บทที่ 4 หน่วยความจำภายใน

หน่วยความจำภายใน

(Primary Storage Section // Memory)

    หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์จะใช้ในการเก็บคำสั่งและข้อมูลขณะที่มีการประมวลผล ภายในระบบคอมพิวเตอร์จะมีหน่วยความจำอยู่ 2 ประเภท คือ    
     - ภายใน (Internal)       
     - ภายนอก(External)    

        หน่วยความจำภายในนั้นเราไม่ได้หมายถึงหน่วยความจำหลัก(Main memory) เท่านั้น  แต่ยังจะหมายถึงหน่วยความจำที่อยู่ภายในซีพียู (Local memory)  นอกจากนี้ภายใน CPU  ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ CPU นั้นก็ต้องการที่จะมีหน่วยความจำเป็นของตัวเองด้วย  ส่วนหน่วยความจำภายนอกนั้นเราจะหมายถึงอุปกรณ์เก็บข้อมูลอื่น ๆ ที่มักเรียกว่าเป็น peripheral storage devices  เช่น ดิสก์ เทป ซึ่งติดต่อกับ CPU ด้วย I/O Controller     
        คุณลักษณะอย่างหนึ่งของหน่วยความจำก็คือ ความจุ (Capacity) ซึ่งจะพูดกันในหน่วยของไบต์ (1 ไบต์ = 8 บิต)  หรือคำ (word)  ปกติแล้วคำจะมีความยาวขนาด 8, 16 หรือ 32 บิต  ข้อมูลทุกประเภทสุดท้ายจะถูกแปลงเป็นบิต 0 หรือ 1 ซึ่งอยู่ในรูปของเลขฐานสองเพื่อเก็บไว้ในหน่วยความจำ เมื่อต้องการใช้ก็จะมีการแปลงจากเลขฐานสองนั้นให้อยู่ในรูปแบบที่ต้องการแนวคิดอีกอย่างที่เกี่ยวข้องกันคือ จำนวนหน่วยที่จะโอนย้ายได้ (Unit of Transfer) สำหรับหน่วยความจำภายในนั้น unit of transfer จะเท่ากับจำนวนdata lines ที่เข้า-ออก หน่วยความจำ ซึ่งมันมักจะเท่ากับความยาวของคำ(แต่บางครั้งก็อาจจะไม่เท่าก็ได้)

หลักการทำงานของหน่วยความจำภายใน
วิธีการในการเข้าถึงหน่วยความจำ
 เราอาจแบ่งได้เป็น 4 แบบตามชนิดของหน่วยความจำ คือ 
        - Sequential Access   เช่น การเข้าถึงเทป

        - Direct Access เช่น การเข้าถึงดิสก์

                                                    

        - Random Access เช่นการเข้าถึงหน่วยความจำหลัก

                                                     

        - Associative เช่น การเข้าถึงหน่วยความจำแคช

 
ประสิทธิภาพของหน่วยความจำ

   พิจารณาถึงตัวแปร 3 ตัวนี้คือ
      1. Access Time : หมายถึงเวลาที่ใช้ไปในการทำการอ่านหรือเขียนข้อมูล (เวลาที่จะนำข้อมูลไปไว้ยังตำแหน่งของหน่วยความจำที่ระบุไว้ หรือเวลาที่นำข้อมูลออกจากหน่วยความจำจากตำแหน่งที่ระบุไว้)

      2. Memory Cycle Time : เป็นแนวคิดที่พัฒนามาใช้กับ RAM ซึ่งประกอบด้วย เวลาในการเข้าถึงข้อมูล (access time) บวกกับเวลาก่อนที่การเข้าถึงครั้งต่อไปจะเริ่มขึ้น

 3.Transfer Rate : เป็นอัตราส่วนที่ข้อมูลสามารถจะถูกเคลื่อนย้ายเข้าหรือออกจากหน่วยความจำได้ใน 1 หน่วยเวลา

หน่วยความจำหลัก 

 หน่วยความจำชนิดรอม (ROM : Read Only Memory)
    เป็นหน่วยความจำชนิดที่จะเก็บข้อมูลหรือโปรแกรมไว้อย่างถาวรไม่สามารถเปลี่ยนแปลงอะไรได้ไม่ว่าจะต้องการหรือไม่ สิ่งที่เก็บไว้จะประกอบด้วยข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการเริ่มสตาร์ทเครื่องคอมพิวเตอร์ และใช้เก็บโปรแกรม  BIOS หรือโปรแกรมของคอมพิวเตอร์ที่ฝังอยู่ในฮาร์ดแวร์ของเครื่องที่ทำหน้าที่ตรวจสอบฮาร์ดแวร์และอุปกรณ์ต่าง ๆ ของคอมพิวเตอร์ชนิดของรอม

