วิวัฒนาการหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ (Evolution of Computer Memory ) ศิรภัสสร อนันชัย (79,386 views) first post: Sat 22 September 2007 last update: Tue 22 January 2008 โดยทั่วไปเรามักรู้แล้วว่าคอมพิวเตอร์ตรงหน้าเรามีหน่วยความจำอะไร แต่เราอาจจะไม่รู้ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ที่เราใช้ทุกวันส่วนมากก็มีรูปแบบของหน่วยความจำจำนวนหนึ่งด้วย เช่น Cell phones, PDAs, Game consoles ,Car radios, VCRs, TVs เป็นด้น

มักจะมีคำถามกันอยู่เสมอว่าทำไมคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องมีระบบหน่วยความจำหลายชนิด และคำตอบที่ได้สามารถช่วยให้เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ได้มากมายทีเดียว
เรามาเริ่มที่พื้นฐานกันก่อนว่าหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์มีโครงสร้างอย่างไรกันบ้าง



ที่มา:www.howstuffworks.com/operation-system.htm

ตามแผนภาพด้านบนเราจะเห็นได้ว่าหน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์มีการจัด โครงสร้างเป็นแบบลำดับชั้น ซึ่งชั้นสูงสุดและอยู่ใกล้กับโปรเซสเซอร์มากที่คือ รีจีสเตอร์(Register)ที่อยู่ภายในโปรเซสเซอร์ จากนั้นลงมาก็เป็นหน่วยความจำแคช (Cache) หนึ่งหรือสองระดับ ซึ่งถ้ามีหลายระดับมักจะเรียกว่า Cache ระดับ L1, L2,…

จากนั้นจึงเป็นหน่วยความจำหลักซึ่งมักจะสร้างมาจาก DRAM (Dynamic Random Access Memory) ซึ่งหน่วยความจำที่กล่าวมาทั้งหมดนี้จัดว่าเป็นส่วนที่อยู่ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ และเป็นแบบโวลาไทล์ (Volatile) คือ ข้อมูลจะหายไปเมื่อไม่มีไฟเลี้ยง

และโครงสร้างลำดับชั้นยังขยายต่อออกไปที่หน่วยความจำภายนอกเครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งมักจะหมายถึงอุปกรณ์ไอโอที่มีความเร็วสูง เช่น ฮาร์ดดิสก์ นอกเหนือจากนี้ได้แก่ อุปกรณ์ ZIP อุปกรณ์อ็อพติก และเทปแม่เหล็ก เป็นต้น

ตำแหน่งการอ้างอิงข้อมูลในหน่วยความจำหลักโดยโปรเซสเซอร์นั้น มักจะเป็นตำแหน่งเดิม ดังนั้นหน่วยความจำ Cache มักจะคัดลอกข้อมูลในหน่วยความจำหลักที่เคยถูกอ้างอิงไปแล้วเอาไว้

ซึ่งถ้าการทำงานของ Cache ได้รับการออกแบบมาเป็นอย่างดีแล้ว ส่วนใหญ่โปรเซสเซอร์ก็จะเรียกใช้ข้อมูลที่อยู่ใน Cache เป็นส่วนมาก

แม้ว่าโดยหลักการแล้วดูจะเป็นเรื่องง่าย แต่หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ได้แสดงให้เห็นว่าเป็นส่วนหนึ่งที่อาจจะมีจำนวนชนิด เทคโนโลยี โครงสร้าง ประสิทธิภาพ และราคากว้างมากที่สุด ไม่มีเทคโนโลยีใดทีจะสามารถตอบสนองความต้องการหน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ดีที่สุด

เมื่อเห็นและรู้จักโครงสร้างลำดับชั้นของหน่วยความจำกันแล้ว เราก็มาทำความรู้จักแต่ละส่วนว่ามันมีความแตกต่างกันอย่างไรในเรื่องของขนาด หรือความจุ ความเร็ว และราคา โดยเริ่มกันที่

รีจิสเตอร์ (Register)

