หน่วยความจำภายใน

หน่วยความจำภายใน

           หน่วยความจำหรือ เมโมรี เป็นอีกส่วนประกอบหนึ่ง บนเมนบอร์ดที่มีความสำคัญและทำงานร่วมกับโปรเซสเซอร์อย่างใกล้ชิด หน่วยความจำทำหน้าที่เก็บโปรแกรมและข้อมูลเป็นส่วนที่โปรเซสเซอร์เขียนและอ่านข้อมูล
         
ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับหน่วยความจำในคอมพิวเตอร์

1. คุณลักษณะทั่วไปของหน่วยความจำ

            1.1 ตำแหน่งที่ตั้งของหน่วยความจำ
หน่วยความจำในซีพียู เป็นหน่วยความจำที่มีภายในตัวซีพียู เนื่องจากการทำงานของซีพียูต้องการพื้นที่สำหรับจัดเก็บข้อมูลและคำสั่งของตนเอง
หน่วยความจำภายใน หมายถึง หน่วยความจำหลักขงคอมพิวเตอร์เรียกว่า แรม
หน่วยความจำภายนอก หมายถึง หน่วยความจำสำรอง ซึ่งจัดเก็บแยกจากวงจรหลัก

            1.2 ความจุ
หน่วยความจำภายในหรือหน่วยความจำหลักจะใช้หน่วยวัดความจุเป็น บิต หรือไบต์

            1.3 หน่วยของการขนย้ายข้อมูล
            หน่วยการขนย้ายข้อมูลหรือรับส่งข้อมูล หน่วยความจำหลักจะหมายถึงจำนวนบิตที่มีการอ่าน/เขียนข้อมูลแต่ละครั้ง จะเท่ากับจำนวนของเส้นทางข้อมูลที่เข้าออกจากหน่วยความจำหลัก

            1.4 วิธีการเข้าถึงข้อมูล
            การเข้าถึงหน่วยข้อมูลในหน่วยความจำมีหลายวิธี โดยการเข้าถึงจะเข้าทีละ ระเบียบ จะไม่มีการกระโดดข้ามระเบียบก่อนหน้านั้นไป เวลาที่ใช้ในการเข้าถึงมีค่าไม่แน่นอน
            การเข้าถึงโดยตรง ได้แก่ จานแม่เหล็กของหน่วยความจำภายนอก
            การเข้าถึงแบบสุ่ม ได้แก่ หน่วยความจำหลัก มีการกำหนดตำแหน่งของแต่ละหน่วยข้อมูลที่ชัดเจนไม่มีซ้ำกันตามวงจรที่ออกแบบ
            การเข้าถึงแบบร่วม ได้แก่ หน่วยความจำแคช ใช้วิธีการเข้าถึงนี้ซึ่งคล้ายกับการเข้าถึงแบบสุ่ม

            1.5 ประสิทธิภาพ
            ผู้ใช้มักมองหน่วยความจำในเชิงราคาและประสิทธิภาพมากกว่าอย่างอื่น การพิจารณาประสิทธิภาพของหน่วยความจำ มักจะพิจารณาจากปัจจัยต่อไปนี้
                     1. เวลาในการเข้าถึงข้อมูล
                     2. วัฏจักรหน่วยความจำ
                     3. เวลาส่งถ่ายข้อมูลหรือเป็นเวลาการรับ-ส่ง ข้อมูล

            1.6 ชนิดของหน่วยความจำในเชิงกายภาพ หากจัดแบ่งโดยสังเขปก็จะได้แก่ประเภทของสารกึ่งตัวนำ หน่วยความจำประเภทนี้ใช้สารกึ่งตัวนำมาใช้เป็นเทคโนโลยีในการบันทึกข้อมูล สำหรับการผลิตใช้เทคโนโลยีการผลิตวงจรแบบ LSI และเทคโนโลยีVLSI ประเภทใช้แม่เหล็ก

            1.7 คุณลักษณะเชิงกายภาพ    หน่วยความจำจัดแบ่งตามคุณลักษณะทางกายภาพได้ดังนี้
            หน่วยความจำชั่วคราว หากขาดกระแสไฟฟ้ามาหล่อเลี้ยง ข้อมูลจะถูกลบเลือนไปไม่สามารถจดจำข้อมูลได้
       
      หน่วยความจำถาวร สามารถจัดเก็บรักษาข้อมูลไว้ได้เป็นระยะเวลานานๆมาก
         
          นอกจากนี้ยังแบ่งหน่วยความจำเป็นแบบ หน่วยความจำแบบลบได้ สามารถเขียนบันทึกลงไปได้หลายๆครั้ง และหน่วยความจำแบบลบไม่ได้ เมื่อบันทึกลงไปแล้วสามารถอ่านขึ้นมาได้เพียงอย่างเดียวเท่านั้น เรียกหน่วยความจำประเภทนี้ว่า รอม