    -Manual ROM 

    ข้อมูลทั้งหมดที่อยู่ใน ROM จะถูกโปรแกรม โดยผู้ผลิต (โปรแกรม มาจากโรงงาน) เราจะใช้ ROM ชนิดนี้ เมื่อข้อมูลนั้น ไม่มีการเปลี่ยนแปลง และมีความต้องการใช้งาน เป็นจำนวนมาก ผู้ใช้ไม่สามารถ เปลี่ยนแปลงข้อมูลภายใน ROM ได้โดย ROM จะมีการใช้ technology ที่แตกต่างกันตัวอย่างเช่น BIPOLAR, CMOS,NMOS, PMOS

   -PROM (Programmable ROM)

 PROM (PROGRAMMABLE READ-ONLY MEMORY)

    ข้อมูลที่ต้องการโปรแกรมจะถูกโปรแกรมโดยผู้ใช้เอง โดยป้อนพัลส์แรงดันสูง
ทำให้ METAL STRIPS หรือ POLYCRYSTALINE SILICON ที่อยู่ในตัว IC ขาดออกจากกัน ทำให้เกิดเป็นลอจิก “1”หรือ “0” ตามตำแหน่ง ที่กำหนดในหน่วยความจำนั้นๆ เมื่อ PROM ถูกโปรแกรมแล้ว ข้อมูลภายใน จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อีก

   -EPROM (Erasable Programmable ROM)

EPROM (ERASABLE PROGRAMMABLE READ-ONLY MEMORY)

    ข้อมูลจะถูกโปรแกรม โดยผู้ใช้โดยการให้สัญญาณ ที่มีแรงดันสูง ผ่านเข้าไปในตัว EPROM ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่ใช้ใน PROM แต่ข้อมูลที่อยู่ใน EPROM เปลี่ยนแปลงได้ โดยการลบข้อมูลเดิมที่อยู่ใน EPROM ออกก่อน แล้วค่อยโปรแกรมเข้าไปใหม่ การลบข้อมูลนี้ทำได้ด้วย การฉายแสง อุลตร้าไวโอเลตเข้าไปในตัว IC โดยผ่าน ทางกระจกใส ที่อยู่บนตัว IC เมื่อฉายแสง

หน่วยความจำชนิดแรม (RAM : Random Access Memory)
     
   เป็นหน่วยความจำชนิดที่เก็บข้อมูลเอาไว้เพื่อให้โปรแกรมสามารถนำมาใช้งานได้ในทันทีที่ต้องการ ทั้งในส่วนของคำสั่งของโปรแกรมและข้อมูลที่ป้อนเข้าไป เป็นส่วนที่จะมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาระหว่างที่กำลังทำงานกับโปรแกรมอยู่ จะเป็นการเก็บไว้เพียงชั่วคราว และจะหายไปเมื่อปิดเครื่องหรือไฟฟ้าดับ นั่นคือแรมจะต้องมีไฟฟ้าคอยเลี้ยงตลอดเวลา โดยปกติทั่วไปหากบอกว่าคอมพิวเตอร์เครื่องนี้มี Memory 32 MB จะหมายถึงเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นมี RAM 32 MB    แรมเป็นทรัพยากรที่มีค่ามากของคอมพิวเตอร์ และดูเหมือนว่าเครื่องมีแรมเท่าไรก็มักจะไม่พอต่อความต้องการ (ทั้งของเราและของโปรแกรม application)

โดยที่เนื้อที่ของหน่วยความจำหลักแบบแรมนี้ถูกแบ่งออกเป็น 4 ส่วน คือ

1.Input Storage Areaเป็นส่วนที่เก็บข้อมูลนำเข้าที่ได้รับมาจากหน่วยรับข้อมูลเข้าโดย ข้อมูลนี้จะถูกนำไปใช้ในการประมวลผลต่อไป

