หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก Chapter 5 หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก ANGKANA

หัวข้อการเรียนรู้  หน่วยความจำหลักแบบเซมิคอนดักเตอร์ - การจัดโครงสร้าง - DRAM และSRAM - ประเภทของ ROM - โครงสร้างภายในชิพ - การบรรจุชิพ - การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน  ดิสก์แม่เหล็ก - กลไกในการอ่านและบันทึกข้อมูลบนสื่อแม่เหล็ก - การจัดโครงสร้างของข้อมูล และการฟอร์แมท - คุณลักษณะทางกายภาพ - ค่าประกอบประสิทธิภาพของดิสก์ ANGKANA

บทนำ บทนี้เริ่มต้นด้วย การอธิบายระบบหน่วยความจำแบบเซมิคอนดักเตอร์แบบ ROM, DRAM และSRAM รวมไปถึงโครงสร้างภายในชิพ การบรรจุชิพ การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน ตลอดจนการตรวจสอบอุปกรณ์ที่นำมาใช้เป็นหน่วยความจำภายนอก คือดิสก์แม่เหล็ก (magnetic disk) หรือที่เรียกกันติดปากว่า ฮาร์ดดิสก์ (harddisk) ซึ่งฮาร์ดดิสก์เป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่นำมาใช้เป็นหน่วยความจำภายนอกสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ทุกขนาด

หน่วยความจำหลักแบบเซมิคอนดักเตอร์ คอมพิวเตอร์ในยุคแรก ๆ สิ่งที่นำมาใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับบันทึกข้อมูลหน่วยความจำหลัก คือ เฟอร์โรแม็กเนติก (ferromagnetic) ที่ทำเป็นรูปวงแหวน และนำมาเรียงเป็นแถวซึ่งเรียกว่า “core” และทำให้หน่วยความจำถูกเรียกว่า “memory core” มาจนถึงในปัจจุบัน ต่อมาได้นำเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) มาใช้เป็นหน่วยความจำหลักแทน และใช้มาจนถึงทุกวันนี้

หน่วยความจำหลักแบบเซมิคอนดักเตอร์ เฟอร์โรแม็กเนติก (ferromagnetic) ที่ทำเป็นรูปวงแหวน และนำมาเรียงเป็นแถวซึ่งเรียกว่า “core” และทำให้หน่วยความจำถูกเรียกว่า “memory core” มาจนถึงในปัจจุบัน

การจัดโครงสร้าง หน่วยย่อยเล็กที่สุดของเซมิคอนดักเตอร์เรียกว่า เซลล์หน่วยความจำ (memory cell) โดยมีคุณลักษณะพื้นฐานที่เหมือนกัน คือ  เซลล์มีสถานะที่เสถียรสองสถานะ ซึ่งนำมาใช้แทนความหมายบิต “0” และบิต “1”  เซลล์สามารถที่จะถูกทำให้เปลี่ยนสถานะ (write) ได้  เซลล์สามารถถูกตรวจสอบสถานะ (read) ได้

รูปแสดงการทำงานของเซลล์หน่วยความจำ การจัดโครงสร้าง รูปแสดงการทำงานของเซลล์หน่วยความจำ

DRAM และ SRAM จัดอยู่ในประเภท “random access” คือข้อมูลแต่ละ word ในหน่วยความจำสามารถถูกอ้างอิง (อ่านหรือบันทึก) ได้โดยตรง ผ่านสายสัญญาณที่นำมาใช้ในการกำหนดตำแหน่งข้อมูลที่ต้องการ คุณลักษณะที่สำคัญของแรมสองประการคือ 1. สามารถอ่านหรือบันทึกข้อมูลได้อย่างง่ายดายและรวดเร็วด้วยการใช้สัญญาณไฟฟ้า 2. ข้อมูลที่เก็บอยู่นั้นเป็นการเก็บไว้ชั่วคราว หน่วยความจำแรมจะต้องได้รับพลังงานไฟฟ้ามาป้อนอยู่อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา เมื่อใดก็ตามที่พลังงานไฟฟ้าหายไป ข้อมูลทั้งหมดที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำก็จะหายไปในทันที

