篇名 : 作者 : 宋建翰 市立內湖高工 電子科三年忠班 李鎮宇 市立內湖高工 電子科三年忠班 指導老師 : 王儒彬老師 - 0 -
壹 前言 記憶體是什麼呢? 它是電腦用來儲存程式與資料的元件 如果說軟體是硬體的靈魂, 那麼電腦的 CPU 與記憶體就是軟體的資源和發揮舞台 記憶體種類其實可以分得非常細, 主要分為兩大類 :RAM 或 ROM RAM 是隨機存取記憶體, 它的特性就是可讀可寫, 裡面的資料可任意修改 變更或抹除 一般電腦內可供程式使用的記憶體就是 RAM, 用來載入程式與檔案 資料供其運用 ROM 則是唯讀記憶體之簡稱 ROM 內的資料只能讀取, 不能被更改或抹除 RAM 還可分為 DRAM 跟 SRAM,ROM 則還可分為 PROM MASK ROM EPROM 等 在看完這些簡介後, 你是否也對記憶體的世界產生了一種強烈的興趣呢? 接下來就我來帶領你去環遊記憶體的世界吧! 貳 正文 只要打開電腦, 電腦中的資料或程式, 都需要靠記憶體 Memory 來暫時儲存管理 所以記憶體可以說是電腦系統中的最佳倉儲管理員 記憶體其實不止一種, 按功能又可分成 ROM (Read Only Memory) 唯讀記憶體 Flash Memory 快閃記憶體以及 RAM (Read Access Memory) 隨機存取記憶體等三種 一 工作原理 記憶體的構造相當簡單, 它是由許許多多可反覆充電的小型電晶體組成的 每一個小型電晶體會呈現帶電與沒帶電的狀態, 電晶體帶電時的狀態代表 "1", 電晶體沒帶電時的狀態代表 "0" 來記錄所記載的資料 ( 註一 ), 記憶體的相關工作原理模擬詳見圖一 安裝在電腦系統內記憶體的多寡與所使用的 CPU 有著密不可分的關係, 因為隨著 CPU 的讀寫頻寬之不同, 苦安裝後的記憶體讀寫頻寬總數沒有達到 CPU 的寫頻寬時, 則電腦系統將無法開機 圖一 工作原理模擬圖 記憶體的工作原理 http://www.khjh.kh.edu.tw/1223/a3.htm ( 檢索日期 2009/01/10) - 1 -
1. 記憶體的種類 它的內部是一個矩陣式的電路, 每一個直行橫列所交叉的一個點就代表著記憶體內的一個 bit, 每一個 bit 的位置儲存一個電位, 所以只要輸入適當的行 列位址, 就可以存取到該位址的資料 由於這一些資料可以隨時存取 修改, 所以稱之為 Random Access Memory, 此一類型的記憶體是電腦內主要使用的記憶體 A. RAM (Random Access Memory) 隨機存取記憶體 : 如圖二所示它的內部是一個矩陣式的電路, 每一個直行橫列所交叉的一個點就代表著記憶體內的一個 bit, 每一個 bit 的位置儲存一個電位, 所以只要輸入適當的行 列位址, 就可以存取到該位址的資料 由於這一些資料可以隨時存取 修改, 所以稱之為 Random Access Memory, 此一類型的記憶體是電腦內主要使用的記憶體 圖二 RAM (Random Access Memory) 隨機存取記憶體 唯讀記憶體 http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%e9%9a%8f%e6%9c%ba%e5%ad%98%e 5%8F%96%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8&variant=zh-tw ( 檢索日期 2009/01/10) B. DRAM (Dynamic RAM) 動態隨機存取記憶體 : 因為 DRAM 內部組成的電晶體電量, 僅能維持幾毫秒的帶電狀態, 因此它必須不斷地充電來保持資料的完整, 所以被稱為動態隨機存取記憶體 雖然他的存取時間較長, 但它的製造成本低廉 因此, 多半用來做我們一般使用的主記憶體 C. SRAM (Static RAM) 靜態隨機存取記憶體 : 同樣也是採用 行列 方式來定址儲存資料 但是 SRAM 至少快過 DRAM 五倍 以上的速度, 價位比 DRAM 貴兩倍以上, 體積也比 DRAM 大兩倍以上 SRAM 也需要用電源來保持資料, 但是不需要如同 DRAM 般的需要持續不斷 Refreshed - 2 -
