Memória feladata, története

Megközelítve több szemszögből

Az elektronikus digitális számítógép műveleti memóriája (memóriaegysége) adattárakból (tárolókból) áll. Minden adattár címezhető memóriaelemekből (rekeszekből) tevődik össze, ezekben raktározódik el a program, a számok, a műveletek részeredményei. A személyi számítógépek (PC) elterjedésével a szó szervezésű számítógépek helyét a byte szervezésű számítógépek vették át. Egy-egy memóriaelem 1-8 byte hosszúságú is lehet. A memóriahely jelölésére szolgáló sorszámot nevezzük címnek. Megkülönböztetünk operatív tárat (memória) és külső adattárakat.

Az operatív tár (a munkarekeszek) közvetlen kapcsolatban van az aritmetikai egységgel és a vezérlőegységgel (CPU). Az operatív tárat az 1960-as években ferritgyűrűkből készítették és mátrixszerűen kötötték egymással össze. A számítástechnika őskorában, a ferritgyűrűs memória magas ára miatt kevés munkarekesszel rendelkező számítógépeknél, kiegészítő operatív tárolóknak mágnesdobokat is alkalmaztak. Tartós tárolásra, nagy adatmennyiség esetén mágneslemezt vagy mágnesszalagot használtak, amelyek kiegészítő tárolóként többnyire kívülről csatlakoztak a számítógéphez. Napjainkban az operatív tár félvezető elemekből épül fel.

A memóriák osztályozása

Több szempontból lehet a számítógép memóriáját osztályozni:

• elsődleges, másodlagos vagy harmadlagos tároló.
• maradandó vagy nem maradandó tároló.
• csak olvasható (ROM) vagy írható és olvasható is (EPROM), (EEPROM).
• tetszőleges avagy közvetlen (RAM) vagy soros hozzáférésű.
• blokk vagy fájl hozzáférésű.
• a közvetítő közeg alapján: félvezetős, optikai, mágneses.

Elsődleges, másodlagos és harmadlagos memória

Hagyományosan az elsődleges memória a processzor által aktívan használt, igen gyors elérésű memória, amelyet a futó programok használnak. Ide tartoznak a processzor regiszterei, a processzorban vagy azon kívül megvalósított gyorsítótárak és a számítógépben található operatív tár. Ezek leggyakrabban nem maradandó tárolók, tartalmukat a tápfeszültség megszűnésével elvesztik. Az operatív memóriát fő memóriának vagy központi memóriának is nevezik.

A másodlagos memória avagy háttértár logikailag az elsődleges memória kiterjesztése. Az elsődleges memória mérete korlátos – nem elegendő az összes adat és program állandó tárolásához; tartalmát nem őrzi meg a tápfeszültség megszűnésével; kialakítása nagyon drága. Ezek miatt vált szükségessé a másodlagos tár (avagy háttértár) megjelenése. Ezek legfőbb jellemzője, hogy bár lassabbak, mint az elsődleges (vagy operatív) memória – azaz a rajtuk tárolt adatok elérési ideje jelentősen hosszabb –, de rendszerint jóval több információ tárolására képesek, és maradandó adathordozók – azaz tartalmukat a tápfeszültség megszűnésével is megőrzik.

A harmadlagos memória az adatok mentésére és archiválására szolgáló, rendszerint nagyon nagy kapacitással rendelkező tárolóeszköz (mágnesszalagos vagy optikai tárolórendszer).

A másodlagos és harmadlagos memóriák, háttértárak általában offline tárak. Lehetőség van az adattárolók számítógépről történő leválasztására és esetenként fizikailag más, elkülönített helyen történő tárolására (szerverkörnyezetben, megfelelően kialakított, magos szintű RAID architektúra esetén másodlagos memória is cserélhető működés közben). Ennek a biztonságos adattárolás és a katasztrófavédelem szempontjából van kiemelt jelentősége.

Adatmegőrzés szerint

Korábban megkülönböztettünk nem maradandó tárakat és maradandó tárakat.