ตารางแสดงประเภทของหน่วยความจำเซมิตอนดักเตอร์ หน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ ตารางแสดงประเภทของหน่วยความจำเซมิตอนดักเตอร์

Dynamic RAM หน่วยความจำชนิด dynamic RAM หรือ DRAM ประกอบด้วยเซลล์ที่ใช้เก็บข้อมูลที่ใช้วิธีการอัดประจุไฟฟ้าเข้าไปเก็บไว้ในตัวคาปาซิเตอร์ (capacitor) แล้วใช้แทนความหมายบิต “0” หรือบิต “1” dynamic คือ คุณลักษณะที่จะต้องมีการอัดประจุไฟฟ้าให้อยู่เสมอ

รูปแสดงโครงสร้างเซลล์หน่วยความจำแบบทั่วไป Dynamic RAM รูปแสดงโครงสร้างเซลล์หน่วยความจำแบบทั่วไป

Static RAM Static RAM จัดว่าเป็นอุปกรณ์ดิจิตอล ที่มีการจัดเตรียมอุปกรณ์ภายในเป็นลักษณะเดียวกับโครงสร้างของโปรเซสเซอร์ ใน SRAM ค่าไบนารี่ (“0” หรือ “1”) จะถูกเก็บไว้ด้วย flip-flop logic gate ซึ่งสามารถเก็บค่าไว้ในตัวเองได้นานตราบเท่าที่มีพลังงานไฟฟ้าป้อนให้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องอาศัยการถ่ายเทประจุไฟฟ้าเหมือนกับที่เกิดขึ้นใน DRAM Static RAM – 32k x 8 bit .3” Wide, 20ns Static RAM -32k x 8 bit, .6” Wide, 70ns

การเปรียบเทียบระหว่าง SRAM กับ DRAM ทั้ง static และ dynamic แรมสามารถเก็บข้อมูลได้เพียงชั่วคราว DRAM นั้นมีโครงสร้างที่ง่ายกว่าและมีขนาดเล็กกว่า SRAM จึงสามารถบรรจุจำนวนเซลล์ต่อพื้นที่ได้มากกว่า ทำให้มีราคาถูกกว่า SRAM ที่มีขนาดความจุเท่า ๆ กัน DRAM จำเป็นจะต้องมีวงจรสำหรับการกระตุ้น (refresh cycle) เป็นระยะ ๆ อย่างสม่ำเสมอ SRAM มีความเร็วในการทำงานสูงกว่า DRAM โดย ระบบคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่นำ DRAM มาใช้เป็นหน่วยความจำหลัก และนำ SRAM ใช้เป็นหน่วยความจำ cache

ประเภทของ ROM ROM (Read Only Memory) ประกอบด้วยข้อมูลที่ถูกบันทึกไว้เป็นการถาวร ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้ ROM จึงไม่จำเป็นต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าในการจัดเก็บข้อมูล  โปรแกรมที่มีการเรียกใช้โดยโปรแกรมอื่น ๆ อยู่เป็นประจำ  โปรแกรมระบบ  ตารางข้อมูลเกี่ยวกับฟังก์ชัน ข้อดีของ ROM คือ การที่ข้อมูลหรือโปรแกรมถูกจัดเก็บไว้อย่างถาวรในหน่วยความจำจึงไม่มีความจำเป็นต้องถูกอ่านขึ้นมาจากอุปกรณ์ไอโอภายนอก ซึ่งจะต้องเสียเวลาเป็นอย่างมาก

ประเภทของ ROM programmable ROM หรือ PROM เป็น ROM ขนาดเล็กเพื่อการบันทึกข้อมูลในปริมาณไม่มากนัก โดยสามารถบันทึกข้อมูลได้แบบถาวร อย่างไรก็ตาม การบันทึกข้อมูลลงใน PROM จำเป็นต้องใช้เครื่องมือพิเศษ และชิพแต่ละตัวก็สามารถบันทึกข้อมูลลงได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้น

