วิวัฒนาการหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ (Evolution of Computer Memory )

Written by on . Posted in เทคโนโลยี, เทคโนโลยีสารสนเทศ




หน้าที่ 1 - โครงสร้างของลำดับขั้นหน่วยความจำ
มักจะมีคำถามกันอยู่เสมอว่าทำไมคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องมีระบบหน่วยความจำหลายชนิด และคำตอบที่ได้สามารถช่วยให้เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ได้มากมายทีเดียว เรามาเริ่มที่พื้นฐานกันก่อนว่าหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์มีโครงสร้างอย่างไรกันบ้าง [[54256]] 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

หน้าที่ 2 - ประเภทของหน่วยความจำ
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 [[54247]] 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 [[54248]] เหตุผลที่ต้องมี L2 Cache เนื่องจากถ้าหากโปรเซสเซอร์ไม่สามารถหาข้อมูลได้จาก L1 Cache ข้อมูลส่วนหนึ่งจะถูกพบที่นี่ ซึ่งช่วยให้การเข้าถึงข้อมูลนั้นรวดเร็วกว่าการเข้าถึงหน่วยความจำหลักโดยตรง โดยเฉพาะถ้าชิพที่นำมาสร้าง L2 Cache เป็นแบบ SRAM ที่มีความเร็วเท่ากับบัสแล้ว ข้อมูลในนี้จะถูกนำส่งโปรเซสเซอร์ได้โดยไม่มีการรอจังหวะสัญาณนาฬิกา (zero-wait state transaction) เกิดขึ้นเลยซึ่งเป็น L2 Cache ชนิดที่เร็วที่สุด [[54246]]

หน้าที่ 3 - หน่วยความจำหลักแบบแก้ไขได้ RAM
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 [[54547]] 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 [[54548]] 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 [[54549]] สำหรับเครื่อง Notebook มี 2 รุ่น คือ DDR PC-2700 และรุ่น DDR2 PC2-4300 SDRAM[[54550]] 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

หน้าที่ 4 - หน่วยความจำหลักแบบอ่านได้อย่างเดียว ROM
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 [[54271]] 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

หน้าที่ 5 - หน่วยความจำสำรอง
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

แสดงความคิดเห็น