ถือว่าเป็นหน่วยความจำที่มีความจุน้อยสุด มีความเร็วสูงสุด และมีราคาแพงสุด โดยมันถูกสร้างเป็นส่วนหนึ่งของชิปหน่วยประมวลผลกลาง โดยอยู่ที่ตำแหน่งบนสุดในลำดับชั้นบนสุดของหน่วยความจำ ใช้เก็บข้อมูลเข้าและผลลัพธ์ตามที่ระบุไว้ในแต่ละคำสั่งของชุดคำสั่งของหน่วยประมวลผลกลาง ตัวอย่างเช่น
- รีจิสเตอร์ที่ใช้เห็นค่าตัวเลยที่เป็นจำนวนต็ม (data registers)
- รีจิสเตอร์ที่ช้เก็บตำแหน่งต่างๆ ของหน่วยความจำ (address registers)
- รีจิสเตอร์ที่ใช้เก็บค่าคงที่ (cinstant registers) ที่สามารถอ่านได้อย่างเดียว
- รีจิสเตอร์ที่มีหน้าที่เฉพาะอย่าง (special purpose registers) เช่น program counter ที่มีหน้าที่เก็บตำแหน่งของคำสั่งถัดไปที่ต้องประมวลผลและสแต็คพ้อยท์เตอร์ ที่มีหน้าที่เก็บตำแหน่งของข้อมูลล่าสุดในสแต็ค

แคช (Cache)

หน่วยความจำ Cache สร้างขึ้นมาเพื่อที่จะให้เป็นหน่วยความจำที่ทำงานได้เร็วทีสุด โดยปกติแล้วจะทำหน้าที่เก็บสำเนาข้อมูลบางส่วนในหน่วยความจำหลักเอาไว้ วิวัฒนาการของการพัฒนาหน่วยความจำ Cache สามารถเห็นได้ชัดเจนจากวิวัฒนาการของไมโครโปรเซสเซอร์จากบริษัท Intel


เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้ามากขึ้น ช่วยให้สามารถใส่ Cache เข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของ
ชิพโปรเซสเซอร์ได้ ซึ่งเรียกว่า on-chip cache เครื่องคอมพิวเตอร์ในยุคปัจจุบันมีการนำ Cache มาใช้งานร่วมกัน และเรียกโครงสร้างประเภทนี้ว่า Cache 2 ระดับ โดย

Cache ระดับที่ 1(L1) หมายถึง on-chip cache
Cache ระดับที่ 2(L2) หมายถึง Cache ภายนอก


เหตุผลที่ต้องมี L2 Cache
เนื่องจากถ้าหากโปรเซสเซอร์ไม่สามารถหาข้อมูลได้จาก L1 Cache ข้อมูลส่วนหนึ่งจะถูกพบที่นี่ ซึ่งช่วยให้การเข้าถึงข้อมูลนั้นรวดเร็วกว่าการเข้าถึงหน่วยความจำหลักโดยตรง

โดยเฉพาะถ้าชิพที่นำมาสร้าง L2 Cache เป็นแบบ SRAM ที่มีความเร็วเท่ากับบัสแล้ว ข้อมูลในนี้จะถูกนำส่งโปรเซสเซอร์ได้โดยไม่มีการรอจังหวะสัญาณนาฬิกา (zero-wait state transaction) เกิดขึ้นเลยซึ่งเป็น L2 Cache ชนิดที่เร็วที่สุด



RAM (Random-Access Memory)

คุณลักษณะที่สำคัญของRAM มีอยุ่ 2 ประการคือ ประการแรกสามารถอ่านหรือบันทึกข้อมูลได้อย่างง่ายดายและรวดเร็วด้วยการใช้สัญญานไฟฟ้า ประการที่สอง ข้อมูลที่เก็บอยู่นั้นเป็นการเก็บไว้ชั่วคราว หน่วยความจำ RAM จะต้องได้รับพลังงานไฟฟ้ามาป้อนอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา

เมื่อไม่มีพลังงานไฟฟ้าข้อมูลทั้งหมดที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำก็จะหายไปทันที ดังนั้นเจ้าRAMตัวนี้จึงถูกนำมาใช้เป็นหน่วยความจำชั่วคราวซึ่งเราสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่คือ DRAM และ SRAM

