آشنایی با ساختار حافظه ها


 

آشنایی با ساختار حافظه ها

 

 

حافظه نهان  

حافظه نهان یکی از حافظه های درون ماشینی است . حافظه نهان ،یک مدار مجتمع ( تراشه ) مستقل یا بخشی از تراشه پردازنده است که می تواند داده ها یا دستورالعمل های ماشین را ذخیره کند . حافظه نهانی که در تراشه ی پردازنده قرار دارد ، حافظه نهان سطح 1 ( L1 ) نامیده می شود ، در حالی که حافظه نهان سطح 2 ( L2 ) روی تراشه دیگر قرار دارد . محتویات حافظه نهان ، کپی مکان هایی از حافظه اصلی است که در ادامه بررسی می شود .

گاهی مقادیر حافظه نهان تغییر می کند، اما تغییر متناظر در حافظه اصلی ، با تاخیر صورت می گیرد . با این وجود، هر مقدار در حافظه نهان در هر زمان متناظر با یک مکان از حافظه اصلی است . واحد انتقال بین حافظه اصلی و حافظه نهان ، تعداد اندکی از بایت ها است . بنابراین ،حافظه نهان برای ذخیره دستورالعمل های ماشین ، مقادیر صحیح ، اعشاری و رشته های کاراکتری کوچک به کار می رود .

 وقتی کامپیوتر می خواهد دستور العملی را اجرا کند ، آن دستورالعمل و داده های مورد نیاز را در حافظه نهان جست و جو می کند . اگر در حافظه نهان وجود نداشته باشند به حافظه اصلی مراجعه می کند و دستورالعمل ها و داده های مورد نیاز  را در حافظه نهان کپی می کند . چون حافظه نهان فقط حجم کمی از داده ها را نگه داری می کند ،لازم است بعضی ازاطلاعات از آن خارج شوند تا اطلاعات جدیدی به جای آن ها قرار گیرد . اگر اطلاعاتی که از حافظه نهان خارج می شوند، از زمانی که در آن حافظه قرار گرفتند تغییر کرده باشند ،باید در حافظه اصلی کپی شوند ، وگرنه نیاز به کپی کردن آن ها نیست .

 معمولا اندازه حافظه نهان در حد مگابایت است . داده ها با سرعت دستورالعمل های پردازنده ، یعنی در حدود 10 نانو ثانیه ( 8-10ثانیه )  یا کمتر ،در حافظه نهان و پردازنده نوشته یا خوانده می شوند . اما، انتقال دستورالعمل ها و داده ها بین حافظه اصلی و حافظه نهان با سرعت کمتری انجام می گیرد که معمولا 100 نانو ثانیه ( 7-10ثانیه ) است .   

 

 

 

حافظه اصلی  

داده ها در این رسانه ذخیره سازی قرار می گیرند تا عملیاتی بر روی آن ها صورت گیرد . دستور العمل های ماشین در این حافظه اجرا می شوند . گرچه حافظه اصلی ممکن است چندین مگا بایت یا حتی در کامپیوتر های بزرگ چندین گیگا بایت از اطلاعات را در برگیرد ، برای ذخیره حجم زیادی از اطلاعات ، به خصوص پایگاه داده بزرگ ، نه تنها کافی نیست بلکه گران است . با قطع جریان برق ، محتویات حافظه اصلی از بین می رود . این حافظه همان RAM  (Random Access Memory) یا حافظه با دستیابی تصادفی است .

 

حافظه نوری  

معروف ترین شکل ذخیره سازی نوری ،  CD دیسک های فشرده ( Compact disk ) هستند که می توانند تا 700 مگا بایت از داده ها را ذخیره کنند . 80 دقیقه از فیلم را می توان روی آن ذخیره کرد . DVD یا دیسک دیجیتال همه کاره ( Digital versatile disk )  می تواند 7/4 یا 5/8 گیگا بایت از داده ها را در هر طرف ( رویه ) ذخیره کند . این دیسک دو طرفه می تواند تا 17 گیگا بایت از داده ها را ذخیره نماید .

 DVDرا Digital Video Disk هم می نامند ، زیرا در اغلب موارد برای ذخیره داده های ویدیویی استفاده می شود.

داده ها از طریق نور روی دیسک نوشته و یا با لیزر خوانده می شوند .

