تحقیق در مورد انواع حافظه های کامپیوتری

بخشی از مقاله

انواع حافظه های کامپیوتری

مقدمه
استفاده از كامپيوتر در ايران از چند سال قبل رايج شده است . امروزه در موارد متعددي از كامپيوتراستفاده بعمل مي آيد. چرخه استفاده از كامپيوتر از مرحله تهيه سخت افزارهاي لازم شروع و در ادامه با نصب تجهيزات سخت افزاري زمينه استفاده از مقولات ديگر نظير : نرم افزار، شبكه ،اينترنت و ... فراهم ميگردد. در زمينه بكارگيري و استفاده از پتانسيل هاي فوق سوالات متعدد كاربردي براي هر يك از كاربران با سطوح متفاوت اطلاعاتي مطرح بوده و خواهد بود. تنها با يافتن پاسخ مناسب علمي به هر يك از موارد مطرح شده است كه مي توان اميدوار به ايجاد يك زير ساخت مناسب فرهنگي بمنظور استفاده از كامپيوتر در جايگاه واقعي خود بود. در صورت نيل به هدف فوق شتاب حركات هدفمند بمنظور نهادينه شدن فرهنگ عمومي استفاده و بكارگيري سيستم هاي سخت افزاري نرم افزاري و شبكه سير منطقي و معقول خود را طي خواهد كرد.

در اين بخش به سوالات متداول در زمينه كامپيوتر پرداخته و با ارائه پاسخ هاي مناسب علمي گامي هر چند اندك در زمينه ايجاد و بهينه سازي فرهنگ استفاده از كامپيوتر در كشور بردارد. بدين منظور بخش هاي متعدد ايجاد و با ساختاري كه در قسمت سمت راست اين صفحه مشاهده مي نمائيد سازماندهي شده اند. سوالات موجود در هر بخش به مرور زمان افزايش خواهند يافت . روش پاسخ به سوالات مورد نظر بصورت كاملا" علمي و مختصر خواهد بود. كاربران با مراجعه به هر يك از بخش هاي فوق و انتخاب سوال مورد نظر قطعا" پاسخي مناسب را دريافت خواهند كرد. هدف از راه انداري اين بخش، ايجاد يك " دايره المعارف علمي " در رابطه با كامپيوتر با بهره گيري از پتانسيل هاي وب است . اين بخش كاملا" پويا بوده و سعي خواهد شد كه همواره "حرفي تازه" براي كاربران داشته باشد.

منابع : براي تهيه مطالب اين بخش، از سايت هاي متعدد استفاده شده است . سايت http://www.howstuffworks.com/ بعنوان هسته اصلي مطالب اين بخش مي باشد. پيشاپيش از مديريت سايت معظم فوق، Marshall Brain تشكر كرده و اميدواريم سايت فوق همچنان يكي از موفق ترين سايت هاي موجود بر روي اينترنت باشد. از ساير نويسندگان مقالات كه از مطالب آنها در تهيه محتويات اين بخش استفاده شده ، تشكر كرده و از اينكه اسامي آنان ذكر نشده ، پوزش ما را پذيرا باشند. يكي ديگر از سايت هائي كه از آن براي تهيه مطالب اين بخش استفاده شده است ،
http://www.microsoft.com/ است .

سخت افزار
حافظه ROM
. اين نوع از حافظه ها علاوه بر استفاده در كامپيوترهاي شخصي در ساير دستگاههاي الكترونيكي نيز بخدمت گرفته مي شوند . :
• ROM
• PROM
• EPROM
• EEPROM

• Flash Memory
هر يك از مدل هاي فوق داراي ويژگي هاي منحصربفرد خود مي باشند . حافظه هاي فوق در موارد زيرداراي ويژگي مشابه مي باشند:
• داد هاي ذخيره شده در اين نوع تراشته ها " غير فرار " بوده و پس از خاموش شدن منبع تامين انرژي اطلاعات خود را از دست نمي دهدند.
• داده هاي ذخيره شده در اين نوع از حافظه ها غير قابل تغيير بوده و يا اعمال تغييرات در آنها مستلزم انجام عمليات خاصي است.

