Bộ nhớ trong hệ thống máy tính1. Giới thiệu :
Bộ nhớ hệ thống là nơi mà máy tính giữ chương trình và dữ liệu hiện tại đang được sử dụng , bới vì yêu cầu tăng sức mạnh của hệ thống , nên bộ nhớ hệ thống yêu cầu có tốc độ đọc /ghi nhanh , tính ổn định cao , dung lượng lớn . Ngày nay PC có dung lượng bộ nhớ , và tốc độ cao hơn nhiều so với những máy tính đầu tiên ra đời năm 1980 .
2. Bộ nhớ Cache L1
Bộ nhớ Cache L1 , được thiết kế bên trong CPU và được dùng để lưu trữ tạm thời những lệnh và dữ liệu được tổ chức thành những khối 32 byte . Bộ nhớ Cache L1 có tốc độ nhanh nhất để lưu trữ . Nó được bên trong CPU và có trạng thái chờ bằng 0 để truyền dữ liệu tới những Execution Unit của CPU . Nó có dung lượng hạn chế vì kích thước lớn , cũng như mức tiêu thụ điện năng cao hơn so với bộ nhớ RAM hệ thống thông thường .
Bộ nhớ Cache L1 dùng RAM tĩnh SRAM (Static RAM : nó có thời gian truy cập nhanh nhất và không cần chu kì làm tươi – refresh ) , nó có dung lượng cỡ 16KB bên trong CPU đầu tiên mà tích hợp bộ nhớ L1.
SRAM cơ bản dùng 02 transitor cho một bit và lưu dữ liệu không cần thêm sự trợ giúp nào khác trong suốt quá trình có nguồn cung cấp . Transistor thứ hai điwuf khiển đầu ra của Transistor đầu tiên , mạch điện này còn được gọi là Flip-flop . điều này ngược lại với RAM động – DRAM (dynamic RAM) chúng yêu cầu cứ một khoảng thời gian nhất định phải cần một lần làm tươi lại hệ thống nếu không thì dữ liệu bên trong sẽ bị mất .
SRAM được sản xuất tương tự như đới với CPU : tích hợp nhiều Transistor trên tấm Silicon . Mỗi một bit SRAM bao gồm 04 hoặc 06 Transitor .
Đó là nguyên nhân tại sao phải dùng nhiều chỗ hơn , giá thành cao hơn , tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với DRAM .
Bộ vi xử lí của Intel P55MMX , phát hành đầu năm 1997 , có dung lượng bộ nhớ Cache tăng lên là 32KB . AMD K6 và Cyrix M2 phát hành sau đó trong cùng năm có bộ nhớ Cache L1 là 64KB .
Mạch logic điều khiển bộ nhớ Cache thường Update dữ liệu và mã từ bộ nhớ chính của hệ thống hoặc nó cũng lưu trữ những dữ liệu mà CPU thường xuyên sử dụng với mục đích để CPU không cần truy cập tới bộ nhớ chậm của hệ thống , mà CPU có thể lấy ngay dữ liệu từ bộ nhớ Cache – nhanh hơn bộ nhớ chậm của hệ thống .
Chipset của Pentium như Triton FX ( và sau này ) hỗ trợ Cache ” Write-back ” – Dữ liệu được CPU ghi vào bộ nhớ Cache mà không ghi vào bộ nhớ chính của hệ thống cho tới khi dòng dữ liệu đó bị thay thế , nó cũng còn gọi là Copy Back – hơn là kiểu “Write-through ” – nó là kỹ thuật ghi dữ liệu từ CPU liên tục vào đồng thời cả bộ nhớ Cache và cả bộ nhớ hệ thống .
Khi sử dụng kiểu Write-back tốc độ hệ thống tăng 10% so với kiểu “Write-through”.
3. Bộ nhớ Cache L2
Bộ nhớ Cache L2 là cầu nối giữa CPU với bộ nhớ hệ thống , nó có cùng kiểu mạch logic như bộ nhớ Cache L1 – SRAM .
Bộ nhớ Cache L2 ngày trước có dung lượng 256KB hoặc 512KB , được hàn trên Mainboard kiểu khe cắm CELP (Card Edge Low Profile) hoặc kiểu COAST (cache on a stick) , như hình dưới đây :
Về sau chúng được thiết kế kiểu SIMM ( Single In-Line Memory Module) nhưng chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn .
