Βασικές έννοιες - ορολογία μνημών

Μνήμη (memory) στα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο μπορεί να αποθηκεύσει ένα σύνολο από δυαδικά ψηφία (bits) τα οποία θα έχουν λογικές τιμές ″0″ και ″1″. Η δυνατότητα που έχει η ″μνήμη″ να αποθηκεύει την πληροφορία σε δυαδική μορφή είναι παρόμοια με την έννοια της μνήμης, όπως τη γνωρίζουμε από την καθημερινή μας ζωή, γι’ αυτό και χρησιμοποιούμε τον ίδιο όρο. Με την ηλεκτρονική ″μνήμη″ αναφερόμαστε στη χρήση της τεχνολογίας των ημιαγωγών πυριτίου για την αποθήκευση της πληροφορίας σε δυαδική μορφή. Η τεχνολογία των ψηφιακών συστημάτων χρησιμοποιεί σε μεγάλο βαθμό μνήμες ημιαγωγού (semiconductor memory) για την αποθήκευση της πληροφορίας με τα υπολογιστικά συστήματα σαν κύρια εφαρμογή τους.

Στους καταχωρητές αναφέραμε ότι τους κατασκευάζουμε χρησιμοποιώντας έναν αριθμό από flip-flops. Ο κάθε καταχωρητής μπορεί να αποθηκεύσει ένα πλήθος από bits, όσα είναι και τα flip-flops που τον αποτελούν. Μπορούμε να πούμε πως η μνήμη κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας έναν καταχωρητή για κάθε μία λέξη της. Σε κάθε λέξη μνήμης αντιστοιχούμε ένα μοναδικό αριθμό τον οποίο ονομάζουμε διεύθυνση (address). Η διεύθυνση χρησιμοποιείται για να μπορούμε να ξεχωρίζουμε τις λέξεις μιας μνήμης μεταξύ τους, ώστε να τις διαβάζουμε και να τις γράφουμε χωρίς να τις μπερδεύουμε (παραδείγματα ανάλογα της διεύθυνσης μνήμης είναι: ο αριθμός ταυτότητας που αντιστοιχεί σε ένα μοναδικό άτομο, η διεύθυνση κατοικίας που αντιστοιχεί σε ένα μοναδικό σπίτι, ο αριθμός τηλεφώνου που αντιστοιχεί σε μία μοναδική συσκευή).

Προσοχή: Η διεύθυνση μιας λέξης μνήμης δεν έχει καμία σχέση με το περιεχόμενό της!

Η κυριότερη εφαρμογή των μνημών ημιαγωγού είναι τα υπολογιστικά συστήματα. Σε έναν υπολογιστή η ηλεκτρονική μνήμη (η οποία ονομάζεται κύρια μνήμη) χρησιμοποιείται για την αποθήκευση των εντολών των προγραμμάτων που θα
εκτελεσθούν από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας, καθώς και των δεδομένων πάνω στα οποία επιδρούν οι εντολές. Η κύρια μνήμη βασισμένη σε τεχνολογία ημιαγωγών είναι ταχύτατη, αλλά συγκρινόμενη με άλλους τύπους μνήμης όπως
μαγνητικούς ή οπτικούς δίσκους είναι ακριβότερη και επιπλέον χάνει τα δεδομένα της με την απουσία τάσης τροφοδοσίας. Επιπλέον χρειάζονται ηλεκτρονικά κυκλώματα επικοινωνίας με την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) τα οποία αυξάνουν την πολυπλοκότητα και επομένως και το κόστος. Για λόγους οικονομίας χρησιμοποιούνται οι μονάδες εξωτερικής μνήμης, βασισμένες σε μαγνητικούς δίσκους (σκληρούς δίσκους) ή οπτικούς δίσκους (CD), για την αποθήκευση των πληροφοριών (προγραμμάτων και δεδομένων) που δεν χρειάζεται άμεσα να βρίσκονται στη μνήμη ημιαγωγών και μεταφέρονται από και προς αυτή μόνο όταν χρειάζεται.

• Κύτταρο (cell) μνήμης

Το κύτταρο μνήμης είναι το βασικό ηλεκτρονικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της στοιχειώδους μονάδας δυαδικής πληροφορίας του ενός bit και μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο λογικές καταστάσεις ″0″ ή ″1″.

• Λέξη (Word) μνήμης

Μία μνήμη αποθηκεύει τις δυαδικές πληροφορίες σε ομάδες bits τις οποίες ονομάζουμε λέξεις. Η πληροφορία που βρίσκεται αποθηκευμένη σε κάθε λέξη εμφανίζεται στις εξόδους της μνήμης κατά τη διαδικασία της ανάγνωσης, ενώ
κατά την διαδικασία της εγγραφής αλλάζει τα δεδομένα της, ανάλογα με τις λογικές καταστάσεις των εισόδων της. Ο αριθμός των bits σε κάθε λέξη καθορίζει το μήκος της. Μία ομάδα των οκτώ bits ονομάζεται Byte. Συνήθως το μήκος των
λέξεων στα Ο.Κ. μνημών είναι πολλαπλάσιο του byte.

