Bộ nhớ trong của máy tính
4.2BỘ NHỚ CHÍNH BÁN DẪN
Các kiểu bộ nhớ bán dẫn truy cập ngẫu nhiên
Tất cả các kiểu bộ nhớ được khảo sát trong phần này thuộc về loại truy cập ngẫu nhiên. Tức là từng word nhớ được truy cập trực tiếp qua luận lý định địa chỉ.
Các kiểu bộ nhớ bán dẫn chính gồm cĩ: - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) - Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình (PROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình cĩ thể xĩa được (EPROM) - Bộ nhớ flash
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình cĩ thể xĩa được về mặt điện tử (EEPROM)
Trong số các kiểu bộ nhớ nĩi trên, RAM là loại bộ nhớ phổ biến nhất. Một đặc tính nổi bật của RAM là cĩ thể đọc dữ liệu từ bộ nhớ và dễ dàng, nhanh chĩng ghi dữ liệu mới vào bộ nhớ. Cả việc đọc và ghi đều được thực hiện thơng quaviệc sử dụng tín hiệu điện tử.
Một đặc tính nổi bật khác của RAM là khả biến. Bộ nhớ RAM phải luơn được cung cấp một nguồn điện khơng đổi. Nếu nguồn điện bị ngắt, dữ liệu sẽ mất đi. Vì lý do đĩ, RAM chỉ cĩ thể dùng làm nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời.
Cơng nghệ RAM được chia thành hai nhĩm: tĩnh và động. Một RAM động được chế tạo với các ơ lưu trữ dữ liệu như cách tích điện trong tụ điện. Sự tồn tại hay biến mất của điện tích trong tụ điện được thơng dịch thành các giá trị nhị phân 1 và 0. Do các tụ điện cĩ khuynh hướng tự nhiên là giải điện, các RAM động cần sự làm tươi điện tích theo chu kỳ để duy trì dữ liệu. Trong một RAM tĩnh, các
giá trị nhị phân được lưu trữ bằng cách sử dụng các cấu hình cổng luận lý mạch lật truyền thống. Một RAM tĩnh sẽ lưu giữ liệu cho đến khi nào nguồn điện cịn được cung cấp cho nĩ.
Cả RAM tĩnh và động đều khả biến. Một ơ nhớ động đơn giản hơn một ơ nhớ tĩnh. Do vậy, một RAM động trù mật hơn và ít tiền hơn một RAM tĩnh tương ứng. Mặt khác, RAM động địi hỏi sự hỗ trợ làm tươi mạch. Với những lượng bộ nhớ lớn hơn, phí tổn cố định cho việc làm tươi mạch được đền bù nhiều hơn phí tổn giành cho các DRAM. Như vậy RAM động cĩ khuynh hướng thích hợp cho các yêu cầu về bộ nhớ lớn. Điểm cuối cùng chúng ta cần lưu ý là RAM tĩnh nĩi chung nhanh hơn RAM động.
Trong mối tương phản rõ nét với RAM làbộ nhớ chỉ đọc(ROM). ROM bao gồm một khuơn mẫu bền vững của dữ liệu khơng thể thay đổi. Trong khi chúng ta cĩ thể đọc dữ liệu từ ROM, việc ghi vào ROM dữ liệu mới khơng thể thực hiện được. Một ứng dụng của ROM là vi lập trình. Ngồi ra các ứng dụng khác của ROM gồm:
- Các chương trình con thư viện cho các hàm thường xuyên được sử dụng.
- Các chương trình hệ thống - Các bảng hàm
Với một yêu cầu cĩ kích thước khiêm tốn, lợi điểm của ROM là dữ liệu được lưu trữ bền vững trong bộ nhớ chính và khơng cần phải tải lên từ một thiết bị lưu trữ phụ.
Một ROM được tạo ra như một chip mạch tích hợp thơng thường với dữ liệu được đưa vào trong chip trong quá trình in mạch. Điều này dẫn đến hai bài tốn:
- Bước chèn dữ liệu cĩ chi phí tương đối lớn, cho dù một hay hàng ngàn bản sao của một ROM cụ thể sẽ được in ra.
- Lỗi trong quá trình sản xuất là khơng thể chấp nhận được. Chỉ cần một bit bị sai, tồn bộ lơ ROM phải bị hủy bỏ.
Khi chỉ cần một lượng tương đối nhỏ ROM với nội dung bộ nhớ đặc biệt, một lựa chọn ít tốn kém hơn là ROM khả trình (PROM). Giống như ROM, PROM khơng khả biến và chỉ cĩ thể ghi được đúng một lần. Với PROM, quá trình ghi được thực hiện một cách điện tử và do một nhà cung cấp đảm nhiệm chứ khơng nhất thiết phải là nhà sản xuất chip ban đầu. Các trang thiết bị đặc biệt sẽ được sử dụng cho quá trình ghi hay “lập trình”. PROM mang lại sự linh hoạt và tiện lợi trong khi ROM vẫn thu hút các đơn đặt hàng cĩ số lượng lớn.
