تحقیق مقاله رم ( RAMS )

مقدمه

از نظر سیستم و CPU، حافظه مانند جعبه سیاهی است که اطلاعات را بین CPU و حافظه اصلی از طریق 2 تا از رجیسترهای CPU جابجا می‌کند. یکی رجیستر آدرس حافظه (MAR) و دیگری رجیستر داده حافظه (MDR) نام دارد. اگر MAR طولش K بیت و MDR n بیت باشد، حافظه می‌تواند شامل 2k محل قابل آدرس دهی باشد. N بیت از داده هم در طول سیکل حافظه بین حافظه و CPU منتقل می‌شود. این نقل و انتقال توسط گذرگاههای CPU (BUS) که K خط آدرس و N خط داده دارد،‌ انجام می‌گیرد. این گذرگاه شامل خط‌های کنترلی‌ای مانند، خواندن (Read)، نوشتن (write) و سیگنال مربوط به پایان عملیات حافظه (MFC) می‌باشد.

حافظه اصلی را به این دلیل حافظه با دستیابی اتفاقی می‌نامند (Random Access Memory) که زمان دستیابی به هر مکان حافظه‌اش برای خواندن یا نوشتن، مقدار ثابتی است و این زمان دستیابی به هر مکان حافظه‌اش برای خواندن یا نوشتن، مقدار ثابتی است و این زمان مستقل از آدرس آن محل می‌باشد. در مقابل این نوع حافظه با دسترسی ترتیبی وجود دارد. یعنی بدون گذشتن از قسمتهای اولیه، نمی‌توان به داده‌های موجود در وسط، دسترسی پیدا کرد.

فناوری RAM به 2 دسته اصلی تقسیم می‌شود، دینامیک و استاتیک. البته خود RAMهای دینامیک و استاتیک دارای انواع مختلفی هستند که در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرند.

ظرفیت تراشه‌های RAM طبق قانون مور رشد کرده است: هر 3 سال، 4برابر شده است. با آنکه ظرفیت حافظه رشد کرده است، مسیری که داده‌ ها از تخته مدار مادر به خود تراشه طی می‌کنند به همان اندازه رشد نکرده است. این امر را به یک بطری می‌توان تشبیه کرد که پیوسته رشد می‌کند اما اندازه گلوگاه آن تغییری نمی‌کند. سرانجام کار به جایی می‌رسد که خالی کردن بطری دشوار می‌شود. از آنجا که این گفته به معنی ساختن تراشه‌هایی با صدها پایه است. که بالطبع اندازه کلی تراشه را بیشتر می‌کند و فضای بیشتری از تخته مدار مادر را می‌گیرد. بنابراین اگر از تشابه بطری استفاده کنیم، پاسخ یافتن روشهایی برای بیرون راندن سریع و مؤثر محتویات بطری را از طریق گلوگاه باریک است. و این همان کاری بوده است که سازندگان حافظه در تکامل حافظه از یک نوع به نوع دیگر انجام داده‌اند.

تکنولوژی پایه برای ساخت حافظه اصلی، استفاده از مدارات مجتمع شده از ادوات نیمه هادی می‌باشد. در حال حاضر تمام طرح‌های جدید در پایه تکنولوژی NMOS می‌باشند.

RAM دینامیک

یک RAM دینامیکی (DRAM) با سلول‌هایی که داده را به صورت بار در خازن ذخیره می‌کند ساخته می‌شود. حضور یا غیاب بار در خازن به عنوان یک 1 یا 0 دودویی تفسیر می‌گردد. چون خازن‌ها تمایلی طبیعی به دشارژ شدن دارند، RAMهای دینامیکی نیاز به تازه سازی بار دوره‌ای برای حفظ داده ذخیره شده دارند. کلمه دینامیک به تمایل بار ذخیره شده به نشتی اشاره دارد. شکل     (الف) نوعی ساختار DRAM برای DRAM تک سلولی است که یک بیت را ذخیره می‌کند. خط آدرس وقتی که سلول قرار است خوانده و یا نوشته شود فعال می‌گردد. ترانزیستور همچون یک سوئیچ که بسته است عمل می‌کند و اجازه عبور جریان را می‌دهد به شرطی که یک ولتاژ به خط آدرس اعمال گردد ولی اگر ولتاژی به آن اعمال نشود سوئیچ باز بوده و جریانی نخواهد بود.