DRAM หรือ (Dynamic RAM) เป็นหน่วยความจำที่ประกอบด้วยเซลล์ที่ใช้เก็บข้อมูลที่ใช้อัดประจุไฟฟ้าเข้าไปเก็บไว้ในตัว capacitor เป็นระยะอยู่เสมอ เพื่อที่จะได้สามารถเก็บรักษาข้อมูลเอาไว้ได้ และแม้ว่าเซลล์ของ DRAMจะถูกนำมาใช้ในการเก็บข้อมูลดิจิตอลเพียงบิตเดียวที่มีค่าเป็น “0” หรือ“1” ก็ตาม แต่ก็จัดได้ว่าเป็นอุปกรณ์ประเภทอะนาล็อก


DDR2 RAM
DDR2 PC2-4300 ขนาด 256 / 512 MB
และ 1 GB Bus 533 MHz และ DDR2
PC2-5300 ขนาด 512 MB และ 1 GB

DDR RAM
รุ่น DDR PC-3200 ขนาด 256 / 512 MB
และ 1 GB


คราวนี้เราก็มารู้จักกับSRAM กันบ้าง

SRAM หรือ (Static RAM) จะทำงานแตกต่างจาก Dynamic RAM และจัดว่าเป็ฯอุปกรณ์ดิจิตอล ที่มีการจัดเรียงอึปรณ์ภายในเป็นลักษณะเดียวกบโครงสร้างของโปรเซสเซอร์ ใน SRAM ค่าไบนารี่ “0” หรือ“1” จะถูกเก็บไว้ด้วย flip-flop logic gate ซึ่งสามารถเก็บค่าไว้ในตัวเองได้นานตราบเท่าที่มีพลังงานไฟฟ้าป้อนให้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องอาศัยการถ่ายเทปประจุไฟฟ้าเหมือนกับที่เกิดขึ้นใน DRAM


SODIMM RAM
สำหรับเครื่อง Notebook มี 2 รุ่น คือ DDR PC-2700
และรุ่น DDR2 PC2-4300


SDRAM
NCP SDRAM DIMM ขนาด 128/ 256 MB
Bus 133 MHz 168 pin

ถ้าเราเปรียบเทียบระหว่าง DRAM กับ SRAM ทั้ง Dynamic และ Static แรมสามารถเก็บข้อมูลได้เพียงชั่วคราว คือจะต้องมีพลังงานไฟฟ้าส่งเข้ามาอย่างต่อเนื่องเพื่อจะได้เก็บข้อมูลเอาไว้ได้ DRAMนั้นจะมีโครงสร้างที่ง่ายกว่า และมีขนาดเล็กกว่า สามารถบรรจุจำนวนเซลล์ต่อต่อพื้นที่ได้มากกว่า ทำให้มีราคาถูกกว่า SRAM ที่มีขนาดความจุเท่าๆกัน

แต่อย่างไรก็ตาม DRAM จำเป็นจะต้องมีวงจรสำหรับการกระตุ้น (refresh cycle) เป็นระยะๆ อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งการทำงานที่เพิ่มขึ้นในส่วนนี้เปรียบเทียบเป็นต้นทุนคงที่ไม่ว่าหน่วยความจำ DRAM จะมีปริมาณน้อยหรือน้อยเท่าใดก็ตาม ทำให้นิยมนำ DRAM มาใช้ในปริมาณที่มาก

ส่วน SRAM นั้นมีความเร็วในการทำงานสูงกว่า ด้วยข้อดีและข้อเสียดังที่กล่าวนี้ ระบบคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่จึงนำ DRAM มาใช้เป็นหน่วยความจำหลัก และนำ SRAM มาใช้เป็นหน่วยความจำ cache ทั้งชนิด on-chip และ off-chip

ROM (Read Only Memory)

หน่วยความจำหลัก แบบอ่านได้อย่างเดียว นั่นคือ ROM (Read Only Memory) เป็นหน่วยความจำที่มีคุณสมบัติในการเก็บข้อมูลไว้ได้ตลอดโดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าหล่อเลี้ยง นั่นคือแม้จะปิดเครื่องไปแล้วเมื่อเปิดเครื่องใหม่ข้อมูลในรอมก็ยังอยู่เหมือนเดิม นิยมใช้เป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บชุดคำสั่งในการเริ่มต้นระบบ หรือชุดคำสั่งที่สำคัญๆของคอมพิวเตอร์ ข้อเสียของรอมคือจะไม่สามารถแก้ไขหรือเพิ่มเติมชุดคำสั่งได้ในภายหลัง รวมทั้งความเร็วในการทำงานช้ากว่าหน่วยความจำแบบแรม