Maradandó tárak (általában ROM)

Maradandó tárnak nevezzük az olyan információ- vagy adattároló eszközt, mely külső energiabefektetés hiányában is megőrzi az előzőleg felvitt állapotát. Legáltalánosabb változata a csak olvasható memória, a ROM, és az előzőekben tárgyalt másodlagos, harmadlagos memóriák.

A nem maradandó tárak (RAM)

Tovább oszthatók statikus és dinamikus tárakra.

A statikus memóriában (SRAM) tárolt adat a tápfeszültség megszűnéséig marad meg. Az adatokat általában félvezető, flip-flop memóriában tárolják. Ciklusidejük megegyezik az elérési idejükkel. Energiatakarékos, gyors.

A dinamikus memória (DRAM) tartalmát meghatározott időközönként frissíteni kell, mivel bizonyos idő után az adatok elvesznek. Ennek oka, hogy a benne található, sűrűn elhelyezett néhány pikofarad kapacitású kondenzátorok, melyek a memória elemi cellái, egy idő után kisülnek. Ilyen elvi felépítésű a ma használt SDRAM (Synchronous dynamic random access memory).

Tetszőleges vagy soros hozzáférésű memória

A tetszőleges hozzáférésű memória bármelyik részéhez hozzá lehet férni egy adott pillanatban. Jó példák erre a félvezető-alapú tárak, a RAM és a mágneses lemezek, optikai tárolók. A soros memóriát minden esetben végig kell olvasni, a tartalomtól függetlenül. Legtipikusabb soros adattároló a mágnesszalag, de egyes régebbi flash memóriák is ilyen típusú adathordozók.

Blokk vagy fájl hozzáférésű memória

Lemezek esetében két fajta tárolás lehetséges:

a blokk hozzáférés azt jelenti, hogy a lemez fel van osztva koncentrikus körökre, és ezen belül szektorokra, amelyek véletlen hozzáférést biztosítanak az operációs rendszer számára.

fájl hozzáférés esetében a lemez fájlokat és könyvtárakat (fájlrendszert) tartalmaz, erre lehet hivatkozni hozzáféréskor.

Fontosabb félvezető memóriatípusok

• ROM (csak olvasható memória): Gyártó által beégetett adatot tartalmaz, amely nem módosítható.
• PROM (programozható ROM): Olyan memória, amely egyszer írható, de később nem módosítható.
• EPROM (törölhető PROM): Törölhető és többször újraírható; a memória törlését általában ibolyántúli fénnyel (UV), vagy röntgen–sugárral (RTG) végzik.
• EEPROM (elektronikusan törölhető PROM): Elektromos feszültséggel törölhető és újraírható. Ilyenek például a Flash memóriák is. EAROM (electrically alterable ROM, az EEPROM másik angol megnevezése)

Verzió 2:

A számítógépes memóriáknak alapvetően két típusa van:

- ROM = Read-Only Memory (csak olvasható memória)

- RAM = Random Access Memory (véletlen hozzáférésű memória)

Ez az alapvető kép, de nézzük csak meg ezeket részletesen!

A ROM: védett, belső tárhely

Minden gép belsejében van egy kicsi tárhely, ahol a legfontosabb adatok vannak. Ott mást nem lehet tárolni, onnan csak kiolvasni lehet, de beleírni tilos. Lényeges eleme, hogy a gép kikapcsolásakor (tehát áramtalanításkor) is megőrzi a gyártás során benne eltárolt értékeket. Ilyen értékek lehetnek például a gép bekapcsolási folyamatának legfontosabb jellemzői vagy például a gép típusa, gyári száma, stb. A ROM-chipeket nem csak számítógépek használják, hanem egyéb elektronikai termékek is, pl.: mosógép, mikrohullámú sütő vagy egyes autók fedélzeti számítógépe.

A ROM különféle típusokkal rendelkezik:

- „Klasszikus” ROM: az adatok már gyártáskor belekerülnek és azok végleg ott is maradnak változtathatatlanul.