دیسک های فشرده فقط خواندنی ( CD - ROM ) یا دیسک ویدیوی دیجیتال فقط خواندنی  ( DVD - ROM ) قابل نوشتن نیستند ، بلکه برای نگهداری داده ها استفاده می شوند .

نسخه ای از CD به نام CD-R ( Compact Disc Recordable )  و نسخه ای از DVD به نام DVD-R   و DVD+R   وجود دارند که یک بار می توان روی آنها نوشت . این دیسک ها را دیسک های یک بار نوشتن ، چند بار خواندن  ( WORM )  نیز می نامند . نسخه هایی از CD  به نام CD-RW  و نسخه هایی از DVD به نام های DVD-RW  , DVD+RW ,  وجود دارند که چندین بار قابل نوشتن هستند .

سیستم های بایگانی دیسک نوری شامل چندین گرداننده و تعدای دیسک است که دیسک ها می توانند به طور خودکار ( به وسیله روبات ) به گرداننده منتقل شوند .

 

حافظه نوار

در واقع ، رسانه ذخیره سازی نوار برای پشتیبانی داده ها و آرشیو به کار می رود . گرچه نوارها گران تر از دیسک ها هستند اما دستیابی به داده ها در نوار بسیار کند تر است ،زیرا دستیابی اطلاعات در نوار باید به ترتیب انجام شود . به همین دلیل ،حافظه نوار را حافظه دستیابی ترتیبی ( Sequential access memory )  می نامند .

در مقابل ، دیسک ها را حافظه دستیابی مستقیم ( Direct access memory ) می نامند ، زیرا داده ها را در هر مکان از دیسک می توان خواند .

نوارها حجم زیادی دارند ( فعلاً از 40 تا 300 گیگابایت موجود است ) و می توانند از گرداننده نوار جدا شوند . بایگانی های نوار برای نگهداری حجم زیادی از داده ها مثل داده های حاصل از ماهواره ها به کار می روند .

      

سازمان دیسک های مغناطیسی  

دیسک ها از نظر فیزیکی بسیار ساده اند . وقتی دیسک در حال استفاده است ،موتوری آن را با سرعت ثابت می چرخاند ( معمولاً 60 یا 90 یا 120 دور در ثانیه ، ولی دیسک هایی وجود دارند که با سرعت 250 دور در ثانیه می چرخند ).

اجزای گرداننده دیسک عبارت اند از :

   - صفحه   ( platter )

   - سطح یا رویه   ( surface )

   - هد خواندن و نوشتن   ( read-write head )

   - شیار یا تراک   ( track )

   - قطاع یا سکتور   ( sector )

   - سیلندر یا استوانه   ( cylinder )

   - کنترلگر دیسک   ( disk controller )

 

صفحه و سطح

صفحه  دیسک به شکل دایره مسطح است . هر صفحه دو سطح دارد که با مواد مغناطیسی پوشانده شده است و اطلاعات ،روی سطوح صفحه ذخیره می شوند . صفحات از فلز سخت یا شیشه ساخته شده اند . هر دیسک می تواند چندین صفحه داشته باشد . برای اغلب دیسک ها ،پوشش مغناطیسی در هر دو سطح صفحه قرار دارد که دیسک دو طرفه نامیده می شود . بعضی از سیستم های دیسک ارزان ، از دیسک های یک طرفه استفاده می کنند .

بعضی از گرداننده های دیسک ، چند صفحه دارند که فاصله این صفحات با یکدیگر ، یک اینچ است . دیسک های یک صفحه ای ، دیسک های فلاپی هستند .

 

هد خواندن و نوشتن

هد خواندن و نوشتن ابزاری برای خواندن و نوشتن اطلاعات روی دیسک است . این هد درست در بالای هر سطح صفحه وجود دارد . یعنی به ازای هر صفحه دو هد خواندن و نوشتن تهیه شده است ( یکی به ازای هر سطح ) . هد ، نوعی سیم پیچ است.

راهکار نوشتن بر این حقیقت استوار است که با عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ ،میدان مغناطیسی به وجود می آید . پالس ها به هد ارسال می شوند و الگوهای مغناطیسی که برای جریان های مثبت و منفی متفاوت اند ، در صفحه زیر آن ثبت می شود . راهکار خواندن بر اساس این حقیقت است  که حرکت میدان مغناطیسی نسبت به سیم پیچ ،جریان الکتریکی را در سیم پیچ تولید می کند . وقتی سطح دیسک از زیر هد عبور می کند ،جریانی با همان پلاریته ثبت شده ایجاد می گردد.

