บทที่ 4 หน่วยความจำ

บทที่ 4  

หน่วยความจำ

4.1 บทนำ

   หน่วยความจำเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับระบบคอมพิวเตอร์ตามแนวคิดของการพัฒนาคอมพิวเตอร์แบบ วอน นอยแมน ซึ่งเป็นผู้เสนอแนวคิดของการเก็บโปรแกรมและข้อมูลไว้ในหน่วยความจำ แล้วให้ซีพียูอ่านโปรแกรมมาดำเนินการ โดยมีขั้นตอนการทำงานเป็นวงรอบที่ชัดเจนดังนั้นอาจเรียกแนวคิดของระบบคอมพิวเตอณ์ที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ว่า แนวคิดการเก็บโปรแกร(Store Program Concept)

4.2 หน่วยความจำแบบโวลาไทน์และนอนโวลาไทน์

   Nonvolatile Memory หรือ นอนโวลาไทล์เมมโมรี่ คือ หน่วยความจำทุกชนิดที่ไม่ต้องทำการรีเฟรชคอนเทนต์ ได้แก่ รอมทุกประเภท (ROM)เช่น พีรอม (PROM),เอ็ปรอม (EPROM),อีเอ็ปรอม (EEPROM)และแฟลชเมมโมรี่ (FlashMemory)รวมถึงแรม (RAM)ที่ต้องใช้ไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่ด้วย"Open-Source"หรือ "โอเพ่นซอร์ส"คือคำที่ใช้แทนคำว่า ฟรีซอฟต์แวร์ (FreeSoftware)หรือซอฟต์แวร์เสรี ที่ให้เสรีภาพแก่ผู้บริโภคในการรัน,แก้ไขปรับปรุง และเผยแพร่โปรแกรม ไม่ว่าจะโดยการจำหน่ายหรือให้ฟรีก็ตาม แต่ที่สำคัญคือต้องแถมซอร์สโค้ด (Source Code) ไปได้OperatingSystem(OS)หรือระบบปฏิบัติการ คือโปรแกรมที่โหลดขึ้นมาตามกระบวนการบูตเครื่องคอมพิวเตอร์PCIExpressเทคโนโลยีใหม่สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต โดยเฉพาะกราฟิกการ์ด มีแบนด์วิธกว้างกว่าและความเร็วสูงกว่ามาตรฐาน PCIที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันPodcastพ็อดคาสต์หรือ Podcast คือการบันทึกเสียงหรือการนำไฟล์เสียงขึ้นไปเก็บบนเว็บไซต์ เพื่อให้สนใจดาวน์โหลดมาฟังProcessorหรือ โปรเซสเซอร์ คือวงจรตรรก (Logic)ซึ่งทำหน้าที่ตอบสนองหรือประมวลชุดคำสั่งพื้นฐาน (Instruction)ที่ใช้ในการขับเคลื่อนคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้วคำ “Processor” อาจใช้แทนคำ “CPU” ได้ ทั้งนี้โปรเซสเซอร์ที่อยู่ในเครื่องพีซีหรือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กจะนิยมเรียกว่า “Microprocessor” หรือ ไมโครโปรเซสเซอร์

4.3 สแตติกแรมและไดนามิกส์แรม (Static RAM and Dynamic RAM)

      สแตติกแรมและไดนามิกส์แรม (Static RAM and Dynamic RAM)Static RAM หรือ SRAM เป็นวงจรที่สร้างให้เก็บข้อมูลในลักษณะ มีไฟและ ไม่มีไฟ ถ้ามีสัญญาณไฟฟ้าจะตรวจสอบตรรกะเป็น 1 ไม่มีสัญญาณให้ค่าตรรกะเป็น 0 ทำให้เก็บข้อมูลไว้ได้ตลอดเวลาที่มีไฟเลี้ยงและทำงานด้วยความเร็วสูง แต่วงจรจะมีขนาดใหญ่ใช้กระแสไฟมากทำให้เกิดความร้อนในตัวชิพสูง ราคาแพงกว่าไดนามิกแรมมากจึงใช้เป็นหน่วยความจำแคชเท่านั้นDynamic RAM หรือ DRAM เป็นวงจรที่สร้างให้เก็บข้อมูลโดยการตรวจสอบว่า มีประจุ หรือ ไม่มีประจุ ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าน้อยกว่าแบบแสตติกมากราคาถูกเป็นแรมที่ใช้ทำหน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์ แต่มีข้อเสียที่ประจุไฟฟ้าในแรมจะลดจำนวนลงไปเรื่อย ๆ จึงต้องมีระบบเติมประจุให้กับส่วนที่มีประจุเป็นระยะเรียกว่าการ Refresh เพื่อให้ไดนามิกแรมเก็บข้อมูลไว้ได้ตลอดเวลาที่ใช้งาน ช่วงเวลาที่เติมประจุเรียกว่า Refresh Rate 