- MROM (Masked ROM = Maszkolt ROM): Ezek a legelső ROM-ok voltak, amelyek adathalmazokat vagy utasításokat tartalmaztak. Jellemző igen olcsó áruk.

- PROM (Programmable ROM = Programozható ROM): ezen eszközöket a felhasználó töltheti fel adatokkal a gyártó által meghatározott módon. Az eljárás neve: beégetés. Ám az így programozott adatok már nem törölhetők!

- EPROM (Erasable and Programmable ROM = Törölhető és programozható ROM): az adatok ugyanúgy beégethetők, mint a PROM esetén, ám ezek kb. 40 percnyi UV-fényű megvilágítással törölhetőek. Az eszköz programozása során az elektromos töltés megfelelő szigetelését is megoldják, így az adatok általában 10 évre is megbízhatóan megmaradnak. Ezt a szigetelést töri át a megfelelően erős UV-fény. Magát a törlést egy speciális eszköz, az ún. EPROM-radír végzi el.

- EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM = Elektromosan törölhető és programozható ROM): ez már nem UV-fénnyel, hanem egyszerű elektromos jelekkel törölhető. A legtöbb EEPROM kb. 10ezerszer törölhető. Mind a törlés, mind a programozás 4-10 ezredmásodpercig tart. Az EEPROM-on belül bármelyik helyet kiválaszthatjuk törlésre vagy programozásra, azaz akár egyetlen bájtot is lehet törölni anélkül, hogy a többi adat sérülne. Így a folyamat igen rugalmas, viszont meglehetősen lassú!

Összefoglalva a ROM előnyei:

- Áramszünetkor nem száll el a tartalma.

- Tartalmát nem lehet véletlenül változtatni.

- Olcsóbb, mint a RAM.

- Igen könnyű tesztelni.

- Sokkal megbízhatóbb, mint a RAM.

- Tartalma statikus így nem igényel periodikus frissítést.

- Tartalma mindig ismert, így nem kell ellenőrizni.

A RAM: az operatív tár

A RAM legfontosabb feladata az éppen futó alkalmazások igényeinek kiszolgálása, biztosítani az alkalmazások és a processzor számításaihoz szükséges területet. Ehhez alapvetően nagy adatátviteli sebességre van szükség és minimális késleltetésre.

A RAM alapvető jellemzői:

- közvetlenül elérhető tárolóegység

- tartalmazza a futó alkalmazások adatait, utasításait és számításait

- az adatok egy adott helyen tárolódnak, ehhez a helyhez más alkalmazás is hozzáférhet megfelelő engedély birtokában

- adatai gyorsan elvesznek, ezért állandóan frissíteni kell őket (másodpercenként akár sok milliószor is!)

- véletlen áramszünetkor az összes adata elveszik.

A RAM-ok jellemző mennyiségei:

- memóriakapacitás

- memóriarekesz mérete

- elérési/hozzáférési idő

- memória frissítési sebessége

A memóriakapacitás elég egyszerű és gyakorlatilag a fentiekből a legfontosabb jellemző. A digitális eszközökben minden egyes memóriacella adata 1 vagy 0 lehet. Ez az alapvető memóriacella a bit. Praktikus okokból mégis a 8 bit = 1 byte lett a tárolás alapja, mivel ezt volt a legkönnyebb programozni. Nagyobb mértékegységek között a váltószám a 210=1024.

A nagyobb egységek a következők:

1 KB = 1 Kilobájt = 1024 Bájt.

1 MB = 1 MegaBájt = 1024 KB = 2a20 Bájt.

1 GB = 1 GigaBájt = 1024 MB = 2a30 Bájt.

A memóriarekesz az operatív memória olyan része, amelynek tartalma egy memóriaciklus alatt olvasható ki, illetve írható felül. A memóriarekeszek egyedi címmel rendelkeznek, így könnyen megcímezhetők. Ezt a címzést a CPU vagy egy tetszőleges alkalmazás is megadhatja. Az egyes memóriarekesz tartalmát lehet olvasni vagy írni. Olvasáskor a tartalom megmarad, míg íráskor felülíródik. Írásnak minősül az is, amikor pl. 1 bit tartalma megváltozik. A memóriarekesz mérete 1 bit, 1-2 bájt, vagy több is lehet. Ez erősen függ az egyes programok, illetve az operációs rendszer igényeitől.