راهکار هد ،دیسک ها را به سه دسته تقسیم می کند که به شرح زیر می باشند :

    - هد با سطح دیسک تماس دارد ( فلاپی )

    - هد با سطح دیسک فاصله ثابتی دارد .

    - فاصله سطح دیسک  با هد ،آیرودینامیکی است ( دیسک وینچستر ) .

در دیسک های فلاپی ،هد در زمان خواندن و نوشتن ، با رسانه ( دیسک ) تماس فیزیکی دارد . فلاپی ، صفحه ای کوچک ، قابل انعطاف و ارزان ترین نوع دیسک است .

معمولاً در اغلب دیسک ها غیر از ( فلاپی ) ، هد خواندن و نوشتن ، با فاصله ثابتی از سطح دیسک قرار دارد . هر چه هد به سطح دیسک نزدیک تر باشد ، چگالی اطلاعات روی دیسک بیشتر است .

برای درک دیسک نوع سوم ، نیاز به توضیحی راجع به رابطه بین چگالی و اندازه فاصله ی هوایی است . هد باید یک میدان الکترومغناطیسی با اندازه کافی را ایجاد یا حس کند تا عمل خواندن و نوشتن را به طور مناسب انجام دهد . هر چه هد باریک تر باشد ، باید به سطح هد نزدیک تر باشد تا عمل کند . هد باریک تر به معنای شیارهای باریک ترو در نتیجه چگالی داده ای بیشتر است که مطلوب می باشد . اما هرچه هد به دیسک نزدیک تر باشد ،خطر ناشی از ساختار نامناسب بیشتر می شود .

 با پیشرفت فناوری ، دیسک های وینچستر  به وجود آمدند . هد های وینچستر در گرداننده ای مهر و موم شده است که فاقد آلودگی است . این ها طوری طراحی شدند که نسبت به هد های سنتی نزدیک تر به سطح دیسک عمل می کنند و در نتیجه چگالی داده ها افزایش یابد . هد در واقع یک ورق نازک ( فویل ) آیرودینامیکی است که وقتی دیسک حرکت نمی کنند بر روی سطح صفحه قرار دارد . فشار هوای ناشی از چرخش دیسک برای بلند شدن این ورقه نازک کافی است . سیستم بدون تماس می تواند طوری برای استفاده از هد های باریک مهندسی شود که نسبت به هد های دیسک  قدیم باریک تر و نزدیک تر به صفحه باشد .  

 

شیار ها و قطاع ها  

سطح دیسک از نظر منطقی به شیارهایی تقسیم می شود که پهنای آن به اندازه هد خواندن و نوشتن است . هر شیار به قطعات کوچک تری به نام سکتور تقسیم می شود . سکتور یا قطاع کوچک ترین واحد اطلاعاتی است که می تواند از دیسک خوانده یا روی دیسک نوشته شود . بین هر سکتور دیسک ، فاصله ای وجود دارد تا تشخیص ابتدای سکتورها  به آسانی انجام گیرد . فاصله بین سکتورها تقریباً 10 درصد از کل شیار را تشکیل می دهد .فاصله را گپ نیز می گویند .

  بدیهی است که طول شیارهای نزدیک  به مرکز ( درونی تر )  نسبت به شیارهای  که از مرکز فاصله بیشتری دارند ( بیرونی تر ) بیشتر است . در دیسک های قدیمی تعداد سکتورهای موجود در شیارهای درونی تر و شیارهای بیرونی تر یکسان بود ولی در دیسک های نسل جدید شیارها بیرونی تر نسبت به شیارهای درونی تر سکتورهای بیشتری دارند . در دیسک های فعلی اندازه سکتورها 512 بایت است . در هر صفحه در حدود 50،000 تا 100،000 شیار ، و در هر دیسک 1تا 5 صفحه وجود دارد .

معمولاًدر هر شیار درونی تر ،در حدود 500 سکتور و در هر شیار بیرونی تر در حدود 1000 سکتور وجود دارد . البته این اعداد از مدلی به مدل دیگر در دیسک ها فرق می کند . مدل هایی با ظرفیت بیشتر ، در هر شیار تعداد بیشتری از سکتور ها ، و در هر صفحه تعداد بیشتری از شیارها وجود دارد .

 

A)

/ 0 نظر / 39 بازدید