حافظه (رایانه)

۱ گیگابایت حافظه با دستیابی مستقیم ایستا، نصب شده در رایانه شخصی. نمونه‌ای از حافظه اولیه
حافظه یا ویر یا ابزار ذخیره‌سازی رایانه یا همان مموری ، ابزاری است که می‌توان دانسته‌ها را در آن انباشته و باز یابی نمود. در مفهوم گسترده‌تر این واژه به ابزارهای انبارش بیرونی چون دیسک‌گردان یا نوارگردان گفته می‌شود. ابزار ذخیره‌سازی نیمه هادی یکراست به پردازنده وصل می‌شود. حافظه پنهان یا Cache ویر سریعی است که برای افزایش سرعت پیوند سیستم با دستگاه‌های کندتر بهره گرفته می‌شود و بکارگیری آن مایه آن می‌شود که سرعت و توانایی‌های دستگاه سریع هرز نرود. مهمترین ویر (حافظه) پنهان در پردازنده‌های مرکزی (سی‌پی‌یوها) وجود دارد که به سه گونه نخستینه و دومبنه و سومینه (L1 و L2 و L3) بخش می‌شود و امروزه ویر پنهان که در پردازشگرهای مرکزی ساختن آن هزینه بیشتری دارد تا ۱۶ مگا بایت هم می‌رسد.
انواع ویر
ویر با هدف انباشتن دانسته‌ها (مانا، گذرا) در رایانه به کار برده می‌شود و دارای انواع گوناگونی است. ویرها را می‌توان بر پایه نمایه‌های گوناگونی بخش‌بندی کرد. ویر گریزان Volatile و ویر ناگریزان Nonvolatile نمونه‌ای از این بخش بندی‌ها است. ویرهای گریزان بلافاصله پس از خاموش شدن سیستم دانسته‌ها خود را از دست می‌دهند و همواره برای نگهداری دانسته‌ها خود به منبع تامین انرژی نیاز خواهند داشت. بیشتر ویرهای رم در این گروه جای می‌گیرند. ویرهای ناگریزان داده‌های خود را همچنان پس از خاموش شدن سیستم نگه خواهند داشت. ویر «رام» ROM نمونه‌ای از این نوع ویرها است. نام انواع حافظه‌ها در زیر آمده‌است:
حافظه دسترسی تصادفی (رم) RAM
حافظه فقط خواندنی (رام) ROM
حافظه پنهان Cache
حافظه دسترسی تصادفی پویا Dynamic RAM
حافظه دسترسی تصادفی ایستا Static RAM
ویر فلش Flash Memory
حافظه مجازی Virtual Memory
حافظه ویدئویی Video Memory
بایوس (واسط سخت‌افزار و نرم‌افزار) BIOS
استفاده از ویر صرفا محدود به رایانه‌های شخصی نبوده و در دستگاه‌های متفاوتی نظیر: تلفن همراه، رایانه جیبی، رادیوهای اتومبیل، دستگاه پخش نوار ویدئویی، تلویزیون و … نیز در ابعاد وسیعی استفاده می‌گردد. هر یک از دستگاه‌های فوق مدل‌های خاصی از ویر را استفاده می‌نمایند.
مبانی اولیه ویر
با اینکه می‌توان واژه «ویر» را بر هر گونه ابزار انبارش الکترونیکی نامید، ولی بیشتر از واژه بالا برای ویرهای سریع با توانایی اندوختن گذرا بهره گرفته می‌شود. با اینکه پردازنده ناچار باشد برای بازیابی دانسته‌ها مورد نیاز خود همیشه از هارد دیسک بهره گیرد، بی‌گمان سرعت پردازش پردازنده (با آن سرعت بالا) کند خواهد گردید. زمانی‌که دانسته‌ها مورد نیاز پردازنده در ویر اندوخته گردند، سرعت پردازش پردازنده از دید دستیابی به داده‌های مورد نیاز بیشتر خواهد گردید. از ویرهای فراوانی برای نگهداری گذرا دانسته‌ها کاربری می‌گردد.
انواع حافظه‌ها
همانگونه که در شکل بالا دیده می‌شود، گنجینه جوراجوری ازانواع ویرها هست. پردازنده با پرداختن به ساختار نردبانی بالا به آن‌ها دستیابی پیدا خواهد کرد. زمانی‌که در سطح ویرهای مانا همچو دیسک سخت (هارد دیسک) یا ویر دستگاههائی همچو صفحه کلید، دانسته‌های باشد که پردازنده قصد بهره‌گیری از آنان را داشته باشد، می‌بایست دانسته‌های بالا از روش ویر رم در دسترس پردازنده گذاشته شوند. در دنباله، پردازنده دانسته‌ها و داده‌های مورد نیاز خود را در ویر پنهان (Cache) و دستور کارهای ویژه عملیاتی خود را در ثباتها (register) اندوخته می‌نماید.