Az elérési/hozzáférési idő szintén lényeges, mivel ez határozza meg, hogy a CPU vagy az egyes program milyen sebességgel éri el a kívánt címet. Ez jelentősen befolyásolja az egész számítógép működését.

- SIMM (Single In-Line Memory Module = Sima soros memóriamodul): Korai memóriatípus-tokozás még a 286/386/486-os CPU-k korszakából, amikor a SIMM-mek általában a gépek alaplapjába voltak beillesztve, esetleg külső memóriakártyára. A korai SIMM-mek 8 adatbitet kezeltek egy 30-tűs csatlakozóval. Később, amikor a CPU-k 32 bitesek lettek, az újabb generációs SIMM-ek 72 tűssé váltak. Képen: 30-, illetve 72-tűs SIMM-chipek. (A és B jellel)

- DIMM (Dual In-Line Memory Module = Duális soros memóriamodul): Pentium II-korszak óta általánosan használt memória-tokozás. Tűk száma: 200, 240, esetleg 244.

DDR3 DIMM

Képen: alapvető méretek általánosan használt 240 tűs DIMM esetén.

Alapvetően két külön RAM-típus van:

- SRAM (Static RAM = statikus RAM): Az információt két állapottal rendelkező kapcsolók (flip-flop-ok) tárolják, nem kell frissíteni, ára magasabb. Adatait megőrzi, amíg a berendezés áram alatt van; tehát áramszünet esetén az itt tárolt adatok elvesznek! Fizikailag az SRAM chipek tranzisztor-mátrixot használnak és nem kondenzátorokat, így megoldható az adatok állandó, frissítés nélküli tárolása. A használt tranzisztorok kialakítása és helyigénye miatt az SRAM-ok ára magas, valamint a technológia miatt elég nagy a fogyasztásuk. Gyakori a használatuk a nagyon gyors hozzáférést igénylő cache-ként.

- DRAM (Dynamic RAM = Dinamikus RAM): Az információt apró kondenzátorok tárolják, melyekből gyorsan elpárolog a megfelelő töltés, így az SRAM-mal ellentétben igen gyakran kell őket frissíteni. A memória frissítési sebessége akár több millió is lehet másodpercenként! Alacsony ára és kis mérete miatt a DRAM-ot használják rendszermemóriaként. Minden DRAM-ot memóriacellák alkotják, melyek egy kondenzátorból és egy tranzisztorból állnak. További jellemzői: viszonylag rövid élettartam, SRAM-nál lassabb működés, kis méret, alacsony ár és kicsi energiafogyasztás.

Számos DRAM típus létezik. Ezek közül a fontosabbak:

- FPRAM (Fast Page RAM = Gyorsabb lapozású RAM): A megszokott DRAM címzés sebességének megnövelésére kidolgoztak egy módszert, amivel 40-50%-kal növelni tudták az elérési sebességet. A mátrixszerűen szervezett FPRAM-nál az egy lapon lévő cellák sorcíme azonos, vagyis egy lapon belül csak az oszlopcímek változnak. Így ha azonos lapon lévő cellákat szeretnénk elérni, akkor egyszerűbb a sorcímet megtartani és pusztán az oszlopcímeket változtatni.

- EDORAM (Extended Data Out RAM = kiterjesztett adat kimenetelű RAM): Elterjedése nagyjából a Pentium-gépek elejének korszakára tehető. Sebessége kb. 15-30%-kal haladta meg az FPRAM-okét. Sebessége 50 MHz körüli. A piacra dobásukkor több számítógépgyártó is azt állította, hogy ha valaki EDORAM-ot használ, akkor nem kell L2-cache a számítógépbe, mivel így is jó teljesítményt kap a végfelhasználó. Ám ez hibás információ volt, mivel az EDORAM együtt dolgozva az L2-cache-sel nagyobb teljesítményt nyújt, mint nélküle. Jellemző kapacitásuk: 32-128 MB. Tokozása: SIMM 72-tűs. Csak párban bővíthető!