2.Working Storage Areaเป็นส่วนที่เก็บข้อมูลที่อยู่ในระหว่างการประมวลผล

3.Output Storage Areaเป็นส่วนที่เก็บผลลัพธ์ที่ได้จากการประมวลผล ตามความต้องการของผู้ใช้ เพื่อรอที่จะถูกส่งไปแสดงออก ยังหน่วยแสดงผลอื่นที่ผู้ใช้ต้องการ 

4.Program Storage Areaเป็นส่วนที่ใช้เก็บชุดคำสั่ง หรือโปรแกรมที่ผู้ใช้ต้องการจะส่งเข้ามา เพื่อใช้คอมพิวเตอร์ปฏิบัติตามคำสั่ง ชุดดังกล่าว หน่วยควบคุมจะทำหน้าที่ดึงคำสั่งจากส่วน นี้ไปที่ละคำสั่งเพื่อทำการแปลความหมาย ว่าคำสั่งนั้นสั่งให้ทำอะไร จากนั้นหน่วยควบคุม จะไปควบคุมฮาร์ดแวร์ที่ต้องการทำงานดังกล่าวให้ทำงานตามคำสั่งนั้นๆ

ชนิดของแรมตามรูปร่าง

- DIP RAM (Dual In-Line Package RAM)  เป็นแรมยุคแรก มีลักษณะสีดำ มีขายื่นออกมาสองแถวคล้ายตะขาบ ยึดติดบน

- SIMM RAM (Single In-Line Memory Module RAM)  จะมีทั้งแบบ 30 พิน และ 72 พิน ข้อแตกต่างคือ SIMM 30  พินจะมี 9 บิตบนตัวแรม ส่วน SIMM 72  พิน จะมี 36 บิต และ  SIMM 30  พินจะมีขนาดเล็กกว่า 72 พิน

ชนิดของแรมตามเทคโนโลยี

    ความเร็วของตัวประมวลผลที่เพิ่มขึ้นย่อมต้องการส่วนประกอบต่าง ๆ ของระบบที่เร็วขึ้นเช่นกัน ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันบัสของหน่วยความจำจะทำงานช้ากว่าตัวประมวลผล จึงมีการพัฒนาเทคโนโลยีหน่วยความจำแบบต่าง ๆ ดังนี้

    -  DRAM (Dynamic RAM)เป็นมาตรฐานของ Main Memory
มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Fast Page Mode DRAMนอกจากต้องมีไฟฟ้าเลี้ยงตลอดเวลาแล้ว แรมชนิดนี้จะต้องทำการ Recharge อยู่เสมอ คือจะคอยป้อนไฟเลี้ยงให้กับตัวเก็บประจุที่มีค่าเป็น “1” เป็นระยะ   DRAM จะเก็บแต่ละค่าของบิตลงในหน่วยความจำ (Memory Cell) 

    -   SRAM (Static RAM)รูปแบบพื้นฐานของ SRAM คือ การใช้โครงสร้าง

แบบ Asynchronous ค่าของบิตที่เก็บในเซลหน่วยความจำจะถูกแทนด้วยสถานะของการ Flip-Flop  แทนการเป็นประจุใน Capacitor  การ  Flip-Flop เป็นการเรียงตัวของทรานซิสเตอร์และรูปแบบของสวิตช์อิเล็กโทรนิกส์ของรีจิสเตอร์

       - EDO DRAM (Extended RAM)หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Hyper Page Mode DRAM  มีพื้นฐานมาจาก FPM DRAM  ดังนั้นการทำงานจะคล้ายกัน เริ่มจากการจัดลำดับการค้นหา แล้วจึงเริ่มการค้นหาตามคอลัมน์ เพียงแต่ว่าเมื่อพบข้อมูลที่ต้องการแล้ว

    แทนที่การค้นหาจะหยุดลงและปิดการทำงานของบัฟเฟอร์ data output  หน่วยความจำแบบ EDO จะเก็บบัฟเฟอร์ของ data output ไว้จนกระทั่งการค้นหาข้อมูลเริ่มต้นใหม่อีกครั้งหนึ่ง การเปิดการทำงานของบัฟเฟอร์ไว้ตลอดทำให้ wait state ของ burst transfer rate ของหน่วยความจำแบบ EDO เร็วขึ้น

Dynamic Random Access Memory (DRAM) 

Static Random Access Memory (SRAM) 