ประเภทของ ROM EPROM (Erasable PROM) สามารถบันทึกข้อมูล และนำมาใช้อ่านได้ในภายหลัง ก่อนการบันทึกข้อมูลชิพประเภทนี้จะถูกนำมา “ล้าง” ข้อมูลทั้งหมดโดยการอาบตัวชิพด้วยแสงอัลตร้าไวโอเลตผ่านช่องหน้าต่างขนาดเล็กบนตัวชิพ จากนั้นจึงนำมาบันทึกข้อมูลลงไปด้วยเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ ข้อมูลที่บันทึกแล้วก็จะเป็นข้อมูลที่ถูกฝังอยู่ในชิพตลอดไป หรือจนกว่าจะถูกนำมาล้างและบันทึกข้อมูลใหม่

ประเภทของ ROM EEPROM (Electronically EPROM) มีความสามารถในการบันทึกข้อมูลใหม่ลงไปได้ โดยไม่จำเป็นต้องลบข้อมูลเก่าทิ้งไปก่อน นั่นคือสามารถเลือกลบข้อมูลทีละไบต์หรือทีละหลายไบต์ที่ต้องการได้

ประเภทของ ROM flash memory จะใช้เทคโนโลยีลบข้อมูลด้วยสัญญาณไฟฟ้า และใช้ทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวในการเก็บข้อมูลหนึ่งบิต ทำให้สามารถบรรจุหน่วยความจำไว้ในชิพตัวหนึ่งได้เป็นจำนวนมาก

โครงสร้างภายในชิพ ในภาพรวมของโครงสร้างลำดับชั้นของหน่วยความจำ จะมีข้อดีข้อเสียระหว่างความเร็ว ความจุ และราคา สามารถนำมาใช้พิจารณาการจัดวางโครงสร้างและฟังก์ชันตรรกะของเซลล์ภายในชิพได้เช่นเดียวกัน สำหรับหน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ สิ่งที่นำมาใช้พิจารณาเป็นหลักในการออกแบบคือ จำนวนบิตที่สามารถอ่านหรือบันทึกข้อมูลได้ในแต่ละครั้ง แนวทางหนึ่งของการออกแบบคือ การสร้างชิพให้มีจำนวนบิตเท่ากับจำนวนบิตใน word ข้อมูลที่มีการอ้างอิงถึงของโปรเซสเซอร์ หน่วยความจำจะมีโครงสร้างเป็นแถวที่มีขนาด B บิต จำนวน W word

รูปแสดงหน่วยความจำขนาด 16 Megabit DRAM (4M×4) โครงสร้างภายในชิพ รูปแสดงหน่วยความจำขนาด 16 Megabit DRAM (4M×4)

รูปแสดงการบรรจุเซมิคอนดักเตอร์ลงในชิพและขาสัญญาณต่าง ๆ การบรรจุชิพ รูปแสดงการบรรจุเซมิคอนดักเตอร์ลงในชิพและขาสัญญาณต่าง ๆ

การบรรจุชิพ ชิพขนาด 8 Mbit ที่จัดโครงสร้างแบบ 1M × 8 ในกรณีนี้เรียกว่า one-word-per-chip ซึ่งประกอบด้วยขา 32 ขา ทำหน้าที่ดังนี้  บอกตำแหน่งของ word ที่ต้องการอ้างอิง สำหรับชิพขนาด 1 M word จะต้องใช้จำนวน 20 ขา คือหมายเลข A0-A19 (220 = 1M)  ข้อมูลที่ถูกอ่านจะส่งผ่านออกมาทางสาย 8 เส้น คือหมายเลข D0-D7  สายไฟฟ้าสำหรับให้พลังงาน (power line) จำนวน 1 เส้น หมายเลข Vcc  สายดิน (ground) จำนวน 1 เส้น หมายเลข Vss