Một biến thể khác của bộ nhớ chỉ đọc là bộ nhớ hầu như chỉ đọc. Loại bộ nhớ này cĩ ích cho các ứng dụng trong đĩ thao tác đọc thường xuyên hơn thao tác ghi, vốn cần đến khả năng lưu trữ bất biến. Cĩ ba dạng phổ biến của bộ nhớ hầu như chỉ đọc là EPROM, EEPROM và bộ nhớ flash.
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình xĩa được bằng quang học (EPROM) được đọc/ghi một cách điện tử như với PROM. Tuy nhiên, trước một thao tác ghi, tất cả các ơ lưu trữ phải được xĩa về trạng thái khởi động ban đầu bằng cách đưa chip đã đĩng gĩi qua nguồn bức xạ tia cực tím. Quá trình xĩa này cĩ thể được thực hiện lập đi lập lại, mỗi lần xĩa mất khoảng 20 phút. Do vậy, EPROM cĩ thể thay đổi được nhiều lần và cũng như với ROM hay PROM, nĩ cĩ thể lưu trữ nhiều loại dữ liệu khác nhau. EPROM thường đắt tiền hơn PROM nhưng cĩ lợi thế ở khả năng cập nhật nhiều lần.
Một dạng bộ nhớ hầu như chỉ đọc khác lý thú hơn là bộ nhớ chỉ đọc khả trình xĩa được bằng điện tử (EEPROM). Với bộ nhớ này, dữ liệu cĩ thể được ghi vào mà khơng cần phải tiến hành quá trình xĩa trước. Thao tác ghi mất nhiều thời gian hơn so với thao tác đọc, vào khoảng vài trăm micro giây cho một byte. Bộ nhớ EEPROM kết hợp lợi điểm của tính bất biến và sự linh hoạt trong việc cập nhật tại chỗ bằng cách sử dụng các đường điều khiển, đường địa chỉ, và đường dữ liệu thơng thường. EEPROM đắt hơn nhiều so với EPROM và cũng kém trù mật hơn, hỗ trợ ít bit hơn trên mỗi chip.
Dạng mới nhất của bộ nhớ bán dẫn là bộ nhớ chớp (bộ nhớ này được đặt tên như vậy do tốc độ tái lập trình khá cao của nĩ). Được giới thiệu lần đầu tiên vào giữa thập niên 80, bộ nhớ chớp đĩng vai trị trung gian giữa EPROM và EEPROM cả về giá cả lẫn chức năng. Giống như EEPROM, bộ nhớ chớp sử dụng cơng nghệ xĩa điện tử. Một bộ nhớ chớp cĩ thể được xĩa trong vài giây, nhanh hơn nhiều so với EPROM. Ngồi ra, chúng ta cĩ thể xĩa chỉ các khối nhớ cần thiết hơn là tồn bộ chip. Tuy nhiên, bộ nhớ chớp khơng cung cấp khả năng xĩa ở mức byte. Giống như EPROM, bộ nhớ chớp chỉ sử dụng một transistor cho mỗi bit, và vì thế đạt được độ trù mật cao (so với EEPROM) của EPROM.
Tổ chức
Phần tử cơ sở của một bộ nhớ bán dẫn là ơ nhớ. Mặc dù cĩ nhiều cơng nghệ điện tử được sử dụng, tất cảc các ơ nhớ bán dẫn đều cĩ chung một số tính chất sau:
- Chúng thể hiện hai trạng thái ổn định (hay bán ổn định) cĩ thể dùng để biểu thị hai giá trị 1 và 0.
- Chúng cĩ khả năng cho phép ghi (ít nhất một lần) để thiết lập trạng thái.
- Chúng cĩ khả năng cho phép đọc để lấy trạng thái.
Một cách phổ biến, ơ nhớ cĩ ba bộ phận cuối cĩ khả năng mang tín hiệu điện tử. Bộ phận chọn chọn một ơ nhớ cho thao tác đọc/ghi. Bộ phận điều khiển chỉ ra thao tác là đọc hay ghi. Đối với thao tác ghi, một bộ phận cuối khác cung cấp một tín hiệu điện tử cho phép thiết lập trạng thái của ơ nhớ thành 0 hay 1. Đối với thao tác đọc, bộ phận cuối đĩ được sử dụng để cho ra trạng thái của ơ nhớ. Các chi tiết về tổ chức bên trong, chức năng, và định thời của ơ nhớ phụ thuộc vào cơng nghệ mạch tích hợp cụ thể được sử dụng và vượt quá phạm vi của giáo trình này. Chúng ta chỉ cần biết các ơ nhớ riêng lẻ cĩ thể được chọn cho các thao tác đọc và ghi.