شرح ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بالكمبيوتر (RAM)



Oct. 25, 2021 | تيتو 4 تك


  • ذاكرة الوصول العشوائي (RAM / ræm) هي شكل من أشكال تخزين بيانات الكمبيوتر. يسمح جهاز ذاكرة الوصول العشوائي بالوصول إلى عناصر البيانات (قراءتها أو كتابتها) في نفس الوقت تقريبًا بغض النظر عن الموقع الفعلي للبيانات داخل الذاكرة. على النقيض من ذلك ، مع وسائط تخزين البيانات الأخرى ذات الوصول المباشر مثل الأقراص الثابتة وأقراص CD-RW و DVD-RW وذاكرة الأسطوانة القديمة ، يختلف الوقت المطلوب لقراءة عناصر البيانات وكتابتها بشكل كبير اعتمادًا على مواقعها المادية على وسيط التسجيل ، بسبب القيود الميكانيكية مثل سرعات دوران الوسائط وتأخيرات حركة الذراع.
    اليوم ، تأخذ ذاكرة الوصول العشوائي شكل دوائر متكاملة. ترتبط ذاكرة الوصول العشوائي عادةً بأنواع الذاكرة المتقلبة (مثل وحدات ذاكرة DRAM) ، حيث تُفقد المعلومات المخزنة في حالة إزالة الطاقة ، على الرغم من بذل العديد من الجهود لتطوير شرائح ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة. توجد أنواع أخرى من الذاكرة غير المتطايرة التي تسمح بالوصول العشوائي لعمليات القراءة ، ولكنها إما لا تسمح بعمليات الكتابة أو لها قيود عليها. وتشمل هذه معظم أنواع ROM ونوع من ذاكرة فلاش تسمى NOR-Flash.
    ظهرت رقائق ذاكرة الوصول العشوائي ذات الدوائر المتكاملة إلى السوق في أواخر الستينيات ، مع أول شريحة ذاكرة عشوائية متاحة تجارياً ، Intel 1103 ، تم تقديمها في أكتوبر 1970.
     
     
     
     

    enlightened  تاريخ النشأة

     

    استخدمت أجهزة الكمبيوتر القديمة المرحلات أو العدادات الميكانيكية أو خطوط التأخير لوظائف الذاكرة الرئيسية. يمكن لخطوط التأخير بالموجات فوق الصوتية إعادة إنتاج البيانات بالترتيب الذي كُتبت به فقط. يمكن توسيع ذاكرة الأسطوانة بتكلفة منخفضة نسبيًا ، لكن الاسترداد الفعال لعناصر الذاكرة يتطلب معرفة التخطيط المادي للأسطوانة لتحسين السرعة. تم استخدام المزالج المبنية من الصمامات الثلاثية للأنبوب المفرغ ، وبعد ذلك ، من الترانزستورات المنفصلة ، لذكريات أصغر وأسرع مثل السجلات. كانت هذه السجلات كبيرة نسبيًا ومكلفة للغاية لاستخدامها لكميات كبيرة من البيانات ؛ بشكل عام ، لا يمكن توفير سوى بضع عشرات أو بضع مئات من أجزاء هذه الذاكرة.
    كان أول شكل عملي لذاكرة الوصول العشوائي هو أنبوب ويليامز الذي بدأ في عام 1947. حيث قام بتخزين البيانات كبقع مشحونة كهربائيًا على وجه أنبوب أشعة الكاثود. نظرًا لأن شعاع الإلكترون في CRT يمكنه قراءة وكتابة النقاط على الأنبوب بأي ترتيب ، كانت الذاكرة عبارة عن وصول عشوائي. كانت سعة أنبوب ويليامز من بضع مئات إلى حوالي ألف بت ، لكنها كانت أصغر بكثير وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من استخدام مزلاج الأنبوب المفرغ. تم تطوير أنبوب ويليامز ، الذي تم تطويره في جامعة مانشستر في إنجلترا ، الوسيط الذي تم من خلاله تنفيذ أول برنامج للذاكرة المخزنة إلكترونيًا في جهاز كمبيوتر مانشستر صغير الحجم التجريبي (SSEM) ، والذي نجح في تشغيل البرنامج لأول مرة في 21 يونيو 1948. في الواقع ، بدلاً من تصميم ذاكرة أنبوب ويليامز لـ SSEM ، كان SSEM بمثابة اختبار لإثبات موثوقية الذاكرة.
    تم اختراع الذاكرة المغناطيسية الأساسية في عام 1947 وتم تطويرها حتى منتصف السبعينيات. أصبح شكلاً منتشرًا من ذاكرة الوصول العشوائي ، يعتمد على مجموعة من الحلقات الممغنطة. من خلال تغيير الإحساس بمغنطة كل حلقة ، يمكن تخزين البيانات بتخزين واحد لكل حلقة. نظرًا لأن كل حلقة تحتوي على مجموعة من أسلاك العناوين لتحديدها وقراءتها أو كتابتها ، كان الوصول إلى أي موقع ذاكرة بأي تسلسل ممكنًا.
    كانت الذاكرة الأساسية المغناطيسية هي الشكل القياسي لنظام الذاكرة حتى تم استبدالها بذاكرة الحالة الصلبة في الدوائر المتكاملة ، بدءًا من أوائل السبعينيات. اخترع روبرت إتش دينارد ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) في عام 1968 ؛ سمح هذا باستبدال دائرة مزلاج 4 أو 6 ترانزستور بواسطة ترانزستور واحد لكل بت ذاكرة ، مما أدى إلى زيادة كثافة الذاكرة بشكل كبير على حساب التقلب. تم تخزين البيانات في السعة الصغيرة لكل ترانزستور ، وكان لابد من تحديثها بشكل دوري كل بضعة أجزاء من الثانية قبل أن تتسرب الشحنة بعيدًا.
    قبل تطوير دوائر ذاكرة القراءة فقط (ROM) المدمجة ، غالبًا ما يتم إنشاء ذاكرة الوصول العشوائي الدائمة (أو للقراءة فقط) باستخدام مصفوفات الصمام الثنائي التي يتم تشغيلها بواسطة مفكك تشفير العنوان ، أو طائرات ذاكرة حبل الجرح الأساسية بشكل خاص.
     