การบรรจุชิพ  สายกระตุ้นให้ชิพทำงาน (chip enable:CE) เนื่องจากในระบบประกอบด้วยชิพมากกว่า 1 ตัว ซึ่งต่างก็เชื่อมต่อเข้ากับสายบัสบอกตำแหน่งชุดเดียวกัน สาย CE จึงนำมาใช้ในการกำหนดตัวชิพที่ได้รับอนุญาตให้ทำงาน สาย CE นี้ถูกควบคุมโดยบิตที่อยู่ในสายสัญญาณบัสบอกตำแหน่ง  สาย Vpp ซึ่งเป็นสายสัญญาณที่ถูกบังคับโดยคำสั่งในโปรแกรม ผู้ใช้ สำหรับการสั่งให้บันทึกข้อมูล

รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 256 Kbytes การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 256 Kbytes

รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 1 Mbyte การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 1 Mbyte

หน่วยความจำภายนอก ดิสก์แม่เหล็ก ดิสก์สร้างขึ้นมาจากวัสดุที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก เป็นรูปจานกลมเรียบ เรียกว่า แกน (substrate) แล้วนำมาเคลือบด้วยสารเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ในปัจจุบันได้หันมาใช้แกนที่ทำจากแก้ว ซึ่งคุณสมบัติที่เหนือกว่า คือ  แก้วมีผิวที่เรียบกว่าโลหะชนิดอื่น จึงช่วยให้การฉาบสารแม่เหล็กนั้นมีความเรียบมากกว่าทำให้แผ่นดิสก์มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น  ช่วยลดความผิดพลาดทางการผลิต ทำให้การบันทึกข้อมูลและการอ่านข้อมูลมีข้อผิดพลาดน้อยลง

หน่วยความจำภายนอก ดิสก์แม่เหล็ก  สามารถสนับสนุนอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติ fly height ลดลง ทำให้มีความเที่ยงตรงในการทำงานมากขึ้น  มีความแข็งมากกว่า ช่วยในการลดอาการแกว่งตัวของดิสก์  มีความทนทานต่อแรงสั่นสะเทือน และรอยขูดขีดมากกว่า

กลไกในการอ่านและบันทึกข้อมูลบนสื่อแม่เหล็ก ข้อมูลถูกบันทึกลงบนแผ่นดิสก์ และสามารถอ่านกลับมาใช้งานได้ในภายหลัง โดยผ่านอุปกรณ์เรียกว่า หัวอ่าน/เขียนข้อมูล (head) ซึ่งมักจะแยกออกจากกันเป็น หัวอ่านข้อมูล (read head) และหัวบันทึกข้อมูล (write head) ใน ระหว่างที่มีการอ่านหรือบันทึก ข้อมูล หัวอ่านหรือบันทึกข้อมูล จะนิ่งอยู่กับที่ ในขณะที่ แผ่นดิสก์นั้นจะหมุนไปเรื่อย ๆ อยู่ข้างใต้

รูปแสดงหัวอ่านเขียนข้อมูล กลไกในการอ่านและบันทึกข้อมูลบนสื่อแม่เหล็ก รูปแสดงหัวอ่านเขียนข้อมูล

การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท หัวอ่าน/บันทึกข้อมูล จัดเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สามารถอ่านข้อมูลหรือบันทึกข้อมูลลงบนแผ่นดิสก์ที่หมุนรอบตัวเองได้ การทำงานในลักษณะนี้ทำให้การบันทึกข้อมูลบนแผ่นดิสก์มีลักษณะเป็นวงแหวนขนาดต่าง ๆ ซึ่ง เรียกว่า ร่องบันทึกข้อมูล (tracks) ซึ่งมีขนาดเท่ากับ หัวอ่าน/บันทึกข้อมูล โดยปกติมี จำนวนร่องบันทึกข้อมูลนับพัน ร่องต่อแผ่นดิสก์หนึ่งด้าน

รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์ การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์

รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์สองแบบ การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์สองแบบ