SRAM 主要的儲存單位為電晶體, 以速度會比較快, 並且儲存的電荷不會像電容器般的會漏電, 所以不需要 Refreshed 動作, 在電腦內是用來作為 cache 記憶體使用 D. Cache RAM (Cache RAM) 高速度的記憶體 : 通常是由 SRAM 組成, 它放在 CPU 及主記憶體之間, 用來儲存經常被使用到的資料及指令 ; 當 CPU 需要資料時, 會先檢查這一塊 Cache, 如果資料在這 Cache 內, 就直接使用 ; 否則,CPU 才會從主記憶體讀取資料 Cache 記憶體就像一部電冰箱, 當您肚子餓了, 會先到冰箱裡找吃的 如果有的話, 就可以直接拿來吃 ; 如果找不到想吃的, 再去外頭買, 這樣不是省時多了? E. FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) 改良型的 DRAM: 它的特性是如果需要存取的前後資料在同一個列位址或同一頁 page 內, 那麼記憶體控制器將不會重複送出列位址, 只需要指示出下一個行位址就可以了, 所以整體上的效率會增加了一點, 使用 FPM 記憶體就好像是閱讀一本字典一樣, 有許多單字存放在同一頁內, 非常容易可以前後找到的單字 F. EDO DRAM (Extended Data Out DRAM): 它有什麼特別? 傳統的 DRAM 每寫入一個 bit 的資料, 就必須送出 列 以及 行 位址各一次, 用來定出這一個 bit 的所在位置, 並且每一個位址都必須有一段穩定的時間, 然後才能讀取或寫入有效的資料, 在這一段穩定的時間之前所寫入或讀取的資料都是無效的 FPM DRAM 的作法是, 在送出一個列位址之後, 只要是要存取同一列位址的資料, 就持續送出不同的行位址, 如此, 可以省去重覆送列位址的時間 ; 而 EDO 的作法, 是縮短等待送出位址的時間 ; 也就是說, 不必等到資料完整的讀去或寫入, 只要一到有效的時間, 就可以準備送出下一個位址, 不必等到有效的時間完畢 ( 註二 ) 舉例來說, 假設指定一個完整的位址完成之後, 需要等待一秒鐘之後資料匯流排上頭才是有效的資料 ; 然後可以讀取或寫入五秒鐘 ; 之後, 再繼續下一個位址的動作 想想看, 如果在一開始的等待一秒鐘過後, 開始讀取或寫入有效的資料時, 就開始送出另一個位址, 等到下一個有效位址成立之後 ( 因為也需要等待一段穩定的時間 ), 這個時候資料也已經讀寫完成了, 馬上就可以進行下一個位址的讀寫動作, 省卻了一點等待的時間, 這就是 EDO DRAM 強調的地方 理論上,EDO DRAM 會比傳統的 DRAM 快 但是實際上, 因為電腦內已經有了 Cache, 所以 EDO DRAM 並沒有很明顯的效率增益 ; 雖然理論上會有約 2% 的效益增加比, 但是除非系統沒有 Cache Memory, 才會很明顯的感受出效率變快了, 所以 EDO DRAM 在從前的運用上多偏向於介面卡 ( 例如 VGA 卡 ) 近來由於 EDO - 3 -
DRAM 的產能增加, 生產與銷售的成本大幅的調降,EDO DRAM 已成功地代傳 統的 DRAM, 成為製作記憶體模組的主要材料 要注意的是, 要用 EDO DRAM 的優點是有條件的 如果主機板的晶片不支援 EDO DRAM 的存取特性, 則 EDO DRAM 將會被視為一般的記憶體, 甚至不能開機 現在 FPM 以及 EDO 記憶體已經成為系統內的主流派了, 另外如果讀者見到 "Hyper Page Mode DRAM" 的話, 就是 EDO DRAM 另外一個稱呼 G. BEDO DRAM (Burst EDO DRAM) 爆發式 EDO DRAM: 一種改良型的 EDO DRAM, 如果說 EDO DRAM 一次傳輸一筆資料, 則與 EDO DRAM 不同的是 BEDO DRAM 全部採用 Burst 的方式運作, 一次傳輸一批資料 H. SDRAM (Synchronous DRAM): 它可以做到與 CPU clock 同步, 去除掉時間上的延遲, 藉以提高記憶體存取的效率 要使用 SDRAM 必須系統支援 目前市面上絕大部份的電腦都僅支援 EDO, 少部份支援 SDRAM 相信再過幾年,SDRAM 將會趕上 EDO, 成為高效率系統 ( High-performance systems) 的標準記憶體 I. SGRAM (Synchronous Graphics RAM): SGRAM 是由 SDRAM 再改良的記憶體, 