หน่วยความจำหลัก (Main Memory) Introduction to Computer Science (88612159)

ข้อมูล กับ หน่วยความจำ หน่วยความจำเป็นส่วนประกอบพื้นฐาน ของคอมพิวเตอร์ที่ทำหน้าที่ในการเก็บ ข้อมูลและคำสั่ง ข้อมูลและคำสั่งอยู่ในรูปแบบบิต (bit) ย่อมาจาก binary digit หมายถึง เลขฐานสองจํานวนหนึ่งหลัก bit เป็น หน่วยข้อมูลที่เล็กที่สุด 1 bit อยู่สถานะใดสถานะหนึ่งในสอง สถานะคือ 0 และ 1

ข้อมูล กับ หน่วยความจำ ภาพ เสียง อักขระ หรือตัวเลขใดๆ ก็ ตามจะจัดเก็บอยู่ในรูปแบบของ เลขฐานสองเสมอ (binary numeral system) เลขฐานสอง สามารถคำนวณได้ อุปกรณ์ที่ใช้ในการจัดเก็บบิตจึงต้องมี สองสภาวะด้วย เช่น สวิตซ์ มีสองสถานะคือ ปิด และ เปิด สภาวะเปิด แทนด้วย 1 และสภาวะ ปิดแทนด้วย 0 หน่วยประมวลผล หน่วยควบคุม และ หน่วยความจำบางชนิดใช้วงจรทาง ลอจิก

ตรรกศาสตร์ (Logic) “ตรรกศาสตร์ คือ ปรัชญาสาขาที่ว่าด้วยการ วิเคราะห์และตัดสินความสมเหตุสมผลใน การอ้างเหตุผล”   1. Proposition Logic ประพจน์ (Proposition ) คือ ประโยคที่ บอกได้ว่า จริง (true) หรือ เท็จ (false) เช่น “พระอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันตก” 2. Predicate Logic เช่น P(x) = x > 3, ถ้า x มีค่ามากกว่า 3 จะ ทำให้ P(x) เป็นจริง

พีชคณิตบูลีน (Boolean Algebra) พีชคณิตบูลีน (Boolean Algebra) เป็นส่วน หนึ่งในเรื่องทางคณิตศาสตร์ที่ใช้วิเคราะห์ ปัญหาทางตรรกะ (Logic) คิคค้นโดยนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ จอร์จ บูล (George Boole) การดำเนินการทางตรรกะ (Boolean operation) ได้แก่ Unary operator  NOT Binary operator  AND, OR และ XOR (Exclusive OR) แทน Logic ด้วยเลขฐานสองได้ 0 แทน เท็จ 1 แทน จริง

ตัวดำเนินการทางตรรกะ (Boolean Operators) Formal Name Nickname Symbol Negation NOT ⌐ Conjunction AND ˄ Disjunction OR ˅ Exclusive-OR XOR ⊕

NOT operation ตาราง Logic NOT p ⌐p 1 ให้ p เป็นประพจน์ 0 คือ เท็จ 1 ให้ p เป็นประพจน์ 0 คือ เท็จ 1 คือ จริง ตัวดำเนินการ “นิเสธ” ทำหน้าที่เปลี่ยนค่า ให้เป็นในทางตรงกันข้าม

AND operation ตาราง Logic AND p q p ˄ q ให้ p และ q เป็นประพจน์ 1 ให้ p และ q เป็นประพจน์ เป็น 1 เมื่อ ประพจน์ทุกประพจน์มีค่าเป็น 1 เป็น 0 เมื่อ ประพจน์บางประพจน์มีค่าเป็น 0

OR operation ตาราง Logic OR p q p ˅ q ให้ p และ q เป็นประพจน์ 1 ให้ p และ q เป็นประพจน์ เป็น 1 เมื่อ ประพจน์บางประพจน์มีค่าเป็น 1 เป็น 0 เมื่อ ประพจน์ทุกประพจน์มีค่าเป็น 0

