Bộ nhớ (memory)

VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 1 CHƯƠNG VI : BỘ NHỚ (MEMORY) I. BIOS, EPROM, EEPROM, and Flash ROM : ROM (Read Only Memory) chip, được đặt trên bo mạch chủ, chứa những chỉ thị có thể được truy xuất trực tiếp bởi bộ vi xử lý. Không giống như RAM, các chips ROM có khả năng giữ lại nội dung của nó thậm chí kể cả khi máy tính đã tắt nguồn. Nội dung của chip ROM không thể bị xóa hay thay đổi (theo nghĩa thông thường). Dữ liệu được truyền từ các chips ROM nhanh hơn so với bất kỳ loại đĩa nào nhưng chậm hơn RAM. Một vài ví dụ về các chips ROM có thể được tìm thấy trên bo mạch chủ như: BIOS ROM, EEPROM, và Flash ROM. 1. BIOS ROM (Basic In/Out System) : Những chỉ thị và dữ liệu chứa trong chip ROM điều khiển quá trình khởi động (Boot) và các thiết bị phần cứng (hardware) bên trong máy tính của bạn được gọi là Hệ thống Nhập/Xuất Cơ sở (BIOS), người ta còn gọi là firmware (chương trình điều khiển cơ sở). BIOS ROM là một phần rất quan trọng của máy tính. Trong thực tế, nếu CPU được xem như Bộ não thì BIOS ROM được xem như Trái tim của hệ thống. BIOS sẽ định nghĩa loại đĩa cứng nào được gắn vào máy tính, kiểm tra xem ổ đĩa mềm 1.44MB có tồn tại không, loại bộ nhớ nào được lắp vào máy tính và nhiều phần quan trọng khác của hệ thống phần cứng trong khi máy tính khởi động. Những trả lời từ BIOS nhằm cho biết mối quan hệ giữa hệ điều hành và các thành phần phần cứng khác nhau mà nó hỗ trợ. Những trả lời này bao gồm : - Nạp chương trình cài đặt cho phần cứng. - Kiểm tra hệ thống thông qua một tiến trình được gọi là P.O.S.T. - Đưa ra các mã lỗi về âm thanh (audio), hình ảnh (video) khi có một vấn đề xuất hiện trong quá trình P.O.S.T. - Cung cấp cho máy tính những chỉ thị cơ bản để điều khiển các thiết bị trong hệ thống. - Định vị bất kỳ mã BIOS nào trên các card mở rộng và thực thi chúng. VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 2 - Định vị phân vùng hay sector khởi động (boot sector) từ bất kỳ ổ đĩa nào để khởi động hệ điều hành. - Bảo đảm tính tương thích giữa phần cứng và hệ thống. BIOS ROM được nhận diện dễ dàng bởi vì kích cỡ của nó lớn hơn hầu hết các loại chips khác; thông thường, trên bề mặt của nó có một nhãn sáng bóng ghi rõ tên nhà sản xuất, số sơ-ri của chip, và ngày tháng chip được sản xuất. Thông tin này rất quan trọng khi chọn phiên bản nâng cấp cho chip. 2. EPROM, EEPROM và Flash ROM : ROM thông thường, hầu hết được dùng để lưu trữ những chương trình mức hệ thống (system-level). Chương trình BIOS được lưu thường trú trên ROM, nghĩa là, nó luôn ở trạng thái sẵn sàng, khi nguồn được cung cấp, máy tính sẽ sử dụng nó để khởi động hệ thống. Được phát triển dựa trên công nghệ chip EEPROM (chip có khả năng xóa), Flash ROM có giá thành rẻ hơn và dần được sử dụng rộng rãi. Tên gọi này được đặt ra bởi hãng Toshiba dựa vào khả năng “bị xoá trong tích tắc” (“in a flash”). Các tên gọi ROM này được định nghĩa như sau : - EPROM và EEPROM – các chips ROM có thể bị xoá và lập trình lại. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) là loại ROM đặc biệt có thể bị xoá bằng cách chiếu ánh sáng cực tím xuyên qua một tấm kính nhỏ trên đỉnh của chip. Do chip ROM nắm giữ các chỉ thị cho phép một thiết bị hoạt động một cách đúng đắn, nên đôi khi nó cần được lập trình lại (reprogrammed) hoặc thay thế để tương thích với các chỉ thị lệnh của các thiết bị đã được nâng cấp. Không giống như EPROM, các chips EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) được xoá bằng cách dùng mức điện cao hơn bình thường thay cho ánh sáng cực tím. Khi một chương trình BIOS (hay firmware) được lưu trữ trong EEPROM, nó có thể được nâng cấp (hay lập trình lại) bằng cách chạy một số chỉ thị lệnh đặc biệt. - Flash ROM, đây là một dạng đặc biệt của chip EEPROM được phát triển từ những cải tiến trong công nghệ EEPROM. Flash ROM lưu trữ BIOS, hay firmware trong hầu hết các hệ thống mới. Nó