- SDRAM (Synchronous Dynamic RAM = szinkron dinamikus RAM): Az EDORAM közvetlen utóda. Mivel sebessége megegyezett a rendszerbusszal, ezért nevét is innen kapta. Eredetileg 168-tűs csatlakozással rendelkezett. Tervezése miatt kiválóan ki tudta szolgálni a CPU-t, így megszűntek a szinkronizálás hiányából adódó problémák. Alapja: a memóriát két területre (memory bank) osztják fel. Mialatt a memóriavezérlő az egyikből olvas vagy ír, azalatt a másiknak már átadja az oda vonatkozó memóriacímet. Így az első adat feldolgozása után már nem kell várni a második megérkezésére, mivel az a címzési eljárás miatt azonnal rendelkezésre áll. Gyakori sebességei: 66-133 MHz. Némi rendszerturbózással elérhető volt akár a 180 MHz is. Piacról való kiszorulását a processzorok sebességének növelése okozta. Jellemző kapacitásuk: 32-1024 MB. Tokozása: DIMM.

- DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM = Dupla adatsebességű SDRAM): Röviden: DDR. Technológiája erősen hasonlít az SDRAM-hoz, mivel alapvetően megduplázza annak sebességét az órajel segítségével. A DDR alapvetően 333 MHz-en működik, ami ténylegesen 2*166 MHz-nek felel meg. Technológiai alapja a 2,5 Volt feszültségű adatátvitel 184-tűs DIMM-ek használatával. Fizikailag sem kompatibilis az SDRAM-mal, bár elődjéhez hasonlóan párhuzamos buszt használ. Elterjedt sebességek: 200-400 MHz. Jellemző kapacitásuk: 32-512 MB. Tokozása: DIMM.

- RDRAM (Rambus DRAM = Rambus DRAM): Eredetileg a Rambus nevű cég fejlesztette ki az Intel Pentium III-as processzorokhoz, de az a CPU nem volt képes kihasználni a Rambus óriási sebességét. Továbbá elterjedését komolyan akadályozta elég magas ára. A Pentium IV-es megnövelt adatbuszával már képes volt kihasználni a Rambus képességeit, így megjelentek újabb verziói is. Működési frekvencia: 600-800 MHz. Jellemző kapacitásuk: 256 MB – 2 GB.

- DDR2 (DDR 2. generáció): A DDR közvetlen utóda, annak fejlesztésével jött létre. Használata alaplapfüggő, mivel az egyes generációk csak a nekik megfelelő alaplapot hajlandóak használni. Tehát 1-es generációs DDR csak 1-es alaplapba illeszkedik bele, illetve 2-es generációs DDR csak 2-es alaplapba illeszkedik bele. Elterjedt sebességek: 200-533 MHz. Kialakítás: 240-tűs csatlakozó. Tokozása: DIMM. Jellemző kapacitásuk: 256 MB – 2 GB.

DDR2 RAM és DDR3 RAM

A fenti képen a nyilak az illesztési lyukak különbségét mutatják a DRR2 és a DDR3-as memóriáknál. 

- DDR3 (DDR 3. generáció): A DDR2 közvetlen utóda, annak fejlesztésével jött létre. Sajnos itt is megmaradt az a csúnya szokás, hogy az egyes generációk nem értik meg egymást. Elterjedt sebességek: 400-1200 MHz. Kialakítás: 240-tűs csatlakozó. Tokozása: DIMM. Jellemző kapacitásuk: 1 – 16 GB.

- DDR4 (DDR 4. generáció): A DDR3 közvetlen utóda. Elterjedt sebességek: 1066-2133 MHz. Kialakítás: 288-tűs csatlakozó. Tokozása: DIMM. Jellemző kapacitásuk: min. 2 GB.