หน่วยความสำรอง 

ตัวอย่างหน่วยความจำสำรอง

    1.  แผ่นบันทึก(floppy disk หรือ diskette) ไมโครคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่มีเครื่องขับแผ่นบันทึกอย่างน้อยหนึ่งตัว แผ่นบันทึกที่ใช้ในปัจจุบันมีขนาด 3.5 นิ้ว ตัวแผ่นบันทึกเป็นแผ่นบางฉาบผิวด้วยสารแม่เหล็กอยู่ในกรอบพลาสติกแข็ง เพื่อป้องกันการขีดข่วน   การเก็บข้อมูลจะทำโดยบันทึกลงไปที่ผิวของแผ่น ปกติใช้ได้ทั้งสองด้าน หัวอ่านของเครื่องขับจึงมีสองหัว แผ่นจะหมุนด้วยความเร็วคงที่ หัวอ่านวิ่งเข้าออกเพื่ออ่านข้อมูลในตำแหน่งที่อยู่ที่ต้องการ ผิวที่ใช้เก็บข้อมูลจะแบ่งเป็นวงเรียกว่า แทร็ก (track) แต่ละแทร็กจะแบ่งเป็นช่องเก็บข้อมูลเรียกว่า เซกเตอร์ (sector) แผ่นบันทึกขนาด 3.5 นิ้ว มีความจุ 1.44 เมกะไบต์ 

    2.  ฮาร์ดดิสก์(harddisk) จะประกอบด้วยแผ่นบันทึกแบบแข็งที่เคลือบสารแม่เหล็กหลายแผ่นเรียงซ้อนกัน  หัวอ่านของเครื่องขับจะมีหลายหัว ในขณะที่แผ่นบันทึกแต่ละแผ่นหมุน หัวอ่านจะเคลื่อนที่เข้าออก เพื่ออ่านข้อมูลที่เก็บบนพื้นผิวแผ่น การเก็บข้อมูลในแต่ละแผ่นจะเป็นวง เรียกแต่ละวงของทุกแผ่นว่าไซลินเดอร์  (cylinder)  แต่ละไซลินเดอร์จะแบ่งเป็นเซกเตอร์ แต่ละเซกเตอร์เก็บข้อมูลเป็นชุดๆ ฮาร์ดดิสก์เป็นอุปกรณ์เก็บข้อมูลที่มีความจุสูงมาก ขนาดของฮาร์ดดิสก์มีความจุเป็นกิกะไบต์ เช่น ฮาร์ดดิสก์ความจุ 15 กิกะไบต์ การเขียนอ่านข้อมูลบนฮาร์ดดิสก์จะกระทำเป็นเซกเตอร์ และเขียนอ่านได้เร็วมาก เวลาที่ใช้ในการวัดการเข้าถึงข้อมูลมีหน่วยเป็นมิลลิวินาที 

CMOS
CMOS ย่อมาจาก (complementary metal-oxide semiconductor)
เป็นหน่วยความจำที่ใช้เก็บข้อสนเทศที่ใช้เป็นประจำของระบบคอมพิวเตอร์ เช่น ประเภทของแป้นพิมพ์ เมาส์ จอภาพ และเครื่องอ่านแผ่นดิสก์ (disk drive) CMOS ใช้กระแสไฟจากแบตเตอรี่ ดังนั้นเมื่อปิดเครื่องคอมพิวเตอร์ ข้อสนเทศใน CMOS จึงไม่สูญหายลักษณะเด่นของ CMOS อีกอย่างหนึ่งคือ ข้อสนเทศที่บันทึกใน CMOS สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์ให้กับเครื่องคอมพิวเตอร์ เช่น การเพิ่ม RAM และฮาร์ดแวร์อื่นๆ

BIOS
BIOS ย่อมาจาก (Basic  Input Output System)
ไบออส คือโปรแกรมเล็กๆที่ถูกเก็บไว้ในชิปROM ทำหน้าที่ในการตรวจสอบและควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ บนเมนบอร์ดและมีส่วนสำคัญมากในการบู๊ตเครื่อง  เพราะไบออสจะคอยตรวจสอบอุปกรณ์ทั้งหมดหากอุปกรณ์ตัวไหนมีการทำงานผิดพลาด  ไบออสก็จะรายงานหรือส่งสัญญาณเสียงให้เราได้ทราบทันที ไบออสจะทำงานหลังจากมีการเปิดสวิทซ์ ทันที ที่มีการใช้งานคอมพิวเตอร์โดยจะทำการตรวจสอบอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ติดตั้งในคอมพิวเตอร์ เช่น harddisk, disk drive,cd-rom, ram เป็นต้น