หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก

งานนำเสนอเรื่อง: "หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก
Chapter 5 หน่วยความจำภายใน และหน่วยความจำภายนอก ANGKANA

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

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

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

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

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

7 รูปแสดงการทำงานของเซลล์หน่วยความจำ
การจัดโครงสร้าง รูปแสดงการทำงานของเซลล์หน่วยความจำ

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

9 ตารางแสดงประเภทของหน่วยความจำเซมิตอนดักเตอร์
หน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์ ตารางแสดงประเภทของหน่วยความจำเซมิตอนดักเตอร์

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

11 รูปแสดงโครงสร้างเซลล์หน่วยความจำแบบทั่วไป
Dynamic RAM รูปแสดงโครงสร้างเซลล์หน่วยความจำแบบทั่วไป

12 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

13 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

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

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

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

17 ประเภทของ ROM EEPROM (Electronically EPROM) มีความสามารถในการบันทึกข้อมูลใหม่ลงไปได้ โดยไม่จำเป็นต้องลบข้อมูลเก่าทิ้งไปก่อน นั่นคือสามารถเลือกลบข้อมูลทีละไบต์หรือทีละหลายไบต์ที่ต้องการได้

18 ประเภทของ ROM flash memory จะใช้เทคโนโลยีลบข้อมูลด้วยสัญญาณไฟฟ้า และใช้ทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวในการเก็บข้อมูลหนึ่งบิต ทำให้สามารถบรรจุหน่วยความจำไว้ในชิพตัวหนึ่งได้เป็นจำนวนมาก

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

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

21 รูปแสดงการบรรจุเซมิคอนดักเตอร์ลงในชิพและขาสัญญาณต่าง ๆ
การบรรจุชิพ รูปแสดงการบรรจุเซมิคอนดักเตอร์ลงในชิพและขาสัญญาณต่าง ๆ

22 การบรรจุชิพ ชิพขนาด 8 Mbit ที่จัดโครงสร้างแบบ 1M × 8 ในกรณีนี้เรียกว่า one-word-per-chip ซึ่งประกอบด้วยขา 32 ขา ทำหน้าที่ดังนี้  บอกตำแหน่งของ word ที่ต้องการอ้างอิง สำหรับชิพขนาด 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

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

24 รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 256 Kbytes
การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 256 Kbytes

25 รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 1 Mbyte
การจัดวางโครงสร้างชิ้นส่วน รูปแสดงการจัดโครงสร้างหน่วยความจำขนาด 1 Mbyte

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

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

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

29 รูปแสดงหัวอ่านเขียนข้อมูล
กลไกในการอ่านและบันทึกข้อมูลบนสื่อแม่เหล็ก รูปแสดงหัวอ่านเขียนข้อมูล

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

31 รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์
การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์

32 รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์สองแบบ
การจัดโครงสร้างของข้อมูลและการฟอร์แมท รูปแสดงแผนการวางข้อมูลบนแผ่นดิสก์สองแบบ

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

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

35 รูปแสดงส่วนประกอบของตัวขับดิสก์
คุณลักษณะทางกายภาพ รูปแสดงส่วนประกอบของตัวขับดิสก์

36 รูปแสดงร่องบันทึกข้อมูล และไซลินเดอร์
คุณลักษณะทางกายภาพ รูปแสดงร่องบันทึกข้อมูล และไซลินเดอร์

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

38 รูปแสดงแกนเวลาการทำงานของการถ่ายเทข้อมูล
ค่าประกอบประสิทธิภาพของดิสก์ รายละเอียดในการทำงานไอโอของดิสก์นั้น ขึ้นอยู่กับระบบคอมพิวเตอร์ ระบบปฏิบัติการ และคุณลักษณะของช่องสื่อสารไอโอและหน่วยควบคุมดิสก์ รูปแสดงแกนเวลาการทำงานของการถ่ายเทข้อมูล

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

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

41 The End