     

    enlightened  أنواع ذاكرة الوصول العشوائي

     

    الشكلان الرئيسيان لذاكرة الوصول العشوائي الحديثة هما ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). في SRAM ، يتم تخزين القليل من البيانات باستخدام حالة خلية ذاكرة من ستة ترانزستور. يعد إنتاج هذا النوع من ذاكرة الوصول العشوائي أكثر تكلفة ، ولكنه أسرع بشكل عام ويتطلب طاقة أقل من DRAM ، وغالبًا ما يستخدم في أجهزة الكمبيوتر الحديثة كذاكرة تخزين مؤقت لوحدة المعالجة المركزية. يقوم DRAM بتخزين القليل من البيانات باستخدام زوج من الترانزستور والمكثف ، والذي يشتمل معًا على خلية ذاكرة DRAM. يحمل المكثف شحنة عالية أو منخفضة (1 أو 0 ، على التوالي) ، ويعمل الترانزستور كمفتاح يسمح لدائرة التحكم على الرقاقة بقراءة حالة شحن المكثف أو تغييرها. نظرًا لأن إنتاج هذا النوع من الذاكرة أقل تكلفة من إنتاج ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ، فهو الشكل السائد لذاكرة الكمبيوتر المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة.
    تعتبر كل من ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة والديناميكية متقلبة ، حيث يتم فقد أو إعادة تعيين حالتها عند إزالة الطاقة من النظام. على النقيض من ذلك ، تقوم ذاكرة القراءة فقط (ROM) بتخزين البيانات عن طريق تمكين أو تعطيل الترانزستورات المحددة بشكل دائم ، بحيث لا يمكن تغيير الذاكرة. تشترك المتغيرات القابلة للكتابة من ROM (مثل EEPROM وذاكرة فلاش) في خصائص كل من ROM و RAM ، مما يتيح إمكانية تحميل البيانات بدون طاقة ويمكن تحديثه دون الحاجة إلى معدات خاصة. تتضمن هذه الأشكال المستمرة من ذاكرة القراءة فقط لأشباه الموصلات محركات أقراص فلاش USB وبطاقات ذاكرة للكاميرات والأجهزة المحمولة وما إلى ذلك. تشتمل ذاكرة ECC (التي يمكن أن تكون إما SRAM أو DRAM) على دوائر خاصة لاكتشاف و / أو تصحيح الأخطاء العشوائية (أخطاء الذاكرة) في المخزن البيانات ، باستخدام بتات التكافؤ أو رمز تصحيح الخطأ.
    بشكل عام ، يشير مصطلح RAM فقط إلى أجهزة الذاكرة ذات الحالة الصلبة (إما DRAM أو SRAM) ، وبشكل أكثر تحديدًا الذاكرة الرئيسية في معظم أجهزة الكمبيوتر. في التخزين الضوئي ، يعد مصطلح DVD-RAM تسمية خاطئة إلى حد ما لأنه ، على عكس CD-RW أو DVD-RW ، لا يحتاج إلى محوه قبل إعادة استخدامه. ومع ذلك ، فإن DVD-RAM يتصرف مثل محرك الأقراص الثابتة إذا كان أبطأ إلى حد ما.
     