مباني حافظه هاي ROM
حافظه ROM از تراشه هائي شامل شبكه اي از سطر و ستون تشكيل شده است ( نظير حافظه RAM) . هر سطر وستون در يك نقظه يكديگر را قطع مي نمايند. تراشه هاي ROM داراي تفاوت اساسي با تراشه هاي RAM مي باشند. حافظه RAM از " ترانزيستور " بمنظور فعال و يا غيرفعال نمودن دستيابي به يك " خازن " در نقاط برخورد سطر و ستون ، استفاده مي نمايند.در صورتيكه تراشه هاي ROM از يك " ديود" (Diode) استفاده مي نمايد. در صورتيكه خطوط مربوطه "يك"

باشند براي اتصال از ديود استفاده شده و اگر مقدار "صفر" باشد خطوط به يكديگر متصل نخواهند شد. ديود، صرفا" امكان حركت " جريان " را در يك جهت ايجاد كرده و داراي يك نفطه آستانه خاص است . اين نقطه اصطلاحا" (Forward breakover) ناميده مي شود. نقطه فوق ميزان جريان مورد نياز براي عبور توسط ديود را مشخص مي كند. در تراشه اي مبتني بر سيليكون نظير پردازنده ها و حافظه ، ولتاژ Forward breakover تقريبا" معادل شش دهم ولت است .با بهره گيري از

ويژگي منحصر بفرد ديود، يك تراشه ROM قادر به ارسال يك شارژ بالاتر از Forward breakover و پايين تر از ستون متناسب با سطر انتخابي ground شده در يك سلول خاص است .در صورتيكه ديود در سلول مورد نظر ارائه گردد، شارژ هدايت شده (از طريق Ground ) و با توجه به سيستم باينري ( صفر و يك )، سلول يك خوانده مي شود ( مقدار آن 1 خواهد بود) در صورتيكه مقدار سلول صفر باشد در محل برخورد سطر و ستون ديودي وجود نداشته و شارژ در ستون ، به سطر مورد نظر منتقل نخواهد شد.

همانطور كه اشاره گرديد، تراشه ROM ، مستلزم برنامه نويسي وذخيره داده در زمان ساخت است . يك تراشه استاندارد ROM را نمي توان برنامه ريزي مجدد و اطلاعات جديدي را در آن نوشت . در صورتيكه داده ها درست نبوده و يا مستلزم تغيير و يا ويرايش باشند، مي بايست تراشه را دور انداخت و مجددا" از ابتدا عمليات برنامه ريزي يك تراشه جديد را انجام داد.فرآيند ايجاد تمپليت اوليه براي تراشه هاي ROM دشوار است .اما مزيت حافظه ROM بر برخي معايب آن غلبه مي نمايد. زمانيكه تمپليت تكميل گرديد تراشه آماده شده، مي تواند بصورت انبوه و با قيمت ارزان به فروش رسد.اين نوع از حافظه ها از برق ناچيزي استفاده كرده ، قابل اعتماد بوده و در رابطه با اغلب دستگاههاي الكترونيكي كوچك، شامل تمامي دستورالعمل هاي لازم بمنظور كنترل دستگاه مورد نظر خواهند بود.استفاده از اين نوع تراشه ها در برخي از اسباب بازيها براي نواختن موسيقي، آواز و ... متداول است .
حافظه PROM

توليد تراشه هاي ROM مستلزم صرف وقت و هزينه بالائي است .بدين منظور اغلب توليد كنندگان ، نوع خاصي از اين نوع حافظه ها را كه PROM )Programmable Read-Only Memory) ناميده مي شوند ، توليد مي كنند.اين نوع از تراشه ها با محتويات خالي با قيمت مناسب عرضه شده و مي تواند توسط هر شخص با استفاده از دستگاههاي خاصي كه Programmer ناميده مي شوند ، برنامه ريزي گردند. ساختار اين نوع از تراشه ها مشابه ROM بوده با

