Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên hay Random
Access Memory (RAM) là loại bộ nhớ thông dụng nhất được sử dụng trong
máy vi tính của chúng ta. Gọi RAM là loại truy xuất ngẫu nhiên vì ta có
thể truy xuất trực tiếp đến bất kỳ một tế bào nhớ nào nếu ta biết hàng
và cột nào giao nhau tại tế bào đó. (Hãy tưởng tượng đến bàn cờ vua, mỗi
một ô đen hoặc trắng sẽ là một tế bào nhớ). Đối lập với Ram là loại bộ
nhớ truy xuất theo thứ tự hay Serial Access Memory (SAM). SAM lưu trữ dữ
liệu trên một loạt các tế bào nhớ mà ta chỉ có thể truy xuất đến một
cách tuần tự (giống băng cát-sét). Nếu dữ liệu không nằm ở vị trí hiện
tại, mỗi tế bào nhớ sẽ được kiểm tra lần lượt cho đến khi tìm thấy. SAM
thường làm việc tốt dưới dạng các buffer nhớ, nơi dữ liệu thường được
lưu trữ và sử dụng theo thứ tự (bộ nhớ đệm dành cho các vân đồ họa trên
bo mạch đồ họa là một ví dụ). Trong khi đó, dữ liệu trên RAM có thể được
truy xuất theo thứ tự bất kỳ.
Bộ nhớ được tạo thành
bằng cách sắp xếp các bit vào một lưới 2 chiều. Ở hình trên, các điểm
màu đỏ biểu diễn 1 và trắng biểu diễn 0. Các cột sẽ được chọn và sau đó
các hàng được nạp điện để ghi dữ liệu vào cột tương ứng.
|
Những điều cơ bản về RAM
Tương tự như bộ vi xử lý (BVXL), chip nhớ cũng là một mạch tích
hợp (IC) được làm từ hàng triệu bóng bán dẫn (transitor) và tụ
điện. Đối với loại bộ nhớ thông dụng nhất trên máy vi tính, bộ
nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM), một bóng bán dẫn và một tụ
điện đi đôi với nhau để tạo thành một tế bào nhớ. Tụ điện sẽ giữ
bit thông tin 0 hoặc 1. Bóng bán dẫn hoạt động như một ngắt để
mạch điều khiển trên chip nhớ đọc hoặc thay đổi trạng thái của
tụ điện.
Một tụ điện giống như một thùng
nước nhỏ có thể chứa các điện tử. Để lưu 1 vào tế bào nhớ, thùng
nước này sẽ được đổ đầy các điện tử. Để lưu 0, thùng nước sẽ
được làm rỗng. Tuy nhiên, thùng nước có một khuyết điểm là nó có
một lỗ thủng. Trong khoảng vài mili giây, một thùng nước đầy sẽ
trở nên trống rỗng. Do đó, để bộ nhớ động làm việc, hoặc là CPU
hoặc là bộ điều khiển bộ nhớ phải nhanh chóng nạp lại tất cả các
tụ điện đang chứa 1 trước khi nó phóng điện. Để làm được việc
này, bộ điều khiển sẽ đọc lại nội dung nhớ rồi ghi nó vào lại.
Quá trình làm tươi này tự động diễn ra hàng ngàn lần trong một
giây. Và chính quá trình này tạo nên phần "động" cho RAM. Ram
động phải được làm tươi một cách liên tục nếu không nó sẽ "quên"
mọi thứ nó đang giữ. Mặt hạn chế của quá trình làm tươi là nó sẽ
mất một khoảng thời gian để thực hiện và điều này có thể làm
giảm tốc độ của bộ nhớ. |
Các tế bào nhớ được khắc
lên một bánh silicon theo một dãy các cột (bitlines) và các hàng (wordlines).
Điểm giao của một bitline và một wordline tạo thành địa chỉ của tế bào
nhớ.
DRAM hoạt động bằng cách
gửi dòng nạp điện qua cột phù hợp (CAS) để kích hoạt bóng dẫn tại mỗi
bit trong cột. Khi ghi, các hàng sẽ chứa trạng thái mà tụ điện đã mang.
Khi đọc, một bộ khuếch đại hướng sẽ xác định mức nạp điện trong tụ điện.
Nếu hơn 50%, nó sẽ đọc là 1. Ngược lại, nó sẽ đọc là 0. Một bộ đếm sẽ
theo dõi trình tự làm tươi dựa trên hàng nào được truy xuất theo thứ tự
nào. Quãng thời gian để làm tất cả việc này là rất nhỏ, do đó nó được
biểu diễn bằng đơn vị nano giây (hàng tỉ của giây). Một chip nhớ được
đánh giá 70ns nghĩa là nó sẽ mất 70 nano giây để hoàn tất quá trình đọc
và nạp lại điện cho mỗi tế bào.
Các tế bào nhớ đơn độc
sẽ là vô dụng nếu không có cách lấy được thông tin vào và ra của chúng.
Do đó, các tế bào nhớ có một bộ hỗ trợ toàn vẹn trên các mạch chuyên
dụng khác. Những mạch này làm chức năng:
Nhận biết hàng và cột (chọn
địa chỉ hàng và địa chỉ cột).
Theo dõi trình tự làm
tươi (bộ đếm).
Đọc và lưu tín hiệu từ
tế bào (bộ khuếch đại hướng).
Bảo tế bào xem có nên
nhận dòng nạp hay không (bật ghi).
Các chức năng khác của
bộ điều khiển bộ nhớ bao gồm các tác vụ xác định loại, tốc độ, dung
lượng bộ nhớ và kiểm tra lỗi.
RAM tĩnh (SRAM) sử dụng
một công nghệ hoàn toàn khác. Các bit của bộ nhớ được giữ dưới dạng các
con bật. Một con bật cho tế bào nhớ tốn 4 hoặc 6 bóng bán dẫn cùng một
vài dây dẫn. Và chúng không cần được làm tươi. Nhờ vậy, tốc độ của RAM
tĩnh nhanh hơn rất nhiều so với RAM động. Tuy nhiên, vì nó cần đến nhiều
thành phần nên tế bào bộ nhớ tĩnh chiếm nhiều không gian trên chip hơn
là tế bào bộ nhớ động. Do đó, trên cùng một chip, chúng ta có ít bộ nhớ
hơn. Dẫn đến việc chế tạo RAM tĩnh tốn nhiều chi phí hơn.
Như vậy, RAM tĩnh nhanh
và đắt tiền. Ram động rẽ nhưng chậm hơn. Ram tĩnh thường được dùng để
chế tạo các bộ đệm nhạy tốc độ cho CPU. Trong khi RAM động thường dùng
làm không gian nhớ chính cho hệ thống.