รูปแสดงรูปแบบร่องบันทึกข้อมูลแบบ Winchester (Seagate ST506) การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท รูปแสดงรูปแบบร่องบันทึกข้อมูลแบบ Winchester (Seagate ST506)

คุณลักษณะทางกายภาพ แผ่นดิสก์จะถูกยึดติดไว้กับตัวขับดิสก์ (disk drive) ซึ่งประกอบด้วยแขนกลที่มีหัวอ่าน/บันทึกติดอยู่ มีแกนกลางซึ่งใช้เป็นตัวหมุนดิสก์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้สำหรับการบันทึกหรืออ่านข้อมูล ดิสก์ที่ติดตั้งแบบถาวร (non-removable disk) นั้นแผ่นดิสก์จะเป็นส่วนหนึ่งของตัวขับดิสก์ ไม่สามารถแยกจากกันได้ สำหรับดิสก์ส่วนใหญ่จะฉาบสารแม่เหล็กไว้ทั้งสองด้านของแผ่นดิสก์ ทำให้สามารถบันทึกข้อมูลได้ทั้งสองด้านซึ่งเรียกว่า “double sided” ในขณะที่ดิสก์รุ่นเก่าบางชนิดจะเป็นแบบด้านเดียวหรือ “single-sided”

รูปแสดงส่วนประกอบของตัวขับดิสก์ คุณลักษณะทางกายภาพ รูปแสดงส่วนประกอบของตัวขับดิสก์

รูปแสดงร่องบันทึกข้อมูล และไซลินเดอร์ คุณลักษณะทางกายภาพ รูปแสดงร่องบันทึกข้อมูล และไซลินเดอร์

คุณลักษณะทางกายภาพ โดยทั่วไปหัวอ่าน/บันทึกจะถูกวางในตำแหน่งที่คงที่ซึ่งลอยอยู่เหนือแผ่นดิสก์เพียงเล็กน้อย (ช่องว่างนี้เรียกว่า air gap) การที่หัวอ่าน/บันทึก ลอยอยู่เหนือแผ่นดิสก์นั้น ทำให้หัวจะต้องสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้แรงเพียงพอที่จะมีผลต่อการบันทึกข้อมูลลงบนผิวของแผ่นดิสก์ และจะต้องมีความไวเพียงพอในการสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่ ผิวได้ในขณะที่อ่านข้อมูล ดังนั้นความสัมพันธ์ ระหว่างความหนาแน่นของข้อมูล และช่องว่าง air gap คือ ถ้าช่องว่างนั้นมีขนาดแคบลงก็จะทำให้ ความกว้างของร่องบันทึกแคบลงไปด้วย ทำให้มี ปริมาณความจุข้อมูลสูงขึ้น

รูปแสดงแกนเวลาการทำงานของการถ่ายเทข้อมูล ค่าประกอบประสิทธิภาพของดิสก์ รายละเอียดในการทำงานไอโอของดิสก์นั้น ขึ้นอยู่กับระบบคอมพิวเตอร์ ระบบปฏิบัติการ และคุณลักษณะของช่องสื่อสารไอโอและหน่วยควบคุมดิสก์ รูปแสดงแกนเวลาการทำงานของการถ่ายเทข้อมูล

เวลาค้นหา (Seek time) เวลาค้นหา หมายถึง ระยะเวลาที่ตัวขับดิสก์ใช้ในการเคลื่อนหัวอ่าน/บันทึก จากตำแหน่งที่อยู่ในขณะนั้นไปยังตำแหน่งร่องบันทึกข้อมูลที่ต้องการ เวลาค้นหาประกอบด้วยสองส่วนคือระยะเวลาขั้นต้นที่เริ่มขยับแขนกล และระยะเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนหัวอ่าน/บันทึกข้ามร่องบันทึกข้อมูลต่าง ๆ เมื่อแขนกลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

คำถามท้ายบท จงเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่าง SRAM กับ DRAM ประเภทของ ROM มีกี่ประเภท อะไรบ้าง จงอธิบาย double sided แตกต่างจาก single-sided อย่างไร

The End