• Διεύθυνση (Address)

Κάθε λέξη της μνήμης αντιμετωπίζεται ενιαία. Για να διακρίνουμε τις λέξεις μεταξύ τους με ένα μοναδικό τρόπο αντιστοιχούμε σε κάθε λέξη έναν αριθμό ο οποίος ονομάζεται διεύθυνση. Ο αριθμός της διεύθυνσης γράφεται στο δεκαεξαδικό σύστημα και σπάνια στο δεκαδικό ή στο δυαδικό σύστημα. Ο λόγος είναι ότι οι αριθμοί των διευθύνσεων είναι μεγάλοι και το δεκαεξαδικό σύστημα χρησιμοποιεί λιγότερα ψηφία από το δεκαδικό ή το δυαδικό σύστημα για να εκφράσει τον ίδιο αριθμό, με αποτέλεσμα να διευκολύνει τους προγραμματιστές με τη χρήση του. Για παράδειγμα, η διεύθυνση FEE0 στο δεκαεξαδικό γράφεται ως 1111111011100000 στο δυαδικό και ως 65248 στο δεκαδικό σύστημα. Για τις διευθύνσεις σε Ο.Κ. μνημών χρησιμοποιούνται k γραμμές (ακροδέκτες), κάθε μία από τις οποίες μπορεί να πάρει δύο λογικές καταστάσεις. Οι διευθύνσεις δίνονται κατά μία αύξουσα αριθμητική σειρά ξεκινώντας από το 0 και συνεχίζοντας έως το 2k –1, όπου k είναι ο αριθμός των γραμμών διεύθυνσης.

• Χωρητικότητα (Capacity)

Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά μιας μνήμης είναι η χωρητικότητά της και εκφράζεται από το συνολικό αριθμό των bits που μπορεί να αποθηκεύσει. Για να υπολογίσουμε τη χωρητικότητα πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των λέξεων που μπορεί να αποθηκεύσει η μνήμη με τον αριθμό των bits ανά λέξη. Το πλήθος των λέξεων μιας μνήμης είναι ίσο με το πλήθος των διευθύνσεών της (2k). Η χωρητικότητα εκφράζεται με την χρήση των πολλαπλασιαστών Κ (210=1024), Μ (220=1048576), και G (230=1073741824). Η χωρητικότητα της μνήμης συχνά εκφράζεται με το γινόμενο του συνολικού
αριθμού των λέξεων επί το μήκος της κάθε λέξης: Για παράδειγμα αν έχουμε μια μνήμη με 1024 λέξεις των 8 bits η κάθε λέξη, η χωρητικότητά της εκφράζεται ως 1Κx8 bits (=1024x8 bits). Συνήθως η χωρητικότητα εκφράζεται σε bytes ή τα πολλαπλάσιά του (1 Kbyte ή 1ΚΒ για την μνήμη του παραδείγματος).

• Παράλληλη προσπέλαση (Parallel Access)

Όταν μία μνήμη δηλώνεται ότι είναι παράλληλης προσπέλασης αυτό σημαίνει η είσοδος ή η έξοδος των δεδομένων της λέξης μνήμης γίνεται παράλληλα (ταυτόχρονα). Υπάρχουν τόσες ψηφιακές γραμμές στο Ο.Κ. της μνήμης για τη μεταφορά των δεδομένων όσο είναι και το μήκος της κάθε λέξης της μνήμης σε bits. Συνήθως και η μεταφορά της διεύθυνσης της λέξης που θα προσπελασθεί γίνεται παράλληλα.

• Σειριακή προσπέλαση (Serial Access)

Όταν μία μνήμη δηλώνεται ότι είναι σειριακής προσπέλασης αυτό σημαίνει ότι η είσοδος ή η έξοδος των δεδομένων της λέξης γίνεται σειριακά (μεταφέρεται το ένα bit μετά το άλλο). Σ’ αυτές τις μνήμες υπάρχει συνήθως μία ψηφιακή γραμμή
στο Ο.Κ. της μνήμης για την μεταφορά των δεδομένων. Επίσης σχεδόν πάντα σ’αυτές τις μνήμες και η μεταφορά της διεύθυνσης γίνεται σειριακά. Η παράλληλη προσπέλαση μας εξασφαλίζει τη μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων με κόστος την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων που απαιτούνται λόγω του πλήθους των γραμμών. Η σειριακή  προσπέλαση μας εξασφαλίζει την ελάχιστη πολυπλοκότητα (άρα και κόστος) αφού χρησιμοποιείται συνήθως μια  ψηφιακή γραμμή για τη μεταφορά των δεδομένων, αλλά σε βάρος της ταχύτητας μεταφοράς τους. Ανάλογα με την εφαρμογή θα πρέπει να επιλέγουμε ανάμεσα στους δύο αυτούς τύπους προσπέλασης για το Ο.Κ. μνήμης που θα χρησιμοποιήσουμε.