همه بخش‌های سخت‌افزاری (پردازنده، دیسک سخت، ویر و …) و بخش‌های نرم‌افزاری (سیستم عامل و…) به گونه یک گروه عملیاتی به کمک یکدیگر وظیفه‌های محوله را انجام می‌دهند. بی‌شک در این گروه «ویر» دارای جایگاهی ویژه است. از زمانی‌که رایانه روشن تا زمانی‌که خاموش می‌گردد، پردازنده به گونه پیوسته و همیشگی از ویر بهره می‌گیرد. بی‌درنگ پس از روشن نمودن رایانه دانسته‌های نخستین (برنامه POST) از «حافظه فقط خواندنی» (رام) بارگذاری شده و در دنباله وضعیت ویر از نظر سالم بودن بررسی می‌گردد (عملیات سریع خواندن، نوشتن). در گام بعد رایانه بایوس را ازطریق «رام» بارگذاری خواهد کرد. بایوس دانسته‌های نخستین و ضروری در پیوند با دستگاه‌های انبارش، وضعیت درایوی که می‌بایست فرایند بوت از آنجا آغاز گردد، امنیت و … را آشکار می‌نماید.
در گام بعد سیستم عامل از دیسک سخت به درون ویر رم سوار خواهد شد. بخش‌های مهم و حیاتی سیستم عامل تا زمانی‌که سیستم روشن است در ویر ماندگار خواهند بود. در دنباله و زمانی‌که یک برنامه به دست کاربر فعال می‌گردد، برنامه بالا در ویر رم سوار خواهد شد. پس از جای‌گیری یک برنامه در ویر و آغاز سرویس دهی از سوی برنامه یاد شده در صورت ضرورت به فایل‌های مورد نیاز برنامه بالا، در ویر سوار خواهند شد. و سرانجام زمانی‌که به حیات یک برنامه پایان داده می‌شود (Close) یا یک فایل اندوخته می‌گردد، اطلاعات بر روی یک رسانه انبارش همیشگی اندوخته و در پایان ویر از بودن برنامه و فایل‌های وابسته، پاکسازی می‌گردد. همانگونه که اشاره گردید در هر زمان که اطلاعاتی، مورد نیاز پردازنده باشد، می‌بایست اطلاعات درخواستی در ویر رم سوار شود تا زمینه بهره‌گیری از آنان به دست پردازنده فراهم گردد. چرخه درخواست اطلاعات پدید آمده در رم به دست پردازنده، پردازش اطلاعات به دست پردازنده و نوشتن اطلاعات نوین در ویر یک زنجیره پیوسته بوده و در بیشتر رایانه‌ها زنجیره بالا شاید در هر ثانیه میلیون‌ها بار انجام گردد.
نیاز به سرعت دلیلی بر وجود حافظه‌های متنوع
چرا ویر در کامپیوتر تا بدین میزان متنوع و متفاوت است؟ در پاسخ می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:
پردازنده‌های با سرعت بالا نیازمند دستیابی سریع و آسان به حجم بالائی از داده‌ها به منظور افزایش بهره‌وری و کارآئی خود می‌باشند.. در صورتی‌که پردازنده قادر به تامین و دستیابی به داده‌های مورد نیاز در زمان مورد نظر نباشد، می‌بایست عملیات خود را متوقف و در انتظار تامین داده‌های مورد نیاز باشد. پردازند ه‌های جدید وبا سرعت یک گیگا هرتز به حجم بالائی از داده‌ها (میلیارد بایت در هر ثانیه) نیاز خواهند داشت. پردازنده هائی با سرعت اشاره شده گران‌قیمت بوده و قطعا اتلاف زمان مفید آنان مطلوب و قابل قبول نخواهد بود. طراحان کامپیوتر به منظور حل مشکل فوق ایده «لایه بندی ویر» را مطرح نموده‌اند. در این راستا از حافظه‌های گران‌قیمت با میزان اندک استفاده و از حافظه‌های ارزان‌تر در حجم بیشتری استفاده به عمل می‌آید. ارزانترین ویر متدواول، هارد دیسک است. هارد دیسک یک رسانه ذخیره‌سازی ارزان قیمت با توان ذخیره‌سازی حجم بالائی از دانسته‌ها است. با توجه به ارزان بودن فضای ذخیره‌سازی دانسته‌ها بر روی هارد، دانسته‌ها مورد نظر بر روی آن‌ها ذخیره و با استفاده از روش‌های متفاوتی نظیر: ویر مجازی می‌توان بسادگی و بسرعت بدون نگرانی از فضای فیزیکی ویر رم، از آن‌ها استفاده نمود.