در عمل نوشتن یک سیگنال ولتاژ به خط بیت اعمال می‌گردد. ولتاژ بالا نمایشگر 1 و ولتاژ پایین بیانگر 0 است. آن گاه سیگنالی به خط آدرس اعمال شده و اجازه می‌دهد که بار به خازن انتقال یابد. در عمل خواندن، وقتی که آدرس انتخاب شود ترانزیستور روشن و بار ذخیره شده در خازن خارج شده و به خط بیت وارد می‌گردد تا به تقویت کننده حس‌گر برسد. تقویت کننده حس‌گر ولتاژ خازن را با مقدار مرجع مقایسه کرده و مشخص می‌کند که حاوی منطق 1 است یا 0 .عمل خواندن خازن را تخلیه می‌کند و لذا باید بازسازی شود تا عمل تکمیل گردد.

گرچه سلول DRAM برای ذخیره یک بیت (0 یا 1) به کار می‌رود، ولی اساساً یک وسیله آنالوگ است. خازن می‌تواند هر مقدار شارژ را در یک محدوده ذخیره کند و مقدار آستانه‌ای، بار را به عنوان 1 یا 0 تفسیر خواهد کرد.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM)

این نوع حافظه، شکل اصلی حافظه دینامیکی بوده است. همان طور که نمودار زمانی این حافظه مشاهده می‌کنیم، در طول مدت مشخص کردن 1 بیت بوسیله شماره سطر و ستونش این حافظه صبر می‌کند و سپس عملیات خواندن را قبل از اینکه به مرحله بعدی برود، انجام می‌دهد. ماکزیمم نرخ انتقال به کش L2  برابر است با 176 مگابیت بر ثانیه، این نوع حافظه معمولاً در ماژول‌های 2،4،8،16 و 32 مگابایتی تراشه SIMM وجود داشته است.

(Enhanced DRAM) EDRAM

این نوع حافظه ترکیبی از حافظه‌های SRAM و DRAM است و معمولاً برای کش L2 بکار می‌رفته است. 256 بایت SRAM به همراه حافظه دینامیکی بر روی یک چیپ قرار داشتند. داده ابتدا روی SRAM سریعتر (15 نانو ثانیه) می‌خوانده می‌شد و اگر داده مورد نظر در آنجا نبود از روی حافظه DRAM (35 نانوثانیه) می‌خواند. با تغییر حافظه نوع FPM به EDO می‌توان انتظار بهبودی 2 تا 5 درصدی عملکرد سیستم را داشت.

(Extended Data Output RAM) EDO RAM

این نوع حافظه، نوع دیگری از حافظه FPM RAM می‌باشد. اساس کار این حافظه به این شکل بوده که، هر موقع CPU درخواست داده‌ای در آدرس خاصی را کرده است در درخواست‌های بعدی داده چند آدرس نزدیک آنجا را هم خواسته. بجای اینکه دوباره از نو آدرسها را به حافظه بفرستد EDO RAM در محل قبلی‌ای که دسترسی پیدا کرده می‌ماند، در نتیجه سرعت دسترسی به خانه‌های کناری را افزایش می‌دهد. EDO RAM سرعت سیکل حافظه را زیاد می‌کند و بهبودی عملکرد تا 40 درصد تضمین می‌کند. البته EDO RAM فقط در گذرگاههایی با سرعت کمتر از 66 مگاهرتز مؤثر واقع می‌شود.

(Burst EDO DRAM) BEDO DRAM

همان طور که احتیاج به DRAMهایی با زمان دسترسی کمتر، بیشتر می‌شد، تکنولوژیهایی هم برای رفع این نیاز بوجود آمدند. مثل تکنولوژی Bursting که در آن بلاک بزرگی از داده‌ها فرستاده و به شکل واحدهای متوالی و کوچکتری از Burst پردازش می‌شوند. این بدین معنی است که Burst نه تنها آدرس اولین صفحه، بلکه آدرس چند صفحه دیگر را هم حمل می‌کند. BEDO RAM می‌تواند در 1 Burst با 4 واحد داده کار کند، و این کار باعث می‌شود که 3 واحد داده آخری، بدون تأخیر نسبت به داده اول همزمان آماده پردازش شوند.