XOR operation ตาราง Logic XOR p q p ⊕ q ให้ p และ q เป็นประพจน์ 1 ให้ p และ q เป็นประพจน์ เป็น 1 เมื่อ ประพจน์บางประพจน์มีค่า ต่างกัน เป็น 0 เมื่อ ประพจน์ทุกประพจน์มีค่า เหมือนกัน

การเข้าถึงข้อมูลในหน่วยความจำ 1. การเข้าถึงแบบเรียงลำดับ (Sequence Access) หน่วยความจำจะเก็บข้อมูลเป็น เรคคอร์ด (Recode) เรียงติดกันทำให้ต้องเข้าถึงข้อมูล แบบเรียงตามลำดับ กลไกในการอ่านและเขียนจะต้องเคลื่อน จากตำแหน่งเริ่มต้นไปยังตำแหน่งข้อมูลที่ ต้องการตามลำดับ ไม่สามารถข้ามตำแหน่งใดๆ ได้ หรือเข้าถึง ตำแหน่งที่ต้องการโดยตรงนั้นทำได้ยาก เนื่องจากหน่วยความจำจะมีตำแหน่งที่อยู่ (Address) ซ้ำกัน จึงไม่สามารถค้นหาข้อมูล ได้โดยตรง เช่น เทปแม่เหล็ก (Magnitic Tape)

การเข้าถึงข้อมูลในหน่วยความจำ 2. การเข้าถึงข้อมูลโดยตรง (Direct Access) จัดเก็บข้อมูลไว้เป็นเรคคอร์ด หรือ บล็อค (Block) แต่ละบล็อคจะมีตำแหน่งที่อยู่ที่ไม่ซ้ำกัน การเข้าถึงจะเริ่มต้นจากการเคลื่อนที่ไปยัง ตำแหน่งบล็อคที่ใกล้กับตำแหน่งข้อมูลที่ ต้องการก่อน จากนั้นจึงใช้วิธีการค้นหาตำแหน่งที่ต้องการ แบบเรียงลำดับจนกว่าจะพบ ทำให้เวลาเข้าถึงข้อมูลจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งใน การเข้าถึงข้อมูลก่อนหน้า เช่น หน่วยความจำฮาร์ดดิสก์ (Hard disk)

การเข้าถึงข้อมูลในหน่วยความจำ 3. การเข้าถึงข้อมูลแบบสุ่ม (Random Access) สามารถเข้าถึงข้อมูลตามตำแหน่งที่อยู่ได้ ทันที ตำแหน่งที่อยู่จะไม่ซ้ำกัน เวลาในการเข้าถึงข้อมูลจึงคงที่ เช่น หน่วยความจำหลัก และหน่วยความจำ แคชบางประเภท

หน่วยความจำ (Memory) แบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ ๆ คือ 1. หน่วยความจำแบบหน่วยเก็บลบ เลือนได้ (volatile storage) รักษาข้อมูล ได้เฉพาะเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลเวียน อยู่เท่านั้น 2. หน่วยความจำประเภทหน่วยเก็บลบ เลือนไม่ได้ (non-voltile storage) สามารถรักษาข้อมูลได้อย่างถาวรแม้ เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

หน่วยความจำหลัก (Main Memory) 1. ROM (Read Only Memory) 2. RAM (Random Access Memory)

1. ROM (Read Only Memory) เป็นหน่วยความจำแบบหน่วยเก็บลบเลือน ไม่ได้ หน่วยความจำที่อ่านข้อมูลออกมาใช้ได้ อย่างเดียว ถูกสร้างโดยบริษัทผู้ผลิตเครื่อง คอมพิวเตอร์ ใช้เก็บโปรแกรมที่จำเป็นต่อการใช้งาน คอมพิวเตอร์เอาไว้อย่างถาวร และไม่ ต้องการเปลี่ยนแปลง เช่น คำสั่งของโปรแกรมปฏิบัติการเบื้องต้น โปรแกรมที่ใช้ในการทำงานของเครื่อง คอมพิวเตอร์ เมื่อเราทำการเปิดเครื่อง หรือ โปรแกรมที่ใช้ควบคุมการทำงานของ อุปกรณ์