4.4 เทคโนโลยีของ DRAM ที่ใช้ใน PC

   Computer PC จะใช้แรมประเภท DRAM เนื่องจากเหตุผลทางด้านราคาต่อความจุที่ดีกว่า ลักษณะภายนอกของ RAM โดยทั่วไปจะเป็นชิปที่ติดมากับแผ่นเมนบอร์ดของเครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งเราสามารถเพิ่มจำนวนของ RAM ได้โดยการเสียบเพิ่มที่ Socket บนเมนบอร์ด ซึ่ง RAM แต่ละแบบแต่ละรุ่นก็จะมี Socket ที่ต่างกัน

4.5ประเภทของหน่วยความจำ
    เราสามารถแบ่งประเภทของหน่วยความจำออกเป็น 5 ประเภทหลักๆได้ดังนี้

1. SDRAM (Synchronous Dynamic Random - Access Memory)

   

รูปที่1แสดงSDRAM (Synchronous Dynamic Random - Access Memory) หลักการทำงานของSDRAM      SDRAM ใช้ความเร็วแบบ Synchronous โดยที่หลักของการทำงานของ SDRAM จะขึ้นอยู่กับความเร็วของสัญญาณนาฬิกาของระบบทั้งหมด การถ่ายเทข้อมูลจะเกิดขึ้น 1 ครั้ง ต่อหนึ่งลูกคลื่นสัญญาณนาฬิกา โดยทำงานที่ความเร็วระดับเดียวกับ Bus มีความเร็วตั้งแต่ 66MHz ถึง 133MHz จุดด้อยของ SDRAM      ถึงแม้ว่า SDRAM จะทำงานในระดับความเร็วระดับเดียวกับ Bus แต่ SDRAM ก็ไม่ได้ทำให้ผู้ใช้รู้สึกถึงความเร็ว เนื่องจากจุดด้อยของหน่วยความจำประเภทนี้อยู่ที่การทำงานตามความเร็วของค่า แคช จึงทำให้หน่วยความจำ SDRAM ไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ รวมทั้งเป็นหน่วยความจำที่มีการส่งข้อมูลเพียง 64 bit จึงมีความเร็วอยู่ที่ 1064 MB/s bandwidth (133MHz x 8 bytes) ที่หน่วยความจำแบบ PC133 และเมื่อการประมวลข้อมูลมีมากขึ้นทำให้ไม่เพียงพอต่อความต้องการ ต่อมาจึงได้มีการพัฒนา RAM แบบ DDR ขึ้นมาแทน2. RDRAM (Rambus DRAM)

รูปที่ 2 RDRAM (Rambus DRAM)

3. DDR RAM (Double Data Rate Random-Access Memory)

รูปที่ 3  DDR RAM (Double Data Rate Random-Access Memory)

   DDR RAM เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อมาจาก SDRAM ในช่วงแรกบริษัทอินเทลไม่พัฒนา

ชิพเซต และไม่ให้การสนับสนุน ทำให้ผู้ผลิตรายอื่น เช่น เอเอ็มดี และบริษัทผู้ผลิตชิพเซตและสร้างเมนบอร์ดชั้นนำของโลกจากไต้หวัน ซึ่งได้แก่ VIA, SiS, ATi ได้รวมกันและพัฒนาเทคโนโลยีนี้จนได้รับความนิยมสูง