ویر رم سطح دستیابی بعدی در ساختار نردبانی ویراست. اندازه بیت یک پردازنده نشاندهنده شمار بایت هائی از ویراست که در یک دم می‌توان به آن‌ها دستیابی داشت. برای نمونه یک پردازنده شانزده بیتی، توانا به پردازش دو بایت در هر دم‌است. مگاهرتز واحد سنجش سرعت پردازش در پردازنده‌ها است و هم ارز «میلیون در هر ثانیه» است. برای نمونه یک رایانه ۳۲ بیتی پنتیوم ۳ با سرعت ۸۰۰ مگاهرتز، توانا به پردازش چهار بایت به گونه هم‌زمان و ۸۰۰ میلیون بار در ثانیه‌است. ویر رم بتنهائی دارای سرعت مناسب برای همسنگ شدن با سرعت پردازنده نیست از این رو است که از ویر پنهان بهره گرفته می‌شود. روشن است هر اندازه که سرعت ویر رم بالا باشد دلخواه‌تر خواهد بود. بیشتر تراشه‌های امروزه دارای سرعتی بین ۵۰ تا ۷۰ نانوثانیه می‌باشند. سرعت خواندن یا نوشتن در ویر پیوند مستقیم با نوع ویر بهره گرفته شده دارد. در این راستا می‌توان از ویرهای DRAM ,SDRAM ,RAMBUS سود جست.
سرعت رم توسط پهنا و سرعت باس، کنترل می‌گردد. پهنای باس، تعداد بایتی که می‌تواند بطور هم‌زمان برای پردازنده ارسال گردد را مشخص و سرعت باس به تعداد دفعاتی که می‌توان یک گروه از بیت‌ها را در هر ثانیه ارسال کرد اطلاق می‌گردد. سیکل منظم حرکت داده‌ها از ویر به سمت پردازنده را چرخه می‌گویند مثلا یک گذرگاه با وضعیت: ۱۰۰ مگاهرتز و ۳۲ بیت، به صورت تئوری قادر به ارسال چهار بایت به پردازنده و یکصد میلیون مرتبه در هر ثانیه‌است. در حالیکه یک گذرگاه شانرده بیتی ۶۶ مگاهرتز به صورت تئوری قادر به ارسال دو بایت و ۶۶ میلیون مرتبه در هر ثانیه‌است. با توجه به مثال فوق مشاهده می‌گردد که با تغییر پهنای گذرگاه از شانزده به سی و دو و سرعت از ۶۶ مگاهرتز به ۱۰۰ مگاهرتز سرعت ارسال داده برای پردازنده سه برابر گردید.
ثبات (رجیستر) و حافظه پنهان
با توجه به سرعت بسیار بالای پردازنده حتی در صورت استفاده از «گذرگاه» Bus عریض وسریع همچنان مدت زمانی طول خواهد کشید تا داده‌ها از ویر رم برای پردازنده ارسال گردند. ویر پنهان یا «کش» Cache با این هدف طراحی شده‌است که داده‌های مورد نیاز پردازنده را که احتمال استفاده از آنان بیشتر است، در دسترس‌تر قرار دهد. عملیات فوق از طریق بکارگیری مقدار اندکی از ویر پنهان که اولیه Primary یا «سطح ۱» Level ۱ نامیده می‌شود صورت می‌پذیرد. ظرفیت حافظه‌های فوق بسیار اندک بوده و از دو کیلو بایت تا ۵۱۲ کیلو بایت را، شامل می‌گردد. نوع دوم ویر پنهان که ثانویه Secodray یا «سطح ۲» level ۲ نامیده می‌شود بر روی یک کارت ویر و در مجاورت پردازنده قرار می‌گیرد. این نوع ویر پنهان دارای یک ارتباط مستقیم با پردازنده‌است. یک مدار کنترل‌کننده اختصاصی بر روی برد اصلی که «کنترل‌کننده L۲» نامیده می‌شود مسئولیت عملیات مربوطه را برعهده خواهد گرفت. با توجه به نوع پردازنده، اندازه ویر فوق متغیر بوده و دارای دامنه‌ای بین ۲۵۶Kb تا چند مگابایت است. برخی از پردازنده‌های با کارائی بالا اخیرا این نوع ویر پنهان را به عنوان جزئی جداناپذیر در کنار خود دارند. (بخشی از تراشه پردازنده) در این نوع پردازنده‌ها با توجه به اینکه Cache بخشی از پردازنده محسوب می‌گردد، اندازه آن متغیر بوده و به عنوان یکی از مهمترین شاخص‌ها در کارائی پردازنده مطرح است.