Từ dòng Pentium Pro trở đi bộ nhớ cache L2 được tích hợp luôn bên trong bộ vi xử lí .
Mục đích của bộ nhớ Cache L2 để lưu trữ dữ liệu mà không cần thời gian trễ . Để đạt được mục đích đó giao diện Bus của CPU có phương thức truyền riêng được gọi là Burst Mode – Burst là kỹ thuật truyền dữ liệu mau lẹ mà tự động gửi khối dữ liệu một lần khi CPU chỉ cần một địa chỉ duy nhất , nó có thể cung cấp cho cả cách đọc /ghi của bộ nhớ . Cách chúng để truy cập bộ nhớ Cache L2 là phương pháp đồng bộ Pipeline Burst .
Cache đồng bộ dùng 02 kỹ thuật với mục đích để giảm trạng thái chờ của CPU xuống thấp nhất : Burst Mode là tìm kiếm trước nội dung trong bộ nhớ trước khi chúng được yêu cầu và Pipeline là một giá trị của bộ nhớ được truy cập trong bộ nhớ Cache cùng một lúc với giá trị khác được truy cập trong bộ nhớ DRAM .
Cache đồng bộ được hỗ trợ bởi Chipset như Triton , nó tăng hiệu suất hệ thống 3-5% .
Bộ nhớ Cache L2 được thiết kế bến trong Pentium Pro có tốc độ xung nhịp bằng 1/2 tốc độ xung nhịp của CPU , về sau này tốc độ này bằng tốc độ xung nhịp của CPU nên được gọi là Full-speed
4.DRAM
Chip DRAM có kích thước lớn và là hình chữ nhật , nó bao gồm những mảng nhớ được hỗ trợ mạch Logic dùng để đọc /ghi dữ liệu trong mảng nhớ và mạch điện để bảo quản dữ liệu được lưu trữ bằng cách cứ một khoảng thời gian nhát định sẽ có một tín hiệu để làm tươi nội dung được lưu trữ .
Mảng bộ nhớ được sắp xếp theo hàng và cột của những ô nhớ gọi là Wordline và Bitline tương ứng . Mỗi một ô nhớ có một vị trí duy nhất hoặc được địa chỉ hoá bằng sự giao nhau của hàng và cột .
DRAM được sản xuất tương tự như CPU dựa trên tấm Silicon và được ăn mòn bằng những mẫu để tạo ra những Transitor và tụ điện để hình thành mỗi bit . Giá thành sản xuất DRAM rẻ hơn nhiều so với CPU bì cấu trúc đơn giản và có tính chất lặp lại , do thành phần không phức tạp chỉ bao gồm có 01 tụ điện và 01 transistor cho một ô nhớ nên DRAM rẻ hơn nhiều và dùng một nửa số lượng Transitor so với SRAM .
Về sau cấu trúc của ô nhớ được thay đổi nhiều , cho đến ngày nay cấu trúc của DRAM bao gồm :
- Sense Amplifier : dùng để khuyếch đại tín hiệu .
- Address Logic được dùng để chọn hàng và cột .
- RAS – Row Address Select và CAS – Column Address Select : để chọn địa chỉ hàng và địa chỉ cột để bắt đầu quá trình đọc / ghi .
- Mạch Read/Write để đọc thông tin vào ô nhớ hoặc để lưu trữ .
- Internal Counter hoặc thanh ghi để lưu giữ dấu vết của quá trình làm tươi bộ nhớ hoặc để bắt đầu chu kì làm tươi bộ nhớ nếu cần .
- Output Enable : mạch logic để cho phép tín hiệu ra hoặc không cho phép tín hiệu ra .
Transistor làm nhiệm vụ như một khoá đóng mở ( On hoặc Off ) . Trong DRAM mỗi một Transistor giữ giá trị một bit , nếu Transistor mở và có dòng điện chạy qua thì đó là 1 , nếu đóng và không có dòng điện chạy qua thì giá trị đó là 0 . Có một tụ điện để lưu giữ giá trị của Bit nhưng nó lại bị phóng điện nên dữ liệu sẽ bị mất , chính vì thế cần có một mạch điện để khôi phục trạng thái đang có của Bit gọi là mạch làm tươi (refresh) và đó chính là nguyên nhân dọi là RAM động . Tốc độ làm tưới rất nhanh cỡ ns và đó chính là tốc độ của RAM . Đối với những máy tính Pentium ngày trước tốc độ của DRAM là 60ns và 70ns.