นอกจากนี้ปัจจุบันยังมีรอมที่เป็นชิพพิเศษแบบต่างอีก เช่น PROM , EPROM, EEPROM และ Flash memory ซึ่งนิยมนำมาใช้เก็บ BIOS ในเครื่องรุ่นใหม่ๆ



BIOS uses Flash memory, a type of ROM
ที่มา: www.howstuffworks.com/rom2.htm

PROM (Programmable Read Only Mimory) เป็นหน่วยความจำแบบ ROMที่สามารถบันทึกด้วยเครื่องบันทึกพิเศษได้หนึ่งครั้ง จากนั้นจะลบหรือแก้ไขไม่ได้

EPROM (Erasable PROM) ใช้แสงอัลตราไวโอเลตในการเขียนข้อมูล สามารถนำออกจากคอมพิวเตอร์ไปลบโดยใช้เครื่องมือพิเศษและบันทึกข้อมูลใหม่ได้

EEPROM (Electrically Erasable PROM) เป็นเทคโนโลยีซึ่งรวมเอาข้อดีของรอมและแรมเข้าด้วยกัน เป็นชิปที่ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าเลี้ยง สามารถเขียน แก้ไข หรือลบข้อมูลที่เก็บไว้ได้ด้วยโปรแกรมพิเศษโดยไม่ต้องถอดออกจากเครื่องคอมพิวเตอร์เลย แต่ราคาสูงและมีความจุตำกว่ามาก ทำให้การใช้งานยังจำกัดอยู่สำหรับงานที่ต้องการความเร็วสูง และเก็บข้อมูลไม่มากนัก

หลายๆคนอาจคุ้นเคยกับหน่วยความจำภายนอก หรือบางทีเราก็หมายถึงหน่วยความจำสำรองด้วยค่ะ เรามาทำความรู้จักกับอุปกรณ์ที่ว่านี้กันนะคะ และอันดับแรกที่อยากจะแนะนำคือ

ฮาร์ดดสก์ (Hard disk)

รูปแบบของหน่วยความจำที่ถูกที่สุดและใช้กันอย่างกว้างขวางทุกวันนี้คือ ฮาร์ดดิสค์ มีหลักการทำงานคล้ายกับฟลอปปีดิสก์ แต่ฮาร์ดดิสค์ทำมาจากแผ่นโลหะแข็งเรียกว่า Platters ทำให้เก็บข้อมูลได้มากและทำงานได้รวดเร็ว ส่วนมากจะถูกยึดติดอยู่ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ แต่มีบางรุ่นที่เป็นแบบเคลื่อนย้ายได้ โดยจะเป็นแผ่นแม่เหล็กเพียงแผ่นเดียวอยู่ในกล่องพลาสติกบางๆ สามารถเก็บข้อมูลได้ตั้งแต่ 1กิกะไบต์ขึ้นไป

Virtual memory

จะเป็นวิธีในการนำพื้นที่ของหน่วยเก็บข้อมูลสำรอง (ส่วนมากจะเป็นฮาร์ดดิสก์) มาจำลองเป็นหน่วยความจำ เนื่องจากหน่วยความจำของระบบมีจำกัดและมีราคาสูง การใช้หน่วยความจำเสมือนจะทำให้สามารถทำงานกับโปรแกรมขนาดใหญ่มาก ๆ ได้ ดดยไม่มีปัญหาเรื่องหน่วยความจำไม่เพียงพอ ระบบการทำงานของหน่วยความจำเสมือนจะใช้วิธีแบ่งโปรแกรมออกเป็นส่วน ๆ และคอมพิวเตอร์จะทำการ สลับส่วนของโปรแกรมที่ยังไม่ได้ใช้ลงไปยังหน่วยเก็บข้อมูลสำรอง และทำการสลับกลับมาในหน่วยความจำหลักเมื่อจำเป็นต้องใช้งาน หลักการของหน่วยความจำเสมือนทำให้สามารถทำงานกับโปรแกรมที่ต้องการใช้ไม่ต่ำกว่า 6 MB บนเครื่องที่มีแรมเพียง 4 MB