它的設計允許以 block 為單位個別分開地 取回或修改其中的資料, 減少整體記憶體讀寫的次數, 增加繪圖控制器的效率 J. RDRAM (Rambus DRAM): RDRAM 完全由 Rambus 公司獨立設計完成 它非常的快, 約是一般 DRAM 十倍以上的速度, 但是記憶體控制器需要相當大的改變 ; 當然系統記憶體方面的介面也要有所更改才能使用 目前絕大部份使用在遊戲機器上頭, 或者專門處理圖形應用的系統上 K. VRAM (Video RAM) 圖形記憶體 : 它的特性是可以很快的更新資料, 通常用在高速處理圖形的環境下 要在很短的時間內處理更新到 CRT 以及 CPU 上頭的資料, 這對傳統的記憶體而言, 因為只擁有一個資料埠 ( 單一個輸出入 bit), 會有極大的資料傳輸瓶頸 ; 而 VRAM 擁有兩個分開的資料埠 ( 兩個單獨的輸出入 bits) 所以可以解決上述的問題 一個資料埠可以專門用來處理 CRT 的資料, 刷新在螢幕上的顯像 ; 另外一個資料埠由 CPU 或繪圖控制器用來改變記憶體內的顯像資料 - 4 -
L. WRAM (Window RAM) 雙資料埠的記憶體 : WRAM 是另一種應用在使用大量圖像系統中的雙接口記憶體, 它與 VRAM 稍微 不同的地方在於它較小的指定顯示接口以及它支援 EDO 功能 M. ROM (Read Only Memory) 唯讀記憶體 : 由字面上的意義可以很明顯的看出 這一種記憶體只能讀, 不能寫入 它主要用來存放 firmware 韌體, 例如系統的 BIOS 影像顯示卡上的 BIOS 等等, 因為這一類型的程式或資料將來會變動的機會很低, 所以可以採用 ROM 類型的記憶體來存放, 除了降低成本之外, 儲存在 ROM 裡頭的資料也不會因為誤動作而喪失資料 N. MASK ROM: 為了將韌體大量生產, 工廠常會先製作好一顆有原始資料的 ROM 或 EPROM, 然後大量的製造生產出與原始 ROM 內容完全相同的 ROM, 這一種大量生產的 ROM 就叫做 MASK ROM, 可以在影像顯示卡, 遊戲機等硬體上找到它 O. EPROM (Erasable Programmable ROM) : 如圖三所示 EPROM 也是屬於唯讀記憶體的一種, 但是它可以透過紫外線的照 射, 將其內部的資料清除掉之後, 再透過燒錄器之類的設備, 將資料燒錄進 EPROM 內 所以與 PROM 最大的不同點在於 EPROM 可以重複燒錄資料 圖三 全球第一顆 EPROM EPROM http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=eprom&variant=zh-tw ( 檢索日期 2009/01/10) - 5 -
P. EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): 也是屬於一種不需要電源就可以保持住資料的記憶體 資料寫入記憶體之後, 即使在電源關閉的情況下, 也可以保留很長一段時間 ; 而在寫入資料時, 亦不需要額外的提高電壓, 只要寫入某一些控制碼, 就可以將資料寫入 EEPROM 裡頭 在許多隨插即用的介面卡中, 都將本身的設定值存放在 EEPROM 裡頭, 系統可以隨時至 EEPROM 內讀取到介面卡的設定資料, 並且系統也可以很快的更改這一些設定, 不需要如同以往般的調整 Jumper 其它如網路卡 音效卡 甚至主機板都有廠商使用 EEPROM 當成 BIOS 的設定資料處存裝置 Q. FLASH: Flash 記憶體比較像是一個儲存裝置, 而不像是一般的 RAM 如圖四 ; 因為當一部電腦關掉電源之後, 儲存在 Flash 記憶體的資料並不會流失掉 它讀取資料時的速度如同一般的 ROM, 但是寫入資料時必須將原本的資料清除掉, 然後再寫入新的資料, 所以所需耗費的時間會比較長, 這是 Flash 記憶體的缺點 有許多採用 PCMCIA 介面的儲存裝置, 採用了高容量的 Flash 記憶體 ;Flash 的優點是不需要電源也能保持資料, 缺點是寫入資料的速度太慢 圖四 快閃記憶體 (Flash memory) 快閃記憶體 http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%e9%97%aa%e5%ad%98&variant=zh-tw ( 檢索日期 2009/01/10) - 6 -