5. Fast Page Mode DRAM – FPM DRAM
Tất cả kiểu bộ nhớ được địa chỉ mảng của những hàng và những cột , những bit riêng rẽ được lưu trữ của mỗi ô của mảng . Chuẩn DRAM hoặc FPM DRAM , mà có thời gian truy cấp 60ns hoặc 70ns , phần quản lí bộ nhớ đọc dữ liệu làm theo những quá trình thứ tự sau :
- Đầu tiên xác định hàng của mảng .
- Xác định cột chính xác .
- Xét tính hợp lệ của dữ liệu.
- Truyền dữ liệu tới hệ thống .
- Cột chở về trạng thái chờ lúc này CPU cũng bắt đầu chờ để bộ nhớ kết thúc quá trình truyền dữ liệu
Khi bộ đệm dữ liệu đầu ra ở trạng thái đóng thì bộ nhớ tiếp theo được tiếp tục truy cập . Điểm tốt nhất của FPM DRAM đạt được có biểu đồ thời gian 5-3-3-3 có nghĩa là đọc thành phần đầu tiên của dữ liệu mất 5 chu kì xung nhịp , bao gồm 4 cho trạng thái chờ và 03 thành phần tiếp theo mỗi thành phần mất 03 chu kì xung nhịp .
Tốc độ của DRAM được cải thiện , cùng với quá trình sản xuất cũng như xử lí với kích thước của tưng ô nhớ nên người ta có thể tích hợp nhiều ô nhớ hơn trong một đơn vị diện tích nên cấu trúc của DRAM cũng thay đổi , ví dụ như EDO RAM (Extended Data Out)
6.EDO RAM
EDO DRAM có tốc độ truy cập 60ns và 50ns . 60ns là chậm nhất nó dùng tốc độ Bus là 66MHz ( Pentium 100 và cao hơn ) , Chipset Triton HX và VX có thể thuận lợi hơn với kiểu 50ns . EDO không yêu cầu Cột trở về trạng thái chờ và phần đệm đầu ra đóng trước khi truyền dữ liệu tiếp theo được bắt đầu , nó có biểu đồ thời gian 5-2-2-2 với tốc độ Bus 66MHz xét về lí thuyết nhanh hơn 27% so với FPM DRAM.
Kiểu Burst EDO DRAM (BEDO DRAM ) cho phép EDO DRAM có thể xử lí 04 địa chỉ trong một lần Burst . Không như SDRAM , BEDO DRAM chỉ có thể đồng bộ với xung nhịp của CPU trong một thời gian ngắn ( Burst ) và nó không thể giũ nhịp cùng với CPU vì nó chạy nhanh hơn 66MHz.
Cùng với DRAM bao gồm FPM và EDO việc truy cập vào DRAM bắt đầu thông qua phần điều khiển bộ nhớ . Phần điều khiển phải chờ để dữ liệu đã sẵn sàng rồi mới gửi đi . BEDO loại trừ trạng thái chờ nên tốc độ của hệ thống được tăng lên , nó có biểu thời gian là 5-1-1-1 khi dùng Chipset hỗ trợ .
Trên thực tế BEDO hiệu quả cao hơn EDO và EDO hiệu quả cao hơn FPM . Từ khi có phần điều khiển bộ nhớ riêng biệt thì SDRAM (Synchronous DRAM) lại xuất hiện để thay thế những dòng sản phẩm trước .
7.SDRAM – Synchronous DRAM
Bộ nhớ SDRAM làm việc hoàn toàn khác với những loại RAM trước đó . Nó khai thác hầu hết những quá trình truy cập bộ nhớ một cách liên tục và thiết kế của nó để tìm tất cả những Bit nhanh nhất có thể được .
Trong Chip nhớ SDRAM có Bộ đếm cho phép phần địa chỉ cột tăng lên rất nhanh để giúp cho việc tăng tốc độ đọc trong bộ nhớ . Phần điều khiển bộ nhớ cung cấp vị trí và kích thước của khối bộ nhớ và SDRAM cung cấp những Bit nhanh nhất khi CPU dùng đến chúng . Dùng xung nhịp đồng hồ để đồng bộ Timing của Chip nhớ với đồng hồ của CPU ( gọi là Synchronous ) .