نوع دیگری از رم با نام ویر دسترسی تصادفی ایستا (SRAM) نیز وجود داشته که در آغاز برای ویر پنهان استفاده می‌گردید. این نوع حافظه‌ها از چندین ترانزیستور (معمولا چهار تا شش) برای هر یک از سلول‌های ویر خود استفاده می‌نمایند. حافظه‌های فوق دارای مجموعه‌ای از فلیپ فلاپ‌ها با دو وضعیت خواهند بود. بنابراین حافظه‌های فوق قادر به بازخوانی اطلاعات به صورت پیوسته نظیر حافظه‌های ویر دسترسی تصادفی پویا (DRAM) نخواهند بود. هر یک از سلول‌های ویر مادامیکه منبع تامین انرژی آن‌ها فعال (On) باشد داده‌های خود را ذخیره نگاه خواهند داشت. در این حالت ضرورتی به بازخوانی دانسته‌ها به صورت پریودیک نخواهد بود پ. سرعت حافظه‌های فوق بسیار بالا است پ، ولی به دلیل قیمت بالا، در حال حاضر به عنوان جایگزینی استاندارد برای حافظه‌های رم مطرح نمی‌باشند.
انبار شیشه‌ای ذخیره دانسته‌ها
حجم دانسته‌هایی که هر روزه تولید و عرضه می‌شود واقعا در حدی انفجارآمیز است. ولی از منظر بایگانی و حفظ این دانسته‌ها برای نسل‌های آینده، بشر حقیقتا از زمان سنگ نوشته‌ها به این سو پیشرفت چندانی نداشته‌است. بنابراین احتمال از دست رفتن طلاعات به نسبت گذشته‌ها افزایش یافته‌است.
طول عمر ابزارهای بایگانی دیجیتال که تا امروزه در دسترس ما بوده‌اند، از سی دی و ام پی‌تری گرفته تا ویرهای کامپیوتری، هیچکدام بیشتر از چند دهه یا حداکثر یک قرن نیست. از سوی دیگر تحول و سرعت اختراعات در فناوری‌های دیجیتال باعث شده که ابزارهای خوانش یا خواندن این دانسته‌ها همواره در حال تغییر باشند.
به همین خاطر با گذشت چند دهه اکنون بخش زیادی از محصولات صوتی و تصویری که روی فیلم‌های سینمایی قدیمی یا نوارهای کاست ضبط شده‌اند دیگر به راحتی قابل دسترسی نیستند.
سال‌ها پیش به هنگام عرضه سی دی به بازار خیلی‌ها تصمیم گرفتند کلکسیون موسیقی خود را از صفحات گرامافون به سی دی منتقل کنند اما بعد مشخص شد که سی دی نیز عمری محدود دارد. بعد از آن سیستم ضبط و بایگانی Mp3 ام پی‌تری به بازار آمد ولی ثابت شد که هیچیک از آن‌ها عمری ابدی ندارند.
روش جدید ذخیره‌سازی دانسته‌ها
در روش جدید، دانسته‌ها روی صفحات شیشه‌ای از جنس کوارتز بایگانی شده و به خاطر مقاومت آن در برابر دمای شدید و شرایط نامناسب برای ابد محفوظ خواهند ماند.
فناوری جدید با نقطه‌گذاری مضاعف (دو تایی) در ورق‌های شیشه‌ای که از ماده کوارتز ساخته شده‌اند دانسته‌ها را به شکلی ذخیره می‌کند که خواندن آن توسط یک میکروسکوپ امکان‌پذیر است.
با کمک یک کامپیوتر ساده که بتواند این نقطه گذاریهای مضاعف (دوتایی) را بخواند دانسته‌های ذخیره شده در این لوح شیشه‌ای همیشه قابل دسترس خواهند بود. مهم نیست که به مروز زبان کامپیوترها چقدر پیچیده شوند فقط کافی است که کامیپوتر مورد نظر امکان آن را داشته باشد تا برنامه مخصوص برای خواندن این دانسته‌ها را دریافته و به کار بگیرد.
مساحت این لوح یا چیپ حدود هشت سانتیمتر مربع و ضخامت ن فقط دو میلی‌متر است و ا زجنس شیشه کوارتز ساخته شده که ماده بسیار مقاومی است.
این لوح یا چیپ در برابر بسیاری از مواد شیمیایی و امواج رادیویی آسیب ناپذیر است و می‌تواند گرمای شدیدی تا مرز هزار درجه سانتیگراد را به مدت دو ساعت تحمل کند. در عین حال در مقابل آب نیز مقاوم است و به این ترتیب می‌تواند از سوانح طبیعی مثل آتش‌سوزی یا سیل و بارانهای شدید جان سالم به در ببرد.
در نمونه‌های اولیه و آزمایشی که از این محصول ساخته شده می‌توان دو لایه نقطه‌گذاری را جا داد که به این ترتیب ظرفیت بایگانی آن حدود ۴۰ مگابایت در هر سانتیمتر مربع است.