có thể được lập trình lại bằng một số phần mềm điều khiển đặc biệt. Việc nâng cấp BIOS bằng cách chạy một số phần mềm điều khiển đặc biệt, được gọi là flashing. Chương trình BIOS thực thi trên VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 3 Flash ROM được biết đến như một chương trình BIOS hỗ trợ các thiết bị Plug- and-Play. Những chips này lưu lại dữ liệu khi máy tính đã tắt nguồn; vì vậy, thông tin được lưu trữ vĩnh cửu. II. RAM : RAM – Random Access Memory – bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên; là nơi lưu trữ hệ điều hành, các ứng dụng và những dữ liệu đang sử dụng. CPU sẽ truy xuất những dữ liệu này từ RAM với tốc độ rất nhanh. CACHE, là nơi lưu trữ một cách tạm thời một loại dữ liệu nào đó. Ví dụ, một số tập tin sẽ tự động được truy xuất khi ta duyệt một trang WEB mà trước đó, dữ liệu trang WEB này đã được lưu trữ trên ổ đĩa cứng tại một thư mục con lưu trữ tạm các trang WEB đã được truy xuất qua (cache subdirectory), thư mục này nằm trong thư mục chứa trình duyệt WEB của bạn (như Internet Explorer). Dữ liệu được lưu trên RAM chỉ có tính tạm thời, chúng sẽ bị mất khi tắt máy tính hoặc mất điện. RAM lưu trữ những dữ liệu và các chương trình để CPU xử lý. Nói cách khác, RAM là bộ nhớ lưu trữ định kỳ dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý nhanh bởi CPU. Máy tính càng có nhiều RAM càng có nhiều khả năng lưu giữ và xử lý những chương trình hoặc những tập tin lớn. Số lượng và loại bộ nhớ trong hệ thống có thể tạo nên sự khác biệt lớn ở khả năng vận hành của toàn hệ thống. Một vài chương trình sẽ có yêu cầu sử dụng nhiều dung lượng RAM hơn những chương trình khác. Cụ thể như một máy tính chạy hệ điều hành MS-Windows 95, 98, hay ME cần khoảng 64MB RAM; đối với những hệ điều hành mới hơn, như Windows 2000, XP sẽ cần khoảng 128MB – 256MB RAM. Có hai chủng loại RAM được sử dụng rộng rãi hiện nay: SRAM (static RAM – RAM tĩnh), DRAM (dynamic RAM – RAM động). SRAM – tương đối đắt tiền hơn, nhưng nó hoạt động nhanh và có khả năng lưu trữ dữ liệu ngay cả khi máy tính đã tắt, trong một khoảng thời gian ngắn; điều này rất hữu dụng trong các trường hợp như mất điện đột ngột. SRAM được dùng cho bộ nhớ cache. DRAM – rẻ tiền và chậm hơn, chỉ cho phép xử lý dữ liệu lưu trữ trên nó khi được cấp nguồn điện. Khi máy tính tắt nguồn, dữ liệu sẽ bị mất. VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 4 RAM có thể được gắn lên bo mạch chủ dưới dạng cố định hoặc dưới dạng thanh có nhiều chips nhỏ. Có hai loại: SIMM – Single Inline Memory Modules và DIMM - Double Inline Memory Modules). SIMM và DIMM đều ở dạng thanh có thể tháo lắp, và cũng có thể thay thế bằng cái khác có dung lượng lớn hơn hay nhỏ hơn. Mặc dù, khi có nhiều RAM trong máy tính là một điều tốt, nhưng hầu hết các loại bo mạch chủ đều giới hạn ở số lượng và loại RAM có thể được thêm vào. Một vài hệ thống có thể chỉ hỗ trợ loại RAM có khả năng kiểm tra lỗi (Parity), trong một số khác hỗ trợ loại RAM không có khả năng kiểm tra lỗi (non-parity). 1. Nhận dạng SIMM và DIMM : Một thanh SIMM gắn lên bo mạch chủ bằng kết nối 72-pin (72 chân) hoặc 30 chân. Các chân kết nối đến bus hệ thống, tạo thành một đường dẫn điện tử để dữ liệu trong bộ nhớ được truyền từ/đến các thành phần hệ thống khác. Hai thanh SIMM 72 chân được gắn vào máy tính sẽ hỗ trợ dòng dữ liệu 64-bit. Đối với một bo mạch của thanh SIMM, các chân thuộc mặt đối diện làm nhiệm vụ liên kết với một thanh SIMM khác. Một thanh DIMM gắn lên bo mạch chủ bằng kết nối 168 chân. Các chân thiết lập một kết nối đến bus hệ thống, tạo thành một đường dẫn điện tử để dữ liệu trong bộ nhớ được truyền từ/đến các thành phần hệ thống khác. Một thanh DIMM 168 chân hỗ trợ dòng dữ liệu 64-bit (non-parity) và 72-bit (parity). Loại cấu hình này vẫn đang còn được sử dụng trong các hệ thống 64-bit mới nhất. Một điều cần nhắc lại là Parity chỉ khả năng kiểm tra lỗi được tích hợp vào chip RAM nhằm mục đích toàn vẹn dữ liệu. Một đặc tính quan trọng nữa là các chân trên thanh DIMM không dùng để kết nối với các thanh DIMM khác (như SIMM). 