     

    enlightened  هرمية الذاكرة

     

    يمكن للمرء قراءة البيانات والكتابة عليها في ذاكرة الوصول العشوائي. تحتوي العديد من أنظمة الكمبيوتر على تسلسل هرمي للذاكرة يتكون من سجلات المعالجات وذاكرة التخزين المؤقت SRAM المؤقتة وذاكرة التخزين المؤقت الخارجية و DRAM وأنظمة ترحيل الصفحات والذاكرة الافتراضية أو مساحة التبديل على محرك الأقراص الثابتة. قد يُشار إلى هذه المجموعة الكاملة من الذاكرة باسم "RAM" من قبل العديد من المطورين ، على الرغم من أن الأنظمة الفرعية المختلفة يمكن أن يكون لها أوقات وصول مختلفة تمامًا ، مما ينتهك المفهوم الأصلي وراء مصطلح الوصول العشوائي في ذاكرة الوصول العشوائي. حتى ضمن مستوى التسلسل الهرمي مثل DRAM ، فإن الصف أو العمود أو البنك أو الرتبة أو القناة أو التنظيم المتداخل للمكونات يجعل وقت الوصول متغيرًا ، على الرغم من أنه ليس إلى الحد الذي يكون فيه وسائط التخزين الدوارة أو الشريط متغيرًا. الهدف العام من استخدام التسلسل الهرمي للذاكرة هو الحصول على متوسط ​​أداء وصول أعلى ممكن مع تقليل التكلفة الإجمالية لنظام الذاكرة بأكمله (بشكل عام ، يتبع التسلسل الهرمي للذاكرة وقت الوصول مع تسجيلات وحدة المعالجة المركزية السريعة في الأعلى والقرص الصلب البطيء في الأسفل).
    في العديد من أجهزة الكمبيوتر الشخصية الحديثة ، تأتي ذاكرة الوصول العشوائي في شكل وحدات تمت ترقيتها بسهولة تسمى وحدات الذاكرة أو وحدات DRAM بحجم بضع قطع من العلكة. يمكن استبدالها بسرعة في حالة تلفها أو عندما تتطلب الاحتياجات المتغيرة سعة تخزين أكبر. كما هو مذكور أعلاه ، يتم أيضًا دمج كميات أصغر من ذاكرة الوصول العشوائي (معظمها SRAM) في وحدة المعالجة المركزية وغيرها من الدوائر المتكاملة على اللوحة الأم ، وكذلك في محركات الأقراص الثابتة والأقراص المضغوطة والعديد من أجزاء أخرى من نظام الكمبيوتر.
     
     

    enlightened  الاستخدامات الأخرى لذاكرة الوصول العشوائي

     

    بالإضافة إلى العمل كمساحة تخزين مؤقتة ومساحة عمل لنظام التشغيل والتطبيقات ، يتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي بعدة طرق أخرى.وهي كما يلي :
     
    yes  الذاكرة الافتراضية
     
    تستخدم معظم أنظمة التشغيل الحديثة طريقة لتوسيع سعة ذاكرة الوصول العشوائي ، تُعرف باسم "الذاكرة الظاهرية". يتم وضع جزء من محرك الأقراص الثابتة للكمبيوتر جانبًا لملف ترحيل أو قسم أسكراتش ، وتشكل مجموعة ذاكرة الوصول العشوائي الفعلية وملف ترحيل الصفحات إجمالي ذاكرة النظام. (على سبيل المثال ، إذا كان جهاز الكمبيوتر يحتوي على 2 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي وملف صفحة 1 غيغابايت ، فإن نظام التشغيل به ذاكرة إجمالية تبلغ 3 غيغابايت متوفرة له.) عند تشغيل النظام منخفضًا في الذاكرة الفعلية ، يمكنه "تبديل" أجزاء من ذاكرة الوصول العشوائي إلى ملف ترحيل الصفحات لإفساح المجال للبيانات الجديدة ، وكذلك لقراءة المعلومات التي تم تبديلها مسبقًا مرة أخرى في ذاكرة الوصول العشوائي. يؤدي الاستخدام المفرط لهذه الآلية إلى التعثر ويعيق أداء النظام بشكل عام ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن محركات الأقراص الثابتة أبطأ بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي.
     