Đặc điểm này của SDRAM có nhiều thuận lợi hơn so với những bộ nhớ trước đó , những bộ nhớ kiểu không đồng bộ (asynchronous) , nó cho phép dữ liệu truyền với tốc độ xung nhịp đồng hồ 100MHz . Trong kiểu Burst truyền dữ liệu bắt đầu thì tất cả những Bit được truyền đi với thời gian 10ns
Trong kiểu SDRAM quá trinh đọc/ghi diễn ra một cách liên tục , có nghĩa là Chip nhớ chấp nhận lệnh mới trước khi kết thúc xử lí một lệnh trước đó ( kiểu này gọi là Pipeline ) . Khi quá trình Pipeline khi ghi , lệnh ghi có thể ngay lập tức tiếp theo một lệnh khác mà không cần chờ để dữ liệu được ghi xong vào mảng nhớ .
Trong quá trinh Pipeline đọc , dữ liệu được yêu cầu sẽ xuất hiện sau một số xung nhịp đồng hồ cố định sau khi có lệnh đọc . Nó không cần chờ để dữ liệu xuất hiện trước khi lệnh tiếp theo được gửi đến .
Thời gian trễ trong bộ nhớ để có dữ liệu được yêu cầu xuất hiện gọi là Latency , nó là tham số quan trọng khi chúng ta đi mua SDRAM.
SDRAM được giới thiệu năm 1997 và cho tới năm 2000 nó thay thế tất cả các loại DRAM trước đó bởi vì có tốc độ cao hơn và Latency thấp hơn .
SDRAM có kiểu DIMM (Dual In-Line Memory Module) 168 chân cho máy tính để bàn và kiểu SODIMM (Small Outline Dual In-Line Memory Module) 144 chân cho máy tính xách tay
SDRAM có tốc độ xung nhịp đồng hồ từ 66MHz , 100MHz và 133MHz
8. PC133 SDRAM
PC133 SDRAM là dòng SDRAM cuối cùng , nó có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ 1.6GBps trong khi đó tốc độ truyền dữ liệu của các bộ nhớ hiện thời lúc đó cao nhất là 800MBps . Đầu năm 1999 một số nhà sản xuất Chipset khác không phải của Intel quyết định hỗ trợ cho bộ nhớ PC133 SDRAM .
Đầu năm 2000 , hãng NEC bắt đầu đưa ra mẫu bộ nhớ SDRAM với dung lượng 128MB và 256MB mà sử ụng công nghệ VCM (Virtual Channel Memory) , được giới thiệu lần đầu tiên năm 1997 . Công nghệ VCM trong SDRAM cho phép bộ nhớ làm việc với tốc đọ cao và có Latency nhỏ là 2 với tốc độ xung nhịp 133MHz ( 7.5ns ) .
Cấu trúc VCM tăng hiệu quả của Bus nhớ và hiệu suất hơn bất kì công nghệ DRAM trước đó , nó cung cấp những thanh ghi tĩnh tốc độ cao để kết nối với nhân bộ nhớ và chân I/O , kết quả làm giảm Latency và giảm công suất tiêu thụ .
Do sự chậm trễ của việc phát hành bộ nhớ RAMBus nên vào giữa năm 2000 , Intel cũng phát hành Chipset 815/815E để hỗ trợ PC133 SDRAM
9. DDR SDRAM – Double Data Rate (DDR) SDRAM
DDR SDRAM là một kiểu công nghệ khác với mục đính tăng cường hiệu suất trong quá trình chuyền dữ liệu , nó liên quan trực tiếp đến hệ thống FSB . Bộ nhớ DDR và những lệnh thực hiện trong Bus trong cùn một lúc mà không có phần nào phải chờ phần kia .
Trước kia , những thiết bị logic đồng bộ , dữ liệu được truyền đi khi có sườn lên của xung nhịp đồng hồ , nghĩa là lúc chuyển từ 0 lên 1 trong đồng hồ , hoặc sườn xuống của xung nhịp đồng hồ .
Nhưng đối với bộ nhớ DDR nó cho phép việc truyền dữ liệu cả hai sườn lên và xuống của xung nhịp đồng hồ vì thế mà tốc độ truyền dũ liệu tăng gấp đôi trong khi không tăng tần số của xung nhịp đồng hồ .