- GDDR (Graphic DDR = Grafikus DDR): A videókártyákhoz használt speciális kialakítású, általában gyors és drága memória. Többnyire kap egy generációt jellemző számot is, pl.: GDDR-4. Általában érvényes, hogy az alaplapon található DDR-hez képest két generációval előrébb jár a GDDR-generáció száma.

Flash memóriák

A flash memóriák elektronikus működésű, nem felejtő számítógépes adathordozók, amelyeket elektronikusan lehet törölni és újraprogramozni. Tehát alapvetően az adatok megőrzéséhez nem kell áram, így a flash memóriák kiválóan alkalmasak USB flash meghajtókban, PenDrive-okban, SSD-meghajtókban, digitális audió lejátszókban, mobiltelefonokban, stb. való alkalmazásra.

Két fő flash-memóriatípus létezik: a NAND, illetve a NOR logikai kapuk után kapták a nevüket. Az egyes flash memóriák belsőit jellemző nevek eredendően a megfelelő logikai kapukból erednek.

Fogalmak:

- NOR: párhuzamos adathozzáférés, közvetlenül futtatható benne program, aránylag drága, kis kapacitású.

- NAND: soros adathozzáférés, nem futtatható benne közvetlenül program, olcsó, nagy kapacitású.

Eredetileg a Toshibánál dolgozó Dr. Fujio Masuoka fejlesztette ki még az 1980-as évek elején az EEPROM ötletét felhasználva.

A találmányban lévő ötletet az Intel karolta fel és 1988-ban piacra dobta az első NOR-típusú chipet.

A NAND típusú flash memóriákat elsősorban a rendszermemóriáknál használják, továbbá a memóriakártyákon, az USB flash eszközökön, az SSD-meghajtókon, valamint egyéb eszközökön. A NOR típusúak, ahol akár egyetlen bájtot is át lehet írni, valamint közvetlenül is lehet futtatni egyes alkalmazásokat, a régi EPROM-ok helyettesítésére is alkalmasak, mivel kifejezetten jók bizonyos ROM-ként használatos chipek helyettesítésére.

Fontos megjegyezni, hogy az EPROM-ok korszakában egy újraírás előtt az egész meghajtót kellett törölni, ám a NAND típusú flash memóriákban akár blokkokban is lehet írni/olvasni, amelyek általában sokkal kisebbek, mint az egész memória. Ellenben a NOR típusú memóriák esetén akár egyetlen bájtot is át lehet írni vagy törölni, így egészen másként lehet kezelni egy NOR eszközt. Éppen ezért a korai hordozható CompactFlash kiegészítő kártyák többsége NOR-alapú volt, csak később váltottak át a jóval olcsóbb NAND-alapúakba. A NAND-alapú flash megoldások rohamosan csökkentették törlési és írási idejüket, valamint kevesebb áramköri elemet használtak el memóriacellánként, ezáltal lehetővé tették a nagyobb adatsűrűséget és az ilyen eszközök árának rohamos csökkenését. Azonban még mindig fennállt a NAND alapvető hibája: nem biztosított véletlenszerű hozzáférést, azaz nem engedte az igen kis méretű (akár pár bájtos) adatok megváltoztatását. Helyette azonban a NAND megfelelően felgyorsult az akár több százezer bitnyi információ gyors feldolgozásához. Ezért lett a NAND-bázisú eltávolítható média alkalmas az első SmartMedia formátumú kártyára még 1995-ből, melyet számos más követett, pl. MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick, xD-Picture Card, stb.

Az újabb generációs memória-chipek és digitális adathordozók radikális méretcsökkenésen estek át, ideértve a legnépszerűbb RS-MMC, miniSD, microSD és az Intelligent Stick formátumúakat. Ehhez társult a tömeggyártásuk miatti radikális áresés is. További impulzust adott a digitális fényképezőgépek, majd a memóriakártyára éhes okostelefonok rohamos térhódítása is. Például 2016-ban a microSD kártya mérete kb. 1,5 cm2 volt, vastagsága kb. 1 mm, ám tárkapacitása 1-128 GB.