    yes  قرص ذاكرة الوصول العشوائي
     
    يمكن للبرنامج "تقسيم" جزء من ذاكرة الوصول العشوائي للكمبيوتر ، مما يسمح له بالعمل كقرص صلب أسرع بكثير يسمى قرص ذاكرة الوصول العشوائي. يفقد قرص RAM البيانات المخزنة عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر ، ما لم يتم ترتيب الذاكرة بحيث تحتوي على مصدر بطارية في وضع الاستعداد.
     
    yes  ذاكرة الوصول العشوائي الظل
     
    في بعض الأحيان ، يتم نسخ محتويات شريحة ROM البطيئة نسبيًا لقراءة / كتابة الذاكرة للسماح بأوقات وصول أقصر. يتم بعد ذلك تعطيل شريحة ROM أثناء تشغيل مواقع الذاكرة التي تمت تهيئتها على نفس مجموعة العناوين (غالبًا ما تكون محمية ضد الكتابة). هذه العملية ، التي تسمى أحيانًا التظليل ، شائعة إلى حد ما في كل من أجهزة الكمبيوتر والأنظمة المضمنة.
    كمثال شائع ، غالبًا ما يحتوي BIOS في أجهزة الكمبيوتر الشخصية النموذجية على خيار يسمى "استخدام الظل BIOS" أو ما شابه. عند التمكين ، ستستخدم الوظائف التي تعتمد على البيانات من ROM الخاص بـ BIOS بدلاً من ذلك مواقع DRAM (يمكن لمعظمها أيضًا تبديل تظليل ذاكرة القراءة فقط لبطاقة الفيديو أو أقسام ROM الأخرى). اعتمادًا على النظام ، قد لا يؤدي ذلك إلى زيادة الأداء ، وقد يتسبب في حالات عدم التوافق. على سبيل المثال ، قد يتعذر الوصول إلى بعض الأجهزة إلى نظام التشغيل إذا تم استخدام الظل RAM. في بعض الأنظمة ، قد تكون الفائدة افتراضية لأنه لا يتم استخدام BIOS بعد التمهيد لصالح الوصول المباشر إلى الأجهزة. يتم تقليل الذاكرة الخالية بحجم ذاكرة القراءة فقط المظللة.
     
     

    enlightened  التطويرات الأخيرة

     

    عدة أنواع جديدة من ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة ، والتي ستحافظ على البيانات أثناء إيقاف التشغيل ، قيد التطوير. تشمل التقنيات المستخدمة الأنابيب النانوية الكربونية والأساليب التي تستخدم المقاومة المغناطيسية للأنفاق. من بين الجيل الأول من MRAM ، تم تصنيع شريحة 128 كيلوبايت (128 × 210 بايت) بتقنية 0.18 ميكرومتر في صيف عام 2003. في يونيو 2004 ، كشفت Infineon Technologies عن نموذج أولي بسعة 16 ميجا بايت (16 × 220 بايت) مرة أخرى استنادًا إلى 0.18 ميكرومتر. تقنية. هناك نوعان من تقنيات الجيل الثاني قيد التطوير حاليًا: التبديل الحراري بمساعدة (TAS) الذي يتم تطويره بواسطة Crocus Technology ، وعزم دوران نقل الدوران (STT) الذي تعمل عليه Crocus و Hynix و IBM والعديد من الشركات الأخرى. قامت شركة Nantero ببناء نموذج أولي لذاكرة الأنبوب النانوي الكربوني الفعال 10 جيجا بايت (10 × 230 بايت) في عام 2004. ومع ذلك ، ما إذا كانت بعض هذه التقنيات ستتمكن في النهاية من الحصول على حصة سوقية كبيرة من تقنية DRAM أو SRAM أو ذاكرة فلاش ، أن ينظر إليها.
    منذ عام 2006 ، أصبحت "محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة" (استنادًا إلى ذاكرة فلاش) بسعات تتجاوز 256 جيجابايت وأداء يتجاوز بكثير الأقراص التقليدية. بدأ هذا التطور في طمس التعريف بين ذاكرة الوصول العشوائي التقليدية و "الأقراص" ، مما قلل بشكل كبير من الاختلاف في الأداء.
    بعض أنواع ذاكرة الوصول العشوائي ، مثل "EcoRAM" ، مصممة خصيصًا لمزارع الخوادم ، حيث يكون استهلاك الطاقة المنخفض أكثر أهمية من السرعة.
     