اين تفاوت كه در محل برخورد هر سطر و ستون از يك فيوز( براي اتصال به يكديگر) استفاده مي گردد. يك شارژ كه از طريق يك ستون ارسال مي گردد از طريق فيوز به يك سلول پاس داده شده و بدين ترتيب به يك سطر Grounded كه نماينگر مقدار "يك" است ، ارسال خواهد شد. با توجه به اينكه تمام سلول ها داراي يك فيوز مي باشند، درحالت اوليه ( خالي )، يك تراشه PROM داراي مقدار اوليه " يك" است . بمنظور تغيير مقدار يك سلول به صفر، از يك Programmer براي

ارسال يك جريان خاص به سلول مورد نظر، استفاده مي گردد.ولتاژ بالا، باعث قطع اتصال بين سطر و ستون (سوختن فيوز) خواهد كرد. فرآيند فوق را " Burning the PROM " مي گويند. حافظه هاي PROM صرفا" يك بار قابل برنامه ريزي هستند. حافظه هاي فوق نسبت به RAM شكننده تر بوده و يك جريان حاصل از الكتريسيته ساكن، مي تواند باعث سوخته شدن فيور در تراشه شده و مقدار يك را به صفر تغيير نمايد. از طرف ديگر ( مزايا ) حافظه اي PROM داراي قيمت مناسب بوده و براي نمونه سازي داده براي يك ROM ، قبل از برنامه ريزي نهائي كارآئي مطلوبي دارند.

حافظه EPROM
استفاده كاربردي از حافظه هاي ROM و PROM با توجه به نياز به اعمال تغييرات در آنها قابل تامل است ( ضرورت اعمال تغييرات و اصلاحات در اين نوع حافظه ها مي تواند به صرف هزينه بالائي منجر گردد)حافظه هايEPROM)Erasable programmable read-only memory) پاسخي مناسب به نياز هاي مطح شده است ( نياز به اعمال تغييرات ) تراشه هاي EPROM را مي توان چندين مرتبه باز نويسي كرد. پاك نمودن محتويات يك تراشه EPROM مشتلزم استفاده از دستگاه

خاصي است كه باعث ساطع كردن يك فركانس خاص ماوراء بنفش باشد.. پيكربندي اين نوع از حافظه ها مستلزم استفاده از يك Programmer از نوع EPROM است كه يك ولتاژ را در يك سطح خاص ارائه نمايند ( با توجه به نوع EPROM استفاده شده ) اين نوع حافظه ها ، نيز داراي شبكه اي مشتمل از سطر و ستون مي باشند. در يك EPROM سلول موجود در نقظه برخورد سطر و ستون داراي دو ترانزيستور است .ترانزيستورهاي فوق توسط يك لايه نازك اكسيد از يكديگر جدا شده اند. يكي از ترانزيستورها Floating Gate و ديگري Control Gate ناميده مي شود. Floating gate صرفا" از طريق Control gate به سطر مرتبط است. ماداميكه لينك برقرارباشد سلول داراي مقدار يك خواهد بود. بمنظور تغيير مقدار فوق به صفر به فرآيندي با نام Fowler-Nordheim tunneling نياز خواهد بود

.Tunneling بمنظور تغيير محل الكترون هاي Floating gate استفاده مي گردد.يك شارژ الكتريكي بين 10 تا 13 ولت به floating gate داده مي شود.شارژ از ستون شروع و پس از ورود به floating gate در ground تخليه خواهد گرديد. شارژ فوق باعث مي گردد كه ترانزيستور floating gate مشابه يك "پخش كننده الكترون " رفتار نمايد . الكترون هاي مازاد فشرده شده و در سمت ديگر لايه اكسيد به دام افتاد و يك شارژ منفي را باعث مي گردند. الكترون هاي شارژ شده

منفي ، بعنوان يك صفحه عايق بين control gate و floating gate رفتار مي نمايند.دستگاه خاصي با نام Cell sensor سطح شارژ پاس داده شده به floating gate را مونيتور خواهد كرد. در صورتيكه جريان گيت بيشتر از 50 درصد شارژ باشد در اينصورت مقدار "يك" را دارا خواهد بود.زمانيكه شارژ پاس داده شده از 50 درصد آستانه عدول نموده مقدار به "صفر" تغيير پيدا خواهد كرد.يك تراشه EPROM داراي گيت هائي است كه تمام آنها باز بوده و هر سلول آن مقدار يك را دارا است.