2. ลำดับชั้นของหน่วยความจำ
แบ่งออกได้หลายระดับ

(ก) เป็นการแยกลำดับชั้นออกเป็นสองระดับคือ หน่วยความจำหลักและรอง

(ข),(ค) แยกลำดับชั้นออกเป็น 3และ 4 ระดับ ตามลำดับ

ขนาดความจุของหน่วยความจำ โดยแบ่งเป็นกลุ่ม

หน่วยความจำแบบสารกึ่งตัวนำ
            วงจรหน่วยความจำ ประกอบขึ้นด้วยอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ แบ่งเป็นประเภทได้ 2 ประเภทคือ แรม กับ รอม โดยแรมจะทำหน้าที่เสมือนสมุดเล่มใหญ่หรือทำงานที่ซีพียูใช้ทำงาน แต่ข้อมูลจะหายไปเมื่อปิดเครื่อง ส่วนรอมจะเป็นพวกที่บันทึกข้อมูลแบบถาวร แก้ไขไม่ได้ และข้อมูลจะคงอยู่แม้จะไม่มีกระแสไฟมาเลี้ยง แต่ทั้งรอมและแรมต่างก็ทำงานในลักษณะของการเข้าถึงแบบสุ่ม คือสามารถไปหาข้อมูลตรงตำแหน่งใดๆได้ทันทีเหมือนกัน

แรม (RAM)
             RAM ย่อมาจากคำว่า Random-Access Memory เป็นหน่วยความจำของระบบ มีหน้าที่รับข้อมูลเพื่อส่งไปให้ CPU ประมวลผลจะต้องมีไฟเข้า Module ของ RAM ตลอดเวลา ซึ่งจะเป็น chip ที่เป็น IC ตัวเล็กๆ ถูก pack อยู่บนแผงวงจร หรือ Circuit Board เป็น module เทคโนโลยีของหน่วยความจำมีหลักการที่แตกแยกกันอย่างชัดเจน 2 เทคโนโลยี คือหน่วยความจำแบบ DDR หรือ Double Data Rate (DDR-SDRAM, DDR-SGRAM) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อเนื่องมาจากเทคโนโลยีของหน่วยความจำแบบ SDRAM และ SGRAM และอีกหนึ่งคือหน่วยความจำแบบ Rambus ซึ่งเป็นหน่วยความจำที่มีแนวคิดบางส่วนต่างออกไปจากแบบอื่น

 ประเภทของแรม
           โดยปกติหน่วยความจำหลักของระบบคอมพิวเตอร์ จะเป็นหน่วยความจำแบบแรมซึ่ง
สามารถเขียนข้อมูลได้ตลอดเวลา แรมนั้นสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ด้วยกันคือ
           1. Static Random Access Memory ( SRAM )
           2. Dynamic Random Access Memory ( DRAM )

1. SRAM แบบสแตติกหรือเรียกสั้น ๆ ว่า SRAM เป็นหน่วยความจำที่ทำงานได้เร็วกว่าแบบ DRAM และไม่ต้องการวงจรไฟฟ้าสำหรับการ Refresh ข้อมูลที่เก็บไว้ภายในหน่วยความจำ ในขณะที่หน่วยความจำแบบ DRAM นั้นต้องการวงจร Refresh แต่เนื่องจากหน่วยความจำแบบ SRAM นั้นมีราคาแพง ทำให้ผู้ผลิตไม่ได้ใช้ SRAM มาทำเป็นหน่วยความจำมาตรฐานของเครื่องคอมพิวเตอร์พีซี การใช้งานส่วนใหญ่ของหน่วยความจำประเภทนี้จะถูกจำกัดไว้เฉพาะการเป็นหน่วยความจำแคช ( Cache ) ซึ่งมีขนาดเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับหน่วยความจำทั้งหมดที่ติดตั้งอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์