RAID

เป็นข้อกำหนดในการใช้ฮาร์ดดิสก์จำนวนหนึ่งมาประกอบกัน เพื่อช่วยเพิ่มคุณสมบัติในเรื่องของความทนทานต่อข้อผิดพลาดให้กันระบบคอมพิวเตอร์ ซึ่งแบบแผนของระบบ RAID มีอยู่หลายระดับ โดยที่ได้รับความนิยมใช้งานในปัจจุบันคือ

RAID-0 ใช้วิธีการทำ Data striping นั่นคือแบ่งแฟ้มเขียนลงไปบนดิสก์หลายๆตัว โดยไม่ซ้ากัน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มประสิทธภาพของฮาร์ดดิสก์
RAID-1 จะใช้ฮาร์ดดิสก์เป็นคู่ในการเขียนข้อมูลที่เหมือนกันทุกประการลงไปในฮาร็ดดิสก์ทั้งคู่
RAID-3 คล้ายกัน RAID-0 แต่จะใช้ฮาร์ดดิสก์อีกตัวในการเก็บข้อมูลสำหรับแก้ไขข้อผิดพลาด
RAID-5 เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมสูงสุด โดยจะทำ Data striping และจะเก็บข้อมูลสำหรับแก้ไขข้อผิดพลาดลงในทุกๆฮาร์ดดิสก์ ทำให้มีประสิทธภาพสูง และป้องกันข้อผิดพลาดได้ดี
RAID-10 บางครั้งเรียกว่า RAID-0+1 เนื่องจากใช้หลักการของ RAID-0 และ RAID-1 มารวมกัน ทำให้ได้ประสิทธิภาพและป้องกันการผิดพลาดได้ดี แต่ค่าใช้จ่ายก็จะสูงที่สุด

ออปติคัสดิสก์ (Optical Disk)

มีหลักการทำงานคล้ายกับการเล่นซีดีเพลง คือใช้เทคโนโลยีของแสงเลเซอร์ ทำให้สามารถเก็บข้อมูลได้จำนวนมหาศาลในราคาไม่แพงมากนัก ในปัจจุบันมีอยู่หลายแบบซึ่งใช้เทคโนโลยีต่างกันไป เช่น

CD-ROM อ่านข้อมูลได้เพียงอย่างเดียว ไม่สามารถแก้ไข หรือลบข้อมูลในแผ่น CD ได้
CD-R เป็น CD ที่สามารถเขียนข้อมูลหรือ write ที่เรียกว่าการ burning ได้ครั้งเดียว
สามารถอ่านได้หลายคร้ง แต่ไม่สามารถลบข้อมูลได้ ปัจจุบันมีความจุตั้งแต่ 650
MB ขึ้นไป
CD-RW คล้ายกับ CD-R ต่างกันตรงที่สามารถเปลี่ยนแปลงข้อมูลได้ คือสามารถอ่านเขียน
ข้อมูลเพิ่มได้หลายครั้ง
DVD สามารถบันทึกข้อมูลได้สูงถึง 4.7 GB ขึ้นไป ซึ่งปัจจุบัน สามารถบันทึกข้อมูลได้
ถึง 17 GB

เทปแม่เหล็ก (Magnetic Tape)

เป็นหน่วยความจำสำรองแบบ magnatic รุ่นแรก ๆ ที่มีการใช้ที่มีการใช้แม่เหล็กเคลือบบนแถบพลาสติกและพันรอบม้วนเทป 2 ม้วน โดยทั่วไปมี 2 รูปแบบใหญ่ ๆ คือ reel-to-reel และ cartridge โดยทั่วไปมีความยาวหลายพันฟุต และมักใช้กับระบบคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ เช่น ระบบเมนเฟรม สำหรับ reel-to-reel จะมีขนาดใหญ่และความยาวกว่ามาก

ข้อดี คือ ราคาไม่แพง และมีการทำงานที่เชื่อถือได้เหมาะกับการสำรองข้อมูล
ข้อเสีย คือ ทำงานช้าเพราะการเข้าถึงข้อมูลเป็นแบบตามลำดับ ซึ่งจะต้องกรอเทปกลับ หรือไปข้างหน้า ในขณะที่อัตราการเคลื่อนย้ายข้อมูลสามารถถูกทำให้เพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มความเร็วของเทป

---

 

ขอบคุณผู้สนับสนุน