VRAM (Video RAM)

در آداپتورهایی ویدئویی که سرعت بالایی دارند، بجای استفاده از DRAM، از نوع خاصی از حافظه، بنام VRAM استفاده می‌کنند. در تراشه VRAM به ازای هر بیت، 2 مسیر مختلف وجود دارد، یکی از مسیرها را می‌توان برای خواندن و نوشتن مورد استفاده قرار داد (که CPU از این مسیر استفاده می‌کند) و مسیر دیگر که فقط قابل خواندن می‌باشد (که سیستم نمایش تصویر از این مسیر استفاده می‌کند. به این نوع طراحی، طراحی حافظه 2 درگاهی می‌گویند Dual-Ported Memory). ولی در DRAMها در یک زمان خاص نمی‌توان عمل خواندن و نوشتن را انجام داد.

DRAM Cache

DRAM نهان (CDRAM) که به وسیله میتسوبیشی ساخته شد حاوی یک SRAM کوچک (Kb16) در یک تراشه DRAM معمولی می‌باشد. SRAM موجود در CDRAM به دو طریق استفاده می‌شود. یکی این که می‌توان از آن به عنوان یک حافظه نهان واقعی استفاده کرد و در این حالت دارای 64 بیت سطر است. مد نهان CDRAM برای دستیابی تصادفی معمولی عمل می‌کند. SRAM در CDRAM را به عنوان یک بافر برای پشتیبانی دستیابی سریال بلوکی از حافظه هم می‌توان به کاربرد. مثلاً برای تازه‌سازی یک صفحه طرح بیتی، CDRAM می‌توانید داده را از DRAM پیش برداشت کرده به بافر SRAM ببرید. دستیابی‌های بعدی تراشه منجر به دستیابی به SRAM خواهد بود.

(Synchronous DRAM) SDRAM

یکی از پرمصرف‌ترین انواع DRAM نوع DRAM همزمان (SDRAM) است برخلاف نوع قدیمی DRAM که غیر همزمان است، SDRAM تبادل داده با پردازنده را به طور همزمان با ساعت بیرونی انجام می‌دهد و انتقال داده را بدون دخالت حالات انتظار با سرعت کامل گذرگاه پردازنده / حافظه انجام می‌دهد.

در نوعی از DRAM، پردازنده آدرس‌ها و سطوح کنترل را به حافظه ارائه می‌دهد، و به این معنی است که داده‌ای در محل خاصی از حافظه DRAM باید خوانده و یا در آن نوشته شود. پس از تأخیر که همان زمان دستیابی است، DRAM داده را می‌نویسد یا می‌خواند. در حین تأخیر دستیابی DRAM اعمال مختلفی مانند فعال کردن ظرفیت سطر و ستون، حس داده و خارج کردن داده و از طریق بافرهای خروجی را انجام می‌دهد. واضح است که پردازنده باید در حین این تأخیر منتظر بماند و لذا عملکرد سیستم کند خواهد شد.

در دستیابی همزمان، DRAM خروج و ورود داده را تحت کنترل ساعت سیستم انجام می‌دهد. پردازنده یا دیگر حاکمان بر این مسئله، دستورالعمل و اطلاعات آدرس را صادر می‌کنند، که به وسیله DRAM گرفته می‌شود. آن گاه، DRAM پس از چند سیکل ساعت به آن پاسخ می‌دهد. در این مدت فرمان دهنده به کار دیگری مشغول می‌شود در حالی که SDRAM در حال پردازش تقاضا است.

شکل     مدار داخلی M64 بایت حافظه SDRAM مربوط به IBM را نشان می‌دهد. SDRAM از مد یک جا (brust) برای حذف زمان برپایی و زمان پیش شارژ سطر و ستون پس از اولین دستیابی استفاده می‌نماید. در مد یک جا (انتقال بلوکی از داده)، پس از دستیابی به اولین بیت یک سری داده را همزمان با ضربان ساعت می‌توان خارج کرد. این مد هنگامی مفید است که همه بیت‌ها به صورت رشته بوده و در یک ردیف یا سطر از آرایه پس از دستیابی اول واقع باشند. به علاوه SDRAM دارای ساختار چند بانکی داخلی است که فرصت موازی کاری را در تراشه ایجاد می‌کند.