     

    enlightened  جدار الذاكرة

     

    "جدار الذاكرة" هو التفاوت المتزايد في السرعة بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة خارج شريحة وحدة المعالجة المركزية. أحد الأسباب المهمة لهذا التفاوت هو النطاق الترددي للاتصالات المحدود الذي يتجاوز حدود الشريحة. من عام 1986 إلى عام 2000 ، تحسنت سرعة وحدة المعالجة المركزية بمعدل سنوي قدره 55٪ بينما تحسنت سرعة الذاكرة بنسبة 10٪ فقط. بالنظر إلى هذه الاتجاهات ، كان من المتوقع أن يصبح زمن انتقال الذاكرة عقبة هائلة في أداء الكمبيوتر.
    تباطأت تحسينات سرعة وحدة المعالجة المركزية بشكل كبير جزئيًا بسبب الحواجز المادية الرئيسية وجزئيًا لأن تصميمات وحدة المعالجة المركزية الحالية قد اصطدمت بالفعل بجدار الذاكرة بمعنى ما. لخصت إنتل هذه الأسباب في وثيقة 2005.كما يلي :
     
    "أولاً وقبل كل شيء ، مع تقلص هندسة الرقائق وارتفاع ترددات الساعة ، يزداد تيار تسرب الترانزستور ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة والحرارة ... ثانيًا ، يتم إبطال مزايا سرعات الساعة الأعلى جزئيًا عن طريق زمن انتقال الذاكرة ، نظرًا لأن أوقات الوصول إلى الذاكرة لم تكن كذلك تمكنت من مواكبة زيادة ترددات الساعة. ثالثًا ، بالنسبة لبعض التطبيقات ، أصبحت البنى التسلسلية التقليدية أقل كفاءة مع زيادة سرعة المعالجات (بسبب ما يسمى عنق الزجاجة Von Neumann) ، مما أدى إلى زيادة تقويض أي مكاسب قد تشتريها زيادة التردد. بالإضافة إلى ذلك ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى القيود المفروضة على وسائل إنتاج الحث داخل أجهزة الحالة الصلبة ، تتزايد تأخيرات سعة المقاومة (RC) في إرسال الإشارات مع تقلص أحجام الميزات ، مما يفرض عنق الزجاجة الإضافي الذي لا تعالجه زيادة التردد "
     
    لوحظ أيضًا تأخيرات RC في إرسال الإشارات في Clock Rate مقابل IPC: نهاية الطريق للهندسة المعمارية الدقيقة التقليدية التي تقدم متوسط ​​12.5 ٪ كحد أقصى من المتوسط ​​السنوي لتحسين أداء وحدة المعالجة المركزية بين عامي 2000 و 2014.
    هناك مفهوم آخر وهو فجوة أداء الذاكرة والمعالج ، والتي يمكن معالجتها بواسطة رقائق الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد التي تقلل المسافة بين الجوانب المنطقية والذاكرة المتباعدة في شريحة ثنائية الأبعاد. يتطلب تصميم النظام الفرعي للذاكرة التركيز على الفجوة التي تتسع بمرور الوقت. الطريقة الرئيسية لسد الفجوة هي استخدام ذاكرات التخزين المؤقت ؛ كميات صغيرة من الذاكرة عالية السرعة التي تحتوي على العمليات والتعليمات الحديثة بالقرب من المعالج ، مما يؤدي إلى تسريع تنفيذ تلك العمليات أو التعليمات في الحالات التي يتم استدعاؤها بشكل متكرر. تم تطوير مستويات متعددة من التخزين المؤقت من أجل التعامل مع اتساع الفجوة ، ويعتمد أداء أجهزة الكمبيوتر الحديثة عالية السرعة على تقنيات التخزين المؤقت المتطورة. يمكن أن يمنع ذلك فقدان أداء المعالج ، حيث يستغرق وقتًا أقل لإجراء الحساب الذي بدأ لإكماله. يمكن أن يكون هناك فرق يصل إلى 53٪ بين زيادة سرعة المعالج والسرعة المتأخرة للوصول إلى الذاكرة الرئيسية.