2. 記憶體的包裝 A. DIMM - Dual In-line Memory Module B. SIMM - Single In-line Memory Module C. TSOP - Thin Small Outline Package D. DIP - Dual Inline Package E. PLCC - Plastic Leaded Chip Carrier F. TQFP - Thin Quad Flat Package G. PQFP - Plastic Quad Flat Pack H. SMT - Surface MounT I. SOJ - Small Outline Jedec J. BGA - Ball Grid Array 3. 記憶體內的規格 A. trc - Random read or write cycle time B. trp - RAS* recharge time C. tcp - CAS* recharge time D. tras - RAS* pulse width E. tcas - CAS* pulse width F. tasr - Row address setup time G. trah - Row address hold time H. tasc - Column address setup time I. tcah - Column address hold time J. trsh - RAS* hold time K. tcsh - CAS* hold time L. taa - Access time from column-address 4. 什麼是 SIMM 與 DIMM? 記憶體的製作方式又有兩種, 一種是 SIMM(Single In-line Memory Module) 雙邊記憶體模組 早期的 30 PIN 或 72 PIN 的 DRAM, 它的僅有一面有記憶體 IC, 另一面沒有, 就是稱為 SIMM 而 168 PIN 的 SDRAM, 它正反兩面都隔記憶體 IC, 就是稱為 DIMM ( 註三 ) 5. 什麼是 BIOS? BIOS (Basic Input Output System) 又稱為基本輸出入系統 它是由韌體工程師們所 撰寫出來的一組程式碼, 其功能主要是在電腦開機時如何去啟始檢測系統內的硬 體元件, 並讓應用軟體能呼听其所提供的的 1/0 程式碼來控制系統內的硬體元件 - 7 -
6. 為什麼要使用快取記憶體? 早期計算機系統中, 由於中央處理機速度較慢, 僅僅只使用 DRAM 就可以滿足中央處理機對存取速度的要求, 隨著中央處理機的能力越來越強, 速度較慢的 DRAM 逐漸不能和速度較快的中央處理機匹配, 此時若仍使用 DRAM 連接處理機, 就會發生中央處理機在發出存取命令後, 總要閒置一段時間, 才能取得或寫入資料的情況 ( 註四 ) 而若使用 SRAM 作為系統的主記憶體, 雖然可以達成較快的存取速度, 卻由於成本上的考量而不被允許, 所以快取記憶體便慢慢的發展出來了 參 結論 科技日新月異, 其進步的速度是我們無法想像的, 現存在市面上的記憶體已經多到我們用手指頭都數不完的地步, 而每種記憶體的功能也都不太相同, 幾乎可以完全滿足電腦工作者的各種需求 我想這個世界已經有漸漸邁入科技化 精簡化的趨勢, 或許在經過一段時間的努力及技術克服後, 搞不好會推出集所有功能及優點於一身的記憶體來創造一個更進步 更人性化的科技地球村 肆 引註資料 註一 記憶體的工作原理 http://www.khjh.kh.edu.tw/1223/a3.htm ( 檢索日期 2009/01/10) 註二 細說記憶體 http://tw.myblog.yahoo.com/jw!w3hn1bqyeq42synm9tj.kk.f.dttm8a-/article?mid=54 2 ( 檢索日期 2009/01/10) 註三 什麼是 SIMM 與 DIMM? http://www.khjh.kh.edu.tw/1223/a3.htm ( 檢索日期 2009/01/11) 註四 宋振華 (1995) 認識記憶體 台北市: 全欣資訊圖書股份有限公司 ( 檢索日期 2009/01/11) - 8 -