ثبات مد و دیگر مدارهای کنترل ویژگی دیگر تفکیک SDRAM از DRAM معمولی است. این ویژگی راهکاری را برای SDRAM ایجاد می‌می‌کند که بتواند نیازهای سیستمی خاص را برآورده سازد. ثبات مد طول بلوک انتقالی در مد یک جا را مشخص می‌کند که عبارت است از تعداد واحدهای جدا از همی از داده همزمان، که به گذرگاه داده می‌شود. ثبات فوق به برنامه‌نویس هم این اجازه را می‌دهد تا فاصله زمانی یا تأمل یا تأخیر بین دریافت یک تقاضای خواندن و شروع انتقال داده را تنظیم کند.

بهترین عملکرد SDRAM هنگامی است که بلوک‌های بزرگی از داده را به طور سری انتقال می‌دهد که از آن جمله می‌توان پردازش کلمات، صفحات گسترده مانند بودجه‌بندی‌ها و مولتی مدیا (چندرسانه‌ای) را نام برد. شکل     مثالی از عمل SDRAM  را نشان می‌دهد. در این جا طول بلوک 4 و تأمل نیز 2 است. فرمان خواندن یک جا با پایین شدن  و  آغاز می‌گردد، ضمن این که  و  در لبه بالا رونده ساعت در سطح بالا نگه داشته می‌شوند. ورودی‌های آدرس، آدرس ستون اول را برای بلوک (پشت سر هم یا ناپیوسته) و طول بلوک (1،2،4،8 یا صفحه کامل) معین می‌کنند. تأخیر از شروع فرمان تا هنگامی که داده از اولین سلول در خروجی ظاهر می‌شود برابر با تأمل  است که در ثبات مد تنظیم می‌گردد.

امروزه نوع پیشرفته SDRAM به نام SDRAM با سرعت داده دو برابر (DD-SDRAM) موجود است که بر محدودیت یک بار در سیکل غلبه دارد. DDR-SDRAM می‌تواند در هر سیکل ساعت دوبار داده را به پردازنده بفرستد.

 (Rambus DRAM) RDRAM

RDRAM که بوسیله Rambus ساخته شده بود، توسط اینتل برای پردازنده‌های پنتیوم و ایتانیوم انتخاب شد. این حافظه رقیبی اصلی برای SDRAM گردید. تراشه RDRAM در بسته‌بندی عمودی است و همه پایه‌های آن در یک سمت قرار دارد. تراشه تبادل داده را از طریق 28 سیم کوتاه‌تر از 12 سانتیمتر به عمل می‌آورد. گذرگاه می‌تواند تا 320 تراشه RDRAM را با سرعت GBps6/1 تبادل نماید.

گذرگاه RDRAM خاصی اطلاعات آدرس و کنترل را با استفاده از یک پروتکل بلوکی غیرهمزمان حمل می‌کند. پس از یک زمان دستیابی اولیه ns480 سرعت به GBps6/1 می‌رسد. آن چه که این سرعت را ممکن می‌سازد خود گذرگاه است که امپدانس، ساعت و سیگنال‌ها را خیلی دقیق تعریف می‌کند. RDRAM به جای این که با سیگنال‌های RAS، CAS، R/W و CE کنترل شود از طریق گذرگاه پرسرعت، تقاضای حافظه دریافت می‌کند. این تقاضا حاوی آدرس مورد نظر، نوع عمل و تعداد بایت‌های عملیات است. شکل    طرح RDRAM را نشان می‌دهد. آرایش متشکل است از یک کنترلگر و تعدادی قطعات RDRAM که از طریق یک گذرگاه پایانه خطوط گذرگاه قرار دارد. گذرگاه شامل 18 خط داده است (16 داده واقعی و 2 توازن) که با سرعت ساعت دوبرابری عمل می‌نماید. یعنی یک بیت در لبه جلویی سیگنال  ساعت و یک بیت در لبه عقبی آن ارسال می‌شود. این کار سرعت سیگنال را روی هر خط داده به MBps800 می‌رساند. خط دیگر (RC) برای آدرس و سیگنال‌های کنترل به کار رفته است. همچنین سیگنال ساعتی در انتها قرار دارد که به سمت کنترلگر انتشار می‌یابد و سپس باز می‌گردد. قطعه RDRAM داده را به کنترلگر همزمان می‌فرستد تا از طریق آن به حاکم گذرگاه ارسال شود و کنترلگر داده را همزمان با سیگنال در خلاف جهت به RDRAM می‌فرستد. بقیه خطوط گذرگاه حاوی ولتاژ مرجع، زمین و منبع تغذیه است.