2. Ngoài ra, còn có một số dạng RAM đặc biệt khác, như : VRAM (Video RAM) và WRAM (Windows RAM): là loại bộ nhớ đang được dùng hiện nay, dành cho việc hiển thị hình ảnh. Cả VRAM và WRAM đều được thiết kế theo kiểu dual-ported (cả bộ vi mạch tổng hợp – chipset và chip RAMDAC (được định nghĩa trong đoạn sau) đều truy xuất bộ nhớ cùng lúc. Việc truy xuất đồng thời này sẽ làm tăng chất lượng xuất hình ảnh. Loại bộ nhớ mới nhất của card màn hình cũng hỗ trợ loại RAM hệ thống mới nhất (chẳng hạn loại synchronous DRAM – SDRAM). RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter): đây là một dạng đặc biệt nữa của RAM dùng để chuyển những hình ảnh đã được mã hoá dạng số (digital) VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 5 sang dạng tín hiệu tương tự (analog) để hiển thị. Nó được tạo ra bởi một thành phần SRAM (lưu trữ bản đồ màu – color map) và ba bộ chuyển đổi số-sang-tương tự (R-G-B). Hầu hết các loại RAM khác như EDO (Extended Data Out) RAM hay FPM (Fast Page Memory) đều quá chậm đối với các chuẩn máy tính ngày này và đã không còn được sử dụng trong các máy tính đời mới. Loại Công dụng Khả năng Ghi chú SRAM Dùng tạo cache L1 và L2 Nhanh, không cần làm tươi (refresh) Lớn và đắt tiền DRAM Bộ nhớ chính,các card mở rộng Nhỏ và rẻ tiền hơn SRAM Phức tạp và và chậm hơn SRAM, loại bộ nhớ này xem như đã lỗi thời. FPM DRAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Không đòi hỏi các hỗ trợ đặc biệt. Là loại chậm nhất trong các máy tính hiện đại. Loại này, ngày nay, cũng xem như đã lỗi thời. EDO RAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Một truy xuất đến bộ nhớ bắt đầu trước khi truy xuất cuối được kết thúc. Không làm việc tốt tại tần số 75 MHz và nhanh hơn. SDRAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Đồng bộ với xung nhịp hệ thống và có thể đọc/ghi ở chế độ vượt mức lên đến 100 MHz Cho phép một truy xuất bắt đầu ngay cả khi một truy xuất trước đó đang còn hoạt động (Interleaving) DDR SDRAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Tăng gấp đôi băng thông truyền bằng cách truyền dữ liệu 2 lần/1 xung nhịp Chi phí đắt hơn SDRAM DRDRAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Dựa trên tốc độ cao, dùng bus 16-bit với tốc độ 400 MHz Độc quyền của Intel và Rambus. SLDRAM Bộ nhớ chính, bộ nhớ video Sử dụng bus 64-bit chạy ở tốc độ 200 MHz, truyền dữ liệu 2 lần/1 xung nhịp Chuẩn mở rộng. VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương VI Trang 6 3. Bộ nhớ Cache/COASt : Cache là một dạng đặc biệt của chip máy tính hoặc ở dạng một chương trình cơ sở (Firmware) được thiết kế để hỗ trợ khả năng làm việc của bộ nhớ. Bộ nhớ cache lưu trữ những thông tin được sử dụng một cách thường xuyên và chuyển nó đến bộ xử lý nhanh hơn tốc độ của RAM. Hầu hết các máy tính đều có hai mức (Level) bộ nhớ cache riêng biệt sau : - Cache L1: được đặt bên trong CPU. - Cache L2: được đặt giữa CPU và DRAM. Cache L1 có tốc độ nhanh hơn cache L2, bởi vì cache L1 được đặt bên trong CPU và chạy cùng tốc độ với CPU. Cache L1 là nơi đầu tiên mà CPU tìm dữ liệu của chính nó. Nếu dữ liệu không được tìm thấy trong cache L1, quá trình tìm kiếm được tiếp tục lần lượt trên cache L2, rồi đến bộ nhớ chính. Cache L1 và cache L2 được tạo ra từ các chips SRAM. Tuy nhiên, một vài hệ thống sử dụng các môđun COASt. Các môđun này cung cấp bộ nhớ cache trên nhiều hệ thống nền Pentium (Pentium-based). Môđun COASt được chú ý nhờ vào độ tin cậy và tốc độ truy xuất; bởi vì nó sử dụng công nghệ pipeline-burst cache, nhanh hơn đáng kể so với một dạng cache SRAM thông thường.Vài hệ thống hỗ trợ cả đế cắm (socket) SRAM lẫn đế cắm môđun COASt. Môđun COASt tương tự như một thanh SIMM, nhưng nó cao hơn và có chân kết nối hơi khác. COASt module