PROM (Programmable ROM) เซลล์เก็บข้อมูลแต่ละเซลล์จะมีฟิวส์ (fused) ต่ออยู่ เป็นหน่วยความจำที่ข้อมูลที่ต้องการ โปรแกรมจะถูกโปรแกรม โดยผู้ใช้เอง โดยป้อนพัลส์แรงดันสูง (High voltage pulsed) ไอซี พรอมที่ยังไม่ถูกโปรแกรมนั้น ข้อมูลทุก เซลล์หรือทุกบิตจะมีค่าเท่ากันหมด คือ มี ลอจิกเป็น 1 เมื่อได้มีการโปรแกรมโดยป้อนแรงดันไฟสูง ๆ เข้าไปจะทำให้เซลล์บางเซลล์ฟิวส์ขาดไป ทำให้ตำแหน่งที่เซลล์นั้นต่ออยู่มีลอจิกเป็น 0 เมื่อพรอมถูกโปรแกรมแล้ว ไม่สามารถ เปลี่ยนแปลงข้อมูลภายในได้ ใช้ในงานที่ใช้ความเร็วสูง

EPROM (Erasable Programmable ROM) สามารถลบข้อมูลหรือโปรแกรมข้อมูลใหม่ ได้ โดยการให้สัญญาณที่มีแรงดันสูง (High voltage signal) ผ่านเข้าไปในตัวอีพรอม ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่ใช้ในพรอม หน่วยความจำประเภทนี้มี 2 ประเภท ยูวีพรอม (UV PROM) โปรแกรมทำได้โดย การป้อนค่าแรงดันไฟฟ้า และ ลบข้อมูล ด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต อีอีพรอม (Electrical Erasable PROM, EEPROM) ลบและโปรแกรมข้อมูลได้ด้วย กระแสไฟฟ้า

2. RAM (Random Access Memory) เป็นหน่วยความจำแบบหน่วยเก็บลบ เลือนได้ หน่วยความจำชั่วคราว ใช้เก็บข้อมูลที่ ผู้ใช้ป้อนคำสั่งของโปรแกรมและข้อมูล เพื่อให้ CPU ประมวลผล สามารถที่จะอ่านหรือเขียนข้อมูลและ คำสั่งลงไปได้หลายครั้ง แบ่งออกเป็นสองประเภทคือ 2.1 หน่วยความจำสถิต (Static RAM : SRAM) 2.2 หน่วยความจำพลวัต (Dynamic RAM : DRAM)

2.1 Static RAM เก็บข้อมูลได้ตลอดเวลาในขณะที่มี กระแสไฟฟ้าเลี้ยงอยู่ จัดเก็บข้อมูลโดยใช้วงจร Gate หลายๆ วงจรประกอบกัน เรียกว่า วงจร flip-flop วงจร flip-flops จะให้ผลลัพธ์เป็น 0 หรือ 1 อย่างใดอย่างหนึ่ง ผลลัพธ์หรือข้อมูลออกของวงจรจะมีค่า เป็น flip หรือ flop ตามการกระตุ้นจาก สัญญาณภายนอก สถานะจะคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าจะ ได้รับการกระตุ้น กล่าวคือ จะเก็บข้อมูลนั้นๆ ไว้ จนกว่าจะ สั่งให้ Refresh

วงจร Logic ปัจจุบันได้นำ Boolean Algebra ในการ ออกบบวงจร Logic มีส่วนประกอบพื้นฐาน คือ ลอจิกเกต (Logic gate) การทำงานของ Logic gate พื้นฐาน เช่น NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR เป็นพื้นฐานในการสร้างวงจร Logic ที่ซับซ้อนขึ้น

หลักการเบื้องต้นของวงจร Logic ในทางดิจิตอลจะใช้แทนด้วย 0 กับ 1 การแทน Logic นั้นจะมีการแบ่งระบบ สัญญาณ Logic อยู่ 2 แบบ 1. Positive Logic เป็นระบบ Logic ที่มี สัญญาณลอจิก “1” หรือ “สูง” หรือ “High” (H) ต้องมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นบวก 2. Negative Logic เป็นระบบ Logic ที่มี สัญญาณลอจิก “0” หรือ “ต่ำ” หรือ “Low” (L) ต้องมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นลบ

