی تبدیل خواهد شد و به تدریج  جایگزین DDRSDRAM می شود.