بمنظور باز نويسي يك EPROM مي بايست در ابتدا محتويات آن پاك گردد. براي پاك نمودن مي بايست يك سطح از انرژي زياد را بمنظور شكستن الكترون هاي منفي Floating gate استفاده كرد.در يك EPROM استاندارد ،عمليات فوق از طريق اشعه ماوراء بنفش با فركانس 253/7 انحام مي گردد.فرآيند حذف در EPROM انتخابي نبوده و تمام محتويات آن حذف خواهد شد. براي حذف يك EPROM مي بايست آن را از محلي كه نصب شده است جدا كرده و به مدت چند دقيقه زير اشعه ماوراء بنفش دستگاه پاك كننده EPROM قرار داد.

حافظه هاي EEPROM و Flash Memory
با اينكه حافظه اي EPROM يك موفقيت مناسب نسبت به حافظه هاي PROM از بعد استفاده مجدد مي باشند ولي كماكن نيازمند بكارگيري تجهيزات خاص و دنبال نمودن فرآيندهاي خسته كننده بمنظور حذف و نصب مجدد آنان در هر زماني است كه به يك شارژ نياز باشد. در ضمن، فرآيند اعمال تغييرات در يك حافظه EPROM نمي تواند همزمان با نياز و بصورت تصاعدي صورت پذيرد و در ابتدا مي بايست تمام محتويات را پاك نمود.حافظه هاي Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)EEOPROM) پاسخي مناسب به نيازهاي موجود است . در حافظه هاي EEPROM تسهيلات زير ارائه مي گردد:
• براي بازنويسي تراشه نياز به جدا نمودن تراشه از محل نصب شده نخواهد بود.

• براي تغيير بخشي از تراشه نياز به پاك نمودن تمام محتويات نخواهد بود.
• اعمال تغييرات در اين نوع تراشه ها مستلزم بكارگيري يك دستگاه اختصاصي نخواهد بود.

در عوض استفاده از اشعه ماوراء بنفش، مي توان الكترون هاي هر سلول را با استفاده از يك برنامه محلي و بكمك يك ميدان الكتريكي به وضعيت طبيعي برگرداند. عمليات فوق باعث حذف سلول هاي مورد نظر شده و مي توان مجددا" آنها را بازنويسي نمود.تراشه هاي فوق در هر لحظه يك بايت را تغيير خواهند داد.فرآيند اعمال تغييرات در تراشه هاي فوق كند بوده و در مواردي كه مي بايست اطلاعات با سرعت تغيير يابند ، سرعت لازم را نداشته و داراي چالش هاي خاص خود مي باشند.

توليدكنندگان با ارائه Flash Memory كه يك نوع خاص از حافظه هاي EEPROM مي باشد به محدوديت اشاره شده پاسخ لازم را داده اند.در حافظه Falsh از مدارات از قبل پيش بيني شده در زمان طراحي ، بمنظور حذف استفاده مي گردد ( بكمك ايجاد يك ميدان الكتريكي). در اين حالت مي توان تمام و يا بخش هاي خاصي از تراشه را كه " بلاك " ناميده مي شوند، را حذف كرد.اين نوع حافظه نسبت به حافظه هاي EEPROM سريعتر است ، چون داده ها از طريق بلاك هائي كه معمولا" 512 بايت مي باشند ( به جاي يك بايت در هر لحظه ) نوشته مي گردند. شكل زير حافظه BIOS را كه نوع خاصي از حافظه ROM مدل Flash memory است ، نشان مي دهد.