2. DRAM แบบไดนามิกหรือเรียกสั้น ๆ ว่า DRAM เป็นหน่วยความจำที่ถูกนำมาใช้ผลิต
แรมเพื่อใช้ติดตั้งลงในเครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งหน่วยความจำนี้ได้รับความนิยมสูง อันเนื่องมาจากมีความจุสูง กินไฟน้อยและราคาถูกกว่าหน่วยความจำ SRAM แต่ข้อเสียก็คือมีความยุ่งยากในการออกแบบเพื่อการนำไปใช้งาน เนื่องจาก DRAM จะทำการเก็บข้อมูลไว้ในตัวเก็บประจุ (Capaciter) ซึ่งจำเป็นจะต้องมีการ refresh ข้อมูลอยู่ตลอดตามระยะเวลาที่กำหนดไว้เพื่อเก็บข้อมูลให้คงอยู่ไม่ให้ข้อมูลสูญหายไปและเป็นการเติมไฟฟ้าเข้าไปเพื่อให้ข้อมูลที่กำลังจางหายไปมีความเข้มขึ้น โดยการ refresh นี้ทำให้เกิดช่วงเวลาขึ้นในการเข้าถึงข้อมูล และที่ต้อง refresh ตัวเองอยู่ตลอดเวลาจึงเป็นเหตุให้ได้ชื่อว่า Dynamic Random Access Memory

รอม (ROM: Read-only Memory หน่วยความจำอ่านอย่างเดียว)
         เป็นหน่วยความจำแบบสารกึ่งตัวนำชั่วคราวชนิดอ่านได้อย่างเดียว ใช้เป็นสื่อบันทึกในคอมพิวเตอร์ เพราะไม่สามารถบันทึกซ้ำได้ (อย่างง่ายๆ) เป็นหน่วยความจำที่มีซอฟต์แวร์หรือข้อมูลอยู่แล้ว และพร้อมที่จะนำมาต่อกับไมโครโพรเซสเซอร์ได้โดยตรง หน่วยความจำประเภทนี้แม้ไม่มีไฟเลี้ยงต่ออยู่ ข้อมูลก็จะไม่หายไปจากหน่วยความจำ (nonvolatile) โดยทั่วไปจะใช้เก็บข้อมูลที่ไม่ต้องมีการแก้ไขอีกแล้วเช่น

• เก็บโปรแกรมไบออส (Basic Input output System : BIOS) หรือเฟิร์มแวร์ ที่ควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์
• ใช้เก็บโปรแกรมการทำงานสำหรับเครื่องคิดเลข
• ใช้เก็บโปรแกรมของคอมพิวเตอร์ที่ทำงานเฉพาะด้าน เช่น ในรถยนต์ที่ใช้ระบบคอมพิวเตอร์ควบคุมวงจร ควบคุมในเครื่องซักผ้า เป็นต้น

          หน่วยความจำประเภท ROM นี้ยังแบ่งออกเป็นประเภทย่อยๆ ตามลักษณะการใช้งานได้หลายประเภท สำหรับเทคโนโลยีในการผลิตตัวไอซีที่ทำหน้าที่เป็น ROM มีทั้งแบบ MOS และแบบไบโพลาร์ ดังแผนภาพ

Mask ROM
           หน่วยความจำประเภทนี้ ข้อมูลทั้งหมดที่อยู่ภายในจะถูกโปรแกรมมาจากโรงงานตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตไอซี เราจะใช้ ROM ชนิดนี้ เมื่อข้อมูลนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลง และเหมาะสำหรับงานที่ผลิตครั้งละมากๆ ผู้ใช้ไม่สามารถ เปลี่ยนแปลงข้อมูลภายใน ROM ได้ ROM ประเภทนี้มีทั้งแบบไบโพลาร์และแบบ MOS

PROM (Programmable ROM)
           จากไอซี ROM แบบแรกการโปรแกรมข้อมูลจะต้องโปรแกรมมาจากโรงงาน และต้องผลิตจำนวนมากจึงจะคุ้มค่ากับต้นทุนในการผลิต อีกทั้งโรงงานผู้ผลิตไอซีจะรู้ข้อมูลที่เก็บอยู่ด้วย สำหรับระบบดิจิตอลหรือคอมพิวเตอร์ที่ผลิตออกมาจำนวนไม่มากและต้องการใช้หน่วยความจำ ROM สามารถนำหน่วยความจำ ROM มาโปรมแกรมเองได้ โดยหน่วยความจำนี้จะเรียกว่า PROM ( Programmable Read Only Memory ) หน่วยความจำประเภทนี้ เซลล์เก็บข้อมูลแต่ละเซลล์จะมีฟิวส์ ( fused ) ต่ออยู่ เป็นหน่วยความจำที่ข้อมูลที่ต้องการโปรแกรมจะถูกโปรแกรมโดยผู้ใช้เอง โดยป้อนพัลส์แรงดันสูง ( HIGH VOLTAGE PULSED ) ไอซี PROM ที่ยังไม่ถูกโปรแกรมนั้น ข้อมูลทุกเซลล์หรือทุกบิตจะมีค่าเท่ากันหมด คือ มีลอจิกเป็น 1 แต่เมื่อได้มีการโปรแกรมโดยป้อนแรงดันไฟสูงๆเข้าไปจะทำให้เซลล์บางเซลล์ฟิวส์ขาดไป ทำให้ตำแหน่งที่เซลล์นั้นต่ออยู่มีลอจิกเป็น 0 เมื่อ PROM ถูกโปรแกรมแล้ว ข้อมูลภายใน จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อีก เนื่องจากฟิวส์ที่ขาดไปแล้วไม่สามารถต่อได้ หน่วยความจำชนิดนี้ จะใช้ในงานที่ใช้ความเร็วสูง ซึ่งความเร็วสูงกว่า หน่วยความจำที่โปรแกรมได้ชนิดอื่นๆ