GATE Gate คือ อุปกรณ์ที่รับค่า input เพื่อ ดำเนินการทางตรรกะ และให้ output Gate ต่าง ๆ ที่ใช้ในดิจิตอล คอมพิวเตอร์นั้นจะผลิตออกมาในรูป ของอุปกรณ์แบบวงจรรวม (integrated circuit : IC) วงจร Gate เป็นหน่วยพื้นฐาน วงจรทาง อิเล็กทรอนิกส์ ประกอบด้วย เช่น ตัว ความต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด ทรานซิสเตอร์

GATE ให้สามารถทำงานแทนการคำนวณ ทางตรรกะได้ 0 กับ 1 คือ ระดับแรงดันไฟฟ้า 1 คือ กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 0 คือ กระแสไหลไฟฟ้าไม่ไหลผ่าน วงจร Gate พื้นฐาน (แบบง่าย) วงจร อนุกรม (AND), วงจรขนาน (OR) นำวงจร Gate มาต่อกัน เป็นวงจรที่ ซับซ้อนขึ้น

AND gate Gate ที่ให้ Output เป็น Logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input ทุกตัวเป็น Logic 1 และ จะให้ Output เป็น Logical 0 เมื่อ Input ตัวใดตัวหนึ่งหรือทุกตัวเป็น Logical 0 วงจรอนุกรม สัญลักษณ์ของ AND gate

OR gate Gate ที่ให้ Output เป็น Logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input ตัวใดตัวหนึ่งหรือทุก ตัวเป็น Logic 1 และจะให้ Output เป็น Logical 0 ก็ต่อเมื่อ Input ทุกตัว เป็น Logical 0 วงจรขนาน สัญลักษณ์ของ OR gate

NOT gate หรือ Inverter Gate ที่ให้ Output เป็น Complement ของ Input

EXCLUSIVE-OR gate Gate ที่ให้ Output เป็น Logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input มี Logic ต่างกัน และจะ ให้ Output เป็น Logical 0 เมื่อ Input มี Logical เหมือนกัน สัญลักษณ์ของ XOR gate

สัญลักษณ์ของ NAND gate Gate ที่ให้ Output เป็น Logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input ตัวใดตัวหนึ่งหรือทุกตัว เป็น Logic 0 และจะให้ Output เป็น Logical 0 ก็ต่อเมื่อ Input ทุกตัวเป็น Logical 1 N สัญลักษณ์ของ NAND gate

NOR gate Gate ที่ให้ output เป็น logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input ทุกตัวเป็น logic 0 และ จะให้ output เป็น logical 0 เมื่อ Input ตัวใดตัวหนึ่งหรือทุกตัวเป็น logical 1 N สัญลักษณ์ของ NOR gate

EXCLUSIVE-NOR gate (Comparators) Gate ที่ให้ Output เป็น Logical 1 ก็ ต่อเมื่อ Input มี Logic เหมือนกัน และจะให้ Output เป็น Logical 0 เมื่อ Input มี Logical ต่างกัน

ตัวอย่าง วงจร Flip-flop ถ้า p=1 q=0 output เป็น 1 ข้อมูลจุดอื่นคงที่ เปลี่ยน p จาก 1 เป็น 0 output ยังคงเป็น 1 ข้อมูลจุดอื่นคงที่ เปลี่ยน q จาก 0 เป็น 1 output เป็น 0 ข้อมูลจุดอื่นคงที่ เปลี่ยน q จาก 1 เป็น 0 output ยังคงเป็น 0 p q

สัญญาณนาฬิกา (Clock Pulse : CK) สัญญาณนาฬิกา เป็นตัวกระตุ้น (Trigger) เปลี่ยนจาก 0 เป็น 1 และ จาก 1 เป็น 0 ในการกระตุ้นการ ทํางานของวงจรอื่นๆ และการ ทํางานของวงจร flip-flop สัญญาณรูปสี่เหลี่ยม (Square Wave)