• Εγγραφή (Write)

Εγγραφή είναι η διαδικασία με την οποία τοποθετούμε νέα δεδομένα μίας λέξης σε μία συγκεκριμένη διεύθυνση. Τα δεδομένα που ήταν αποθηκευμένα σβήνονται με αυτή τη διαδικασία η οποία ονομάζεται και λειτουργία καταχώρησης ή
αποθήκευσης (store).

• Ανάγνωση (Read)

Ανάγνωση είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα μιας λέξης μνήμης, τα οποία είναι αποθηκευμένα σε μία συγκεκριμένη διεύθυνση μεταφέρονται στις εξόδους της μνήμης. Τα δεδομένα που ήταν αποθηκευμένα δεν αλλάζουν με αυτή τη διαδικασία.

• Δίαυλος Διευθύνσεων (Address Bus)

Το σύνολο των ψηφιακών γραμμών οι οποίες μεταφέρουν την πληροφορία της διεύθυνσης στη μνήμη ονομάζεται δίαυλος διευθύνσεων. Κάθε γραμμή διεύθυνσης μπορεί να πάρει μία από τις δύο λογικές καταστάσεις ″0″ ή ″1″. Ο συμβολισμός των ακροδεκτών διεύθυνσης στα Ο.Κ. είναι συνήθως A0, Α1, Α2.. με το Α0 να συμβολίζει το λιγότερο σημαντικό bit, το Α1 το επόμενο σημαντικό bit της διεύθυνσης κλπ.

• Δίαυλος Δεδομένων (Data Bus)

Το σύνολο των ψηφιακών γραμμών που μεταφέρουν την πληροφορία μίας λέξης η οποία, είτε διαβάζεται από μία συγκεκριμένη διεύθυνση της μνήμης, είτε γράφεται σε μία συγκεκριμένη διεύθυνση της μνήμης, ονομάζεται δίαυλος
δεδομένων. Συνήθως στα Ο.Κ. μνημών με παράλληλη προσπέλαση ισχύει ότι, όταν η μνήμη έχει κ ακροδέκτες για τις κ γραμμές δεδομένων, το μήκος της λέξης είναι κ bits. Ο συμβολισμός των ακροδεκτών δεδομένων στα Ο.Κ. είναι συνήθως
D0, D1, D2.. με το D0 να συμβολίζει το λιγότερο σημαντικό bit, το D1 το επόμενο σημαντικό bit κλπ.

• Χρόνος προσπέλασης (Access time)

Χρόνο προσπέλασης μιας μνήμης κατά τη διαδικασία ανάγνωσης ή εγγραφής μίας θέσης της ονομάζουμε το χρονικό διάστημα το οποίο μεσολαβεί από τη χρονική στιγμή που έχει τοποθετηθεί η πληροφορία της διεύθυνσης, έως την χρονική στιγμή που εμφανίζονται τα δεδομένα της λέξης στις γραμμές των δεδομένων (- για ανάγνωση) ή που αποθηκεύονται τα δεδομένα που βρίσκονται στις γραμμές των δεδομένων (για εγγραφή). Ο χρόνος αυτός συμβολίζεται σαν tACC, δίνεται σε nsec ή μsec και αποτελεί ένα μέτρο της ταχύτητας λειτουργίας μιας μνήμης. Αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά τα οποία εξετάζουμε για την επιλογή του ολοκληρωμένου κυκλώματος της μνήμης.

• Μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM Random Access Memory)
  

Είναι ο τύπος μνήμης του οποίου το χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι ότι ο χρόνος προσπέλασης είναι ανεξάρτητος από τη διεύθυνση της λέξης. Αυτό δηλώνεται και με την ονομασία, λόγω του ότι για τυχαία επιλογή μιας λέξης ο χρόνος προσπέλασης είναι σταθερός. Ένα δεύτερο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου μνήμης είναι ότι τα αποθηκευμένα δεδομένα χάνονται όταν παύει να υπάρχει η τάση τροφοδοσίας στο Ο.Κ.

• Μνήμη μόνο ανάγνωσης (ROM Read Only Memory)
  

Είναι ο τύπος της μνήμης του οποίου το χαρακτηριστικό του γνώρισμα είναι ότι τα δεδομένα της δεν αλλάζουν και μπορούμε μόνο να τα διαβάσουμε. Ένα δεύτερο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου μνήμης είναι ότι τα αποθηκευμένα δεδομένα διατηρούνται, όταν παύει να υπάρχει η τάση τροφοδοσίας στο Ο.Κ.

• Πρόσκαιρη μνήμη (Volatile memory)
  

Είναι το είδος της μνήμης με χαρακτηριστικό ότι τα αποθηκευμένα δεδομένα χάνονται όταν παύει να υπάρχει η τάση τροφοδοσίας. Η μνήμη RAM αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα.

• Μη-πρόσκαιρη μνήμη (Non-volatile memory)
  

Είναι το είδος της μνήμης με χαρακτηριστικό ότι τα αποθηκευμένα δεδομένα διατηρούνται όταν πάψει να υπάρχει η τάση τροφοδοσίας. Η μνήμη ROM αποτελεί ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα.