BỘ NHỚ BÁN DẪN
Tính ưu việt chủ yếu của các hệ thống số so với hệ thống tương tự là khả năng lưu trữ một lượng lớn thông tin số và dữ liệu trong những khoảng thời gian nhất định. Khả năng nhớ này là điều làm cho hệ thống số trở thành đa năng và có thể thích ...
Tính ưu việt chủ yếu của các hệ thống số so với hệ thống tương tự là khả năng lưu trữ một lượng lớn thông tin số và dữ liệu trong những khoảng thời gian nhất định. Khả năng nhớ này là điều làm cho hệ thống số trở thành đa năng và có thể thích hợp với nhiều tình huống. Thí dụ trong một máy tính số, bộ nhớ trong chứa những lệnh mà theo đó máy tính có thể hoàn tất công việc của mình với sự tham gia ít nhất của con người.
Bộ nhớ bán dẫn được sử dụng làm bộ nhớ chính trong các máy tính nhờ vào khả năng thỏa mãn tốc độ truy xuất dữ liệu của bộ xử lý trung tâm (CPU).
Chúng ta đã quá quen thuộc với Fliflop, một linh kiện điện tử có tính nhớ. Chúng ta cũng đã thấy một nhóm các FF họp thành thanh ghi để lưu trữ và dịch chuyển thông tin như thế nào. Các FF chính là các phần tử nhớ tốc độ cao được dùng rất nhiều trong việc điều hành bên trong máy tính, nơi mà dữ liệu dịch chuyển liên tục từ nơi này đến nơi khác.
Tiến bộ trong công nghệ chế tạo LSI và VLSI cho phép kết hợp một lượng lớn FF trong một chip tạo thành các bộ nhớ với các dạng khác nhau. Những bộ nhớ bán dẫn với công nghệ chế tạo transistor lưỡng cực (BJT) và MOS là những bộ nhớ nhanh nhất và giá thành của nó liên tục giảm khi các công nghệ LSI và VLSI ngày càng được cải tiến.
Dữ liệu số cũng có thể được lưu trữ dưới dạng điện tích của tụ điện, và một loại phần tử nhớ bán dẫn rất quan trọng đã dùng nguyên tắc này để lưu trữ dữ liệu với mật độ cao nhưng tiêu thụ một nguồn điện năng rất thấp.
Bộ nhớ bán dẫn được dùng như là bộ nhớ trong chính của máy tính, nơi mà việc vận hành nhanh được xem như ưu tiên hàng đầu và cũng là nơi mà tất cả dữ liệu của chương trình lưu chuyển liên tục trong quá trình thực hiện một tác vụ do CPU yêu cầu.
Mặc dù bộ nhớ bán dẫn có tốc độ làm việc cao, rất phù hợp cho bộ nhớ trong, nhưng giá thành tính trên mỗi bit lưu trữ cao khiến cho nó không thể là loại thiết bị có tính chất lưu trữ khối (mass storage), là loại thiết bị có khả năng lưu trữ hàng tỉ bit mà không cần cung cấp năng lượng và được dùng như là bộ nhớ ngoài (đĩa từ , băng từ , CD ROM . . .).Tốc độ xử lý dữ liệu ở bộ nhớ ngoài tương đối chậm nên khi máy tính làm việc thì dữ liệu từ bộ nhớ ngoài được chuyển vào bộ nhớ trong.
Băng từ và đĩa từ là các thiết bị lưu trữ khối mà giá thành tính trên mỗi bit tương đối thấp. Một loại bộ nhớ khối mới hơn là bộ nhớ bọt từ (magnetic bubble memory, MBM) là bộ nhớ điện tử dựa trên nguyên tắc từ có khả năng lưu trữ hàng triệu bit trong một chip. Với tốc độ tương đối chậm nó không được dùng như bộ nhớ trong.
Chương này nghiên cứu cấu tạo và tổ chức của các bộ nhớ bán dẫn.
Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ
Để tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của bộ nhớ chúng ta bắt đầu với một số thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ
- Tế bào nhớ: là linh kiện hay một mạch điện tử dùng để lưu trữ một bit đơn (0 hay 1). Thí dụ của một tế bào nhớ bao gồm: mạch FF, tụ được tích điện, một điểm trên băng từ hay đĩa từ. . . .
- Từ nhớ : là một nhóm các bit (tế bào) trong bộ nhớ dùng biểu diễn các lệnh hay dữ liệu dưới dạng một số nhị phân. Thí dụ một thanh ghi 8 FF là một phần tử nhớ lưu trữ từ 8 bit. Kích thước của từ nhớ trong các máy tính hiện đại có chiều dài từ 4 đến 64 bit.