2.1 Static RAM เมื่อนําวงจร flip-flop หลายวงจรมา ประกอบเข้าด้วยกัน จะทำให้ หน่วยความจำสามารถจัดเก็บบิตได้ มากขึ้นและใช้แทนความหมายของ ข้อมูลได้มากขึ้น หน่วยความจำนี้สร้างจากสารกึ่งตัวนํา มีความเร็วสูงและมีราคาสูง ในเครื่องคอมพิวเตอร์จึงใช้เฉพาะจุดที่ จำเป็นเท่านั้น เช่น ใช้เป็น หน่วยความจำลําเลียง (cache) เป็นต้น หน่วยความจำที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้ เรียกว่า Static RAM

Exercises จากวงจรต่อไปนี้ หากข้อมูลออกเป็น 1 ข้อมูล เข้าเป็นอะไร? 1

2.2 Dynamic RAM หน่วยความจำที่เก็บข้อมูลในตัวเก็บ ประจุ (Capacitor) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการเก็บประจุ (charge) และสามารถคายประจุ (discharge) ตัวเก็บประจุ สร้างขึ้นจากการนํา แผ่นโลหะซึ่งเป็นสารตัวนำสองแผ่น วางขนานกันโดยมีระยะห่างเพียง เล็กน้อย โลหะแต่ละแผ่นเรียกว่า plate และมี ขั้วสำหรับต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้า ระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองจะถูกกั้น ด้วยฉนวน (อากาศ)

2.2 Dynamic RAM การเก็บประจุ (charge) http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/ 2/hydraulic-pump/hydraulic-pump11.htm

2.2 Dynamic RAM การคายประจุ (discharge) http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews /2/hydraulic-pump/hydraulic-pump11.htm

2.2 Dynamic RAM มีประจุไฟฟ้าเก็บอยู่ ข้อมูลจะมี สถานะเป็น 1 ไม่มีประจุไฟฟ้าเก็บอยู่ ข้อมูลจะมี สถานะเป็น 0 เนื่องจากตัวเก็บประจุสามารถคาย ประจุผ่านอากาศได้ ต้องมีการ Refresh ตลอดเวลา เพื่อเก็บข้อมูล ให้คงอยู่ เนื่องจากต้อง refresh ตัวเองอยู่ ตลอดเวลานี้เองจึงเป็นเหตุให้ได้ชื่อ ว่า Dynamic RAM

ข้อแตกต่างระหว่าง SRAM และ DRAM Static RAM Dynamic RAM ทำงานได้เร็ว ทำงานได้ช้า ใช้พลังงานสูง ใช้พลังงานต่ำ ข้อมูลคงอยู่ตลอดขณะที่มีกระแสไฟฟ้า ข้อมูลคงอยู่ต้อง refresh เป็นระยะ ขนาดใหญ่ ขนาดเล็ก ความจุข้อมูล (bit) ต่อพื้นที่น้อย ความจุข้อมูล (bit) ต่อพื้นที่มาก ราคาแพง ราคาถูก

การจัดหน่วยความจำ (Memory organization) ในหน่วยความจำหลักจะแบ่งเป็น Cell ที่มีขนาด 8 บิต หรือ 1 ไบต์ (msb) (lsb)

การจัดหน่วยความจำ (Memory organization) ในการอ้างอิงหน่วยความจำไบต์ใด ต้อง ระบุตำแหน่ง (Address) ยังสามารถเปรียบเทียบตำแหน่งได้ด้วย  pointer ใน ภาษา C 1 cell เก็บได้ 8 บิต หากต้องการเก็บข้อมูล มากกว่า 8 บิต ต้องใช้เนื้อที่เก็บต่อเนื่องกัน และอ้างอิงตำแหน่งเริ่มต้นเพียงไบต์เดียว เข้าถึงข้อมูลแบบ Random access

การจัดหน่วยความจำ (Memory organization) ตัวอย่างการจัดเก็บ ข้อมูลชนิดจำนวน เต็ม (integer) ต้องใช้หน่วยความจำขนาด 4 bytes int a = 10; ระบบจะกันพื้นที่ 4 byte ใช้เก็บจำนวน เต็ม int ตำแหน่งที่ a เป็นต้นไป สิ่งที่ เก็บในหน่วยความจำคือเลขฐานสอง