EPROM (Erasable Programmable ROM)
             หน่วยความจำประเภท EPROM เป็นหน่วยความจำประเภท PROM ที่สามารถลบข้อมูลหรือโปรแกรมข้อมูลใหม่ได้ เหมาะสำหรับงานสร้างวงจรต้นแบบที่อาจต้องมีการแก้ไขโปรแกรมหรือข้อมูลใหม่ ข้อมูลจะถูกโปรแกรม โดยผู้ใช้โดยการให้สัญญาณ ที่มีแรงดันสูง ( HIGH VOLTAGE SIGNAL ) ผ่านเข้าไปในตัว EPROM ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่ใช้ใน PROM หน่วยความจำประเภทนี้มี 2 ประเภท คือ ประเภทที่ลบข้อมูลด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต หรือที่เรียกกันว่า UV PROM ส่วนอีกประเภทหนึ่งเป็นหน่วยความจำที่ลบข้อมูลด้วยไฟฟ้า เรียกว่า EEPROM ย่อมาจาก Electrical Erasable PROM

             หน่วยความจำประเภท UV PROM การโปรแกรมทำได้โดยการป้อนค่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมเข้าไป และข้อมูลจะถูกบันทึกไว้ตลอดไป สำหรับการลบข้อมูลทำได้ด้วยการฉายแสงอัลตราไวโอเลตเข้าไปในตัว ไอซี โดยผ่านทางช่องใสที่ทำด้วยผลึกควอตซ์ที่อยู่บนตัวไอซี เมื่อฉายแสงครู่หนึ่ง ( ประมาณ 5 - 10 นาที ) ข้อมูลที่อยู่ภายในก็จะถูกลบทิ้ง ซึ่งช่วงเวลาที่ฉายแสงนี้สามารถดูได้จากข้อมูลที่กำหนด ( DATA SHEET ) มากับตัว EPROM

              หน่วยความจำประเภท EEPROM แม้ว่าจะลบและโปรแกรมข้อมูลได้ด้วยกระแสไฟฟ้าซึ่งสะดวกในการใช้งาน แต่ความเร็วในการอ่าน และเขียนข้อมูลจะไม่เร็วเท่าที่ควร

การอ่านข้อมูลจาก ROM
           1. CPU จะส่งแอดเดรสไปให้ ROM แอดเดรสดังกล่าวจะปรากฏ เป็นแอดเดรสที่ต้องการอ่าน ใน ROMโดยข้อมูลจะถูกอ่านออกมาเพียงครั้งละ 1 ไบต์เท่านั้น
           2. CPU จะต้องให้ช่วงเวลาของการส่งแอดเดรสยาวนานพอประมาณ ( Wait State ) เรียกว่า Access Time โดยปกติแล้วจะต้องใช้เวลาประมาณ 100 - 300 นาโนวินาที ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของ ROM ซึ่ง ROM จะใช้เวลานั้นในการถอดรหัสแอดเดรส ของข้อมูลที่ต้องการจะอ่านออกมาที่เอาต์พุตของ ROM ซึ่งถ้าใช้เวลาเร็วกว่านั้น ROM จะตอบสนองไม่ทัน
           3. CPU จะส่งสัญญาณไปทำการเลือก ROM เรียกว่า สัญญาณ CS (Chip Select) เพื่อบอกว่าต้องการเลือก ROM ซึ่งเป็นการส่งสัญญาณเพื่อยืนยันการเลือกชิปนั่นเอง
           4. ข้อมูลจะผ่านออกทางขาข้อมูลชั่วขณะจังหวะการเลือกชิป และเมื่อขาการเลือกชิปไม่แอคทีฟ ข้อมูลก็จะเข้าสู่ภาวะที่มีอิมพีแดนซ์สูง

ที่มา เรื่องรอม : https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%A1

ที่มา เรื่องแรม :  http://srb1.go.th/kowjumpa/computer/lesson5_1.html