   หลักการทำงานของ DDR RAM    RAM ประเภทนี้จะเป็นการส่งข้อมูลผ่านสัญญาณขาขึ้นและขาลงของสัญญาณนาฬิกาแทนแบบเดิมที่ส่งข้อมูลผ่านสัญญาณขาขึ้นเท่านั้น เป็นผลทำให้อัตราส่งถ่ายเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ซึ่งก็คือ ที่มาของชื่อ DDR (Double Data Rate)    ความแตกต่างระหว่าง DDR RAM และ SDRAM     DDR RAM และ SDRAM มีความแตกต่างกัน คือ จำนวนของขาสัญญาณ (Pins) ที่มี 184 ขา ซึ่งมากกว่า SDRAM ที่มีจำนวนขาสัญญาณเพียง 168 ขา นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างอื่นๆ อีกมากมาย เช่น - ขนาดหีบห่อ หรือ Package DDR SDRAM มีขนาด 0.65 มิลลิเมตร ส่วน SDRAM มีขนาดหีบห่อที่ 0.8 มิลลิเมตรเท่านั้น - ส่วนของแรงดันไฟเลี้ยง DDR SDARM กินไฟ 2.5V และที่สำคัญอัตราการแกว่งไกว (ช่วงเวลาในการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า) ของแรงดันไฟที่ต่ำ  - ลักษณะของ Interface DDR SDRAM ใช้อินเทอร์เฟซแบบ SSTL_2 (Stub Series-Terminated Logic) ซึ่งเป็นมาตรฐานการอินเทอร์เฟซสำหรับหน่วยความจำที่มีความเร็วสูง โดยมีคุณลักษณะพิเศษของการทำงานแบบสวิตซ์ชิ่ง ซึ่งจะทำให้หน่วยความจำสามารถทำงานที่ความเร็วที่สูงกว่า 200MHz ขึ้นไปได้ ซึ่ง DDR SDRAM สามารถทำงานที่ความเร็ว 300 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) (ปัจจุบันอยู่ที่ 550MHz)  - DDR SDRAM มีการเทอร์มิเนตที่ปลายของเส้นสัญญาณจึงลดสัญญาณรบกวน โดยเฉพาะ
หากทำงานที่ความเร็วสูงถือเป็นสิ่งจำเป็นมาก - CAS Latency ซึ่งเป็นค่าหน่วงเวลาที่มีความสำคัญในหน่วยความจำ เนื่องจากเป็นค่าที่บอกหลังจากที่สัญญาณ CAS มาถึงตัว DRAM และอีกนานเท่าใดข้อมูลจาก DRAM จึงจะถูกปลดปล่อยออกมา โดย DDR SDRAM นี้ มีค่า CAS Latency อยู่ที่ 2, 2.5 และ 3 ตามลำดับ และเมื่อใดที่ค่าของ Latency ยิ่งน้อยลงเท่าใดการส่งข้อมูลออกมาจะทำได้รวดเร็วมากขึ้นเท่านั้น รวมถึงการรองรับระบบแรมแบบแถวคู่ (Dual in – line memory modules-DIMM) เป็นการเพิ่มจำนวนของข้อมูลที่ขนส่งได้ใน 1 รอบเป็น 128 bit ยิ่งทำให้มี Bandwidth เพิ่มขึ้นจนสามารถแทนที่ RDRAM ได้ในที่สุด   DDR RAM ยังมีการพัฒนาต่อเนื่องในเรื่องขนาดและความเร็วจาก DDR RAM เป็น DDR2 เนื่องจากความต้องการ Bandwidth ที่เพิ่มมากขึ้น เนื่องมาจาก Processor สามารถทำงานได้เร็วขึ้น มีจำนวน Core มากขึ้น จึงทำให้มีเทคโนโลยี DDR2 เกิดขึ้นมาเพื่อลดปัญหาคอขวดที่เกิดขึ้น     ค่า CAS Latency หรือ CL เป็นตัวบ่งบอกถึง Timing ในการทำงานของ RAM ซึ่งค่ายิ่งน้อย RAM ยิ่งทำการ Read – Write ต่อ 1 รอบสัญญาณได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ในทางกลับกันถ้า CL สูง การทำงานต่อ 1 รอบสัญญาณก็จะมาก ทำให้ประสิทธิภาพที่ได้ลดน้อยลงตามไปด้วย

4.6 การตรวจสอบข้อมูลของ RAM
 Parity กับ Non-Parity ส่วนที่แตกต่างกันของสองแบบนี้ ก็คือว่า แบบ  Parity จะมีความสามารถในการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล โดยจะมี bit ตรวจสอบ 1 ตัว ถ้าพบว่ามีข้อมุลผิดพลาด ก็จะเกิดsystem halt ในขณะที่แบบ Non-Parity จะไม่มีการตรวจสอบ bit นี้