Trong cuối năm 1999 bộ nhớ DDR được thiết kế cùng với Card đồ hoạ của nVidia GeForce 256 3D . Trong khi đó Intel chậm trễ khi sử dụng công nghệ truyền dữ liệu này đối với bộ nhớ RAM của hệ thống trên Mainboard . Cuối năm 2000 , là năm thành công rực rỡ của AMD khi họ giới thiệu bộ nhớ DDR-DRAM cho Mainboard Socket A .
Trong khi đó Intel mới đưa dòng Pentium III và sử dụng bộ nhớ PC133 SDRAM ra thị trường , hãng sản xuất Chipset VIA không như vậy họ đưa ra thị trường Chipset Pro266 hỗ trợ DDR-SDRAM.
Vào đầu năm 2001 , bộ nhớ DDR có một viễn cảnh sáng lạn và Intel quay trở lại để phát triển Chipset hỗ trợ cho bộ nhớ DDR cùng với sự xuất hiện của Chipset i845 vào giữa năm 2001 .
Bộ nhớ DDR có ưu thế lớn về việc truyền dữ liệu , nó truyền dữ với tốc độ gấp hai lần so với tốc độ Bus . Ví dụ DDR266 gửi và nhận dữ liệu gấp hai so với tốc độ Bus 133MHz , kết qủa là 266MT/s (million transfers per second) . Thông thường bộ nhớ DDR có 200MT/s với tốc độ Bus là 100MHz được gọi là DDR200 , với 333MT/s ( Bus 166MHz ) gọi là DDR333 ….
Chúng ta cũng có thể thấy trên nhãn của bộ nhớ DDR cũng ghi như PC1600 chính là độ tốc độ truyền dữ liệu cao nhất 1600 MBps ==> 100MHz x 2 x 8 byte ( 64 bit ) , hay được gọi là DDR200.
PC2700 là tốc độ truyền dữ liệu cao nhất 2700 MBps ==> 133 MHz x 2 x 8 được gọi là DDR266.
10 Dual-Channel DDR
Trên thực tế dùng từ Dual-channel DDR là dùng nhầm từ mà nó chỉ là Dual-channel platform .
Khi được dùng thích hợp Dual-Channel , liên quan đến Chipset Mainboard của DDR mà được thiết kế để dùng 02 kênh nhớ như là một kênh . Hai kênh điều khiển quá trình xử lí bộ nhớ hiệu quả hơn bằng cách dùng một lí thuyết băng thống hoặc 02 module như thế làm giảm Latency ( thời gian trễ ).
Ví dụ một phần điều khiển đọc và ghi trong khi phần điều khiển thứ hai chuẩn bị truy cập dữ liệu tiếp theo , nó loại trừ thời gian trễ do Reset hoặc Setup dữ liệu mà xảy ra khi có 01 thanh nhớ dùng kiểu Single khi quá trình Read/Write kết thúc .
Bộ nhớ Single-channel cung cấp dữ liệu tới CPU kèm theo một “phễu” có tốc độ 64-bit trong một thời gian . Dual-channel dùng 02 “phễu ” có khả năng truyền dữ liệu gấp hai lần , 128-bit trong một thời gian . Chip điều khiển bộ nhớ sẽ điều khiển việc truyền dữ liệu trong thẻ nhớ qua những “phễu” ngăn ngừa quá trình dữ liệu bị quá tải .
Theo đánh giá một cách tương đối thì cấu trúc Dual-channel có thể tăng băng thông lên 10% .
Vấn đề chính của hệ thống hỗ trợ bộ nhớ Dual-channel có thể đặt cấu hình ở kiểu nhớ Single-channel hoặc Dual-channel . Trên thực tế Mainboard hỗ trợ bộ nhớ Dual-channel không bảo đảm rằng cài đặt RAM sẽ dùng được trong kiểu Dual-Channel .
Để dùng được kiểu Dual-channel thì bạn phải theo yêu cầu sau :
- Mainboard có hỗ trợ khe cắm RAM dùng chế độ Dual – Channel
- Số lượng thanh RAM phải là số chẵn , ít nhất là 02 thanh RAM
- RAM sử dụng cho chế độ Dual – Channel phải : giống nhau hoàn toàn , không được khác bất kì gì thậm trí cả nơi sản xuất .