سخت افزار حافظه حافظه با هدف ذخيره سازي اطلاعات ( دائم ، موقت ) در كامپيوتر استفاده مي گردد. از انواع متفاوتي حافظه دركامپيوتر استفاده مي گردد .
• RAM
• ROM
• Cache
• Dynamic RAM
• Static RAM
• Flash Memory
• Virtual Memory
• Video Memory
• BIOS
هر يك از دستگاههاي فوق مدل هاي متفاوتي از حافظه را استفاده مي نمايند. مباني اوليه حافظه با اينكه مي توان واژه " حافظه " را بر هر نوع وسيله ذخيره سازي الكترونيكي اطلاق كرد، ولي اغلب از واژه فوق براي مشخص نمودن حافظه هاي سريع با قابليت ذخيره سازي موقت استفاده بعمل مي آيد.در مرحله بعد كامپيوتر BIOS را ازطريق ROM فعال خواهد كرد. BIOS اطلاعات اوليه و ضروري در رابطه با دستگاههاي ذخيره سازي، وضعيت درايوي كه مي بايست فرآيند بوت از آنجا آغاز گردد، امنيت و ... را مشخص مي نمايد. در مرحله بعد سيستم عامل از هارد به درون حافظه RAM استفرار خواهد يافت . بخش هاي مهم و حياتي

سيستم عامل تا زمانيكه سيستم روشن است در حافظه ماندگار خواهند بود. در ادامه و زمانيكه يك برنامه توسط كاربر فعال مي گردد، برنامه فوق در حافظه RAM مستقر خواهد شد. پس از استقرار يك برنامه در حافظه و آغاز سرويس دهي توسط برنامه مورد نظر در صورت ضرورت فايل هاي مورد نياز برنامه فوق، در حافظه مستفر خواهند شد.و در نهايت زمانيكه به حيات يك برنامه خاتمه داده مي شود (Close) و يا يك فايل ذخيره مي گردد ، اطلاعات بر روي يك رسانه ذخير

ه سازي دائم ذخيره و نهايتا" حافظه از وجود برنامه و فايل هاي مرتبط ، پاكسازي ! مي گردد. همانگونه كه اشاره گرديد در هر زمان كه اطلاعاتي ، مورد نياز پردازنده باشد، مي بايست اطلاعات درخواستي در حافظه RAM مستقر تا زمينه استفاده از آنان توسط پردازنده فراهم گردد. چرخه درخواست اطلاعات موجود درRAM توسط پردازنده ، پردازش اطلاعات توسط پردازنده و نوشتن اطلاعات جديد در حافظه يك سيكل كاملا" پيوسته بوده و در اكثر كامپيوترها سيكل فوق ممكن

است در هر ثانيه ميليون ها مرتبه تكرار گردد. نياز به سرعت دليلي بر وجود حافظه هاي متنوع چرا حافظه در كامپيوتر تا بدين ميزان متنوع و متفاوت است ؟ در پاسخ مي توان به موارد ذيل اشاره نمود: پردازنده هاي با سرعت بالا نيازمند دستيابي سريع و آسان به حجم بالائي از داده ها بمنظور افزايش بهره وري و

كارآئي خود مي باشند.. در صورتيكه پردازنده قادر به تامين و دستيابي به داده هاي مورد نياز در زمان مورد نظر نباشد، مي بايست عمليات خود را متوقف و در انتظار تامين داده هاي مورد نياز باشد. پردازند ه هاي جديد وبا سرعت يك گيگا هرتز به حجم بالائي از داده ها ( ميليارد بايت در هر ثانيه ) نياز خواهند داشت .

پردازنده هائي با سرعت اشاره شده گران قيمت بوده و قطعا" اتلاف زمان مفيد آنان مطلوب و قابل قبول نخواهد بود. طراحان كامپيوتر بمنظور حل مشكل فوق ايده " لايه بندي حافظه " را مطرح نموده اند. در اين راستا از حافظه هاي گران قيمت با ميزان اندك استفاده و از حافظه هاي ارزان تر در حجم بيشتري استفاده بعمل مي آيد.. حافظه RAM بتنهائي داراي سرعت مناسب براي همسنگ شدن با سرعت پردازنده نيست . بهمين دليل است كه از حافظه هاي Cache استفاده مي گردد.