-Byte : từ 8 bit, đây là kích thước thường dùng của từ nhớ trong các máy vi tính.
- Dung lượng : chỉ số lượng bit có thể lưu trữ trong bộ nhớ. Thí dụ bộ nhớ có khả năng lưu trữ 4.096 từ nhớ 20 bit, dung lượng của nó là 4096 x 20, mỗi 1024 (=210) từ nhớ được gọi là “1K”, như vậy 4096 x 20 = 4K x 20. Với dung lượng lớn hơn ta dùng “1M” hay 1meg để chỉ 220 = 1.048.576 từ nhớ.
- Địa chỉ : là số nhị phân dùng xác định vị trí của từ nhớ trong bộ nhớ. Mỗi từ nhớ được lưu trong bộ nhớ tại một địa chỉ duy nhất. Địa chỉ luôn luôn được biểu diễn bởi số nhị phân, tuy nhiên để thuận tiện người ta có thể dùng số hex hay thập phân, bát phân
- Tác vụ đọc : (Read, còn gọi là fetch ), một từ nhớ tại một vị trí nào đó trong bộ nhớ được truy xuất và chuyển sang một thiết bị khác.
- Tác vụ viết :(ghi, Write, còn gọi là store), một từ mới được đặt vào một vị trí trong bộ nhớ, khi một từ mới được viết vào thì từ cũ mất đi.
- Thời gian truy xuất (access time): số đo tốc độ hoạt động của bộ nhớ, ký hiệu tACC Đó là thời gian cần để hoàn tất một tác vụ đọc. Chính xác đó là thời gian từ khi bộ nhớ nhận một địa chỉ mới cho tới lúc dữ liệu khả dụng ở ngã ra bộ nhớ
- Bộ nhớ không vĩnh cữu (volatile): Bộ nhớ cần nguồn điện để lưu trữ thông tin. Khi ngắt điện, thông tin lưu trữ bị mất. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn là loại không vĩnh cữu, trong khi bộ nhớ từ là loại vĩnh cữu (nonvolatile).
- Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random-Access Memory, RAM) : Khi cần truy xuất một địa chỉ ta tới ngay địa chỉ đó. Vậy thời gian đọc hay viết dữ liệu vào các vị trí nhớ khác nhau trong bộ nhớ không tùy thuộc vào vị trí nhớ. Nói cách khác, thời gian truy xuất như nhau đối với mọi vị trí nhớ. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn và nhẫn từ (bộ nhớ trong của máy tính trước khi bộ nhớ bán dẫn ra đời) là loại truy xuất ngẫu nhiên.
- Bộ nhớ truy xuất tuần tự (Sequential-Access Memory, SAM): Khi cần truy xuất một địa chỉ ta phải lướt qua các địa chỉ trước nó. Như vậy thời gian đọc và viết dữ liệu ở những vị trí khác nhau thì khác nhau. Những thí dụ của bộ nhớ này là băng từ, đĩa từ. Tốc độ làm việc của loại bộ nhớ này thường chậm so với bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên.
- Bộ nhớ đọc/viết (Read/Write Memory, RWM) : Bộ nhớ có thể viết vào và đọc ra.
- Bộ nhớ chỉ đọc (Read-Only Memory, ROM):là bộ nhớ mà tỉ lệ tác vụ đọc trên tác vụ ghi rất lớn. Về mặt kỹ thuật, một ROM có thể được ghi chỉ một lần ở nơi sản xuất và sau đó thông tin chỉ có thể được đọc ra từ bộ nhớ. Có loại ROM có thể được ghi nhiều lần nhưng tác vụ ghi khá phức tạp hơn là tác vụ đọc. ROM thuộc loại bộ nhớ vĩnh cữu và dữ liệu được lưu giữ khi đã cắt nguồn điện.
- Bộ nhớ tĩnh (Static Memory Devices): là bộ nhớ bán dẫn trong đó dữ liệu đã lưu trữ được duy trì cho đến khi nào còn nguồn nuôi.
- Bộ nhớ động (Dynamic Memory Devices): là bộ nhớ bán dẫn trong đó dữ liệu đã lưu trữ muốn tồn tại phải được ghi lại theo chu kỳ. Tác vụ ghi lại được gọi là làm tươi (refresh).
- Bộ nhớ trong (Internal Memory): Chỉ bộ nhớ chính của máy tính. Nó lưu trữ các lệnh và dữ liệu mà CPU dùng thường xuyên khi hoạt động.
- Bộ nhớ khối (Mass Memory): Còn gọi là bộ nhớ phụ, nó chứa một lượng thông tin rất lớn ở bên ngoài máy tính. Tốc độ truy xuất trên bộ nhớ này thường chậm và nó thuộc loại vĩnh cữu.
