הזכרון הראשוני

מתוך WikiBook

במחשב קיימים שני סוגי זכרונות ראשיים (פנימיים): ה-Ram וה-Rom. ה- Read Only Memory Rom הינן זיכרון אשר נכתב פעם אחת ע"י טכנאי המחשב ולא ניתן לשנותו. ה- Random Access Memory Ram לעומת זאת הינו זיכרון אשר עליו ניתן לשמור מידע חדש אולם לא לטווח ארוך, כלומר, עם כיבוי המחשב ייעלם המידע (מידע נדיף). שני הזכרונות הפניימים הינם מהירים, אולם על מנת לשמור קבצים לטווח ארוך יש צורך בדיסק הקשיח או בכל זכרון חיצוני (משני) אחר.

לזכרון הראשוני (זכרון לטווח קצר) יש מספר תפקידים: אחסון התכנית, אחסון הנתונים, שימוש כאכסניה (גם אם זמנית) לתוצאות העיבוד, ואחסון תוכנית מערכת ההפעלה. כדי למלא תפקיד זה מתאפיין הזכרון הראשוני-האזור במחשב בו הנתונים והתוכניות שמורים, בעת שמריצים את התוכניות על הנתונים. למשל, כאשר משתמשים במעבד תמלילים, זיכרון המחשב מכיל את התוכנית (מעבד התמלילים), ואת הנתונים (המלים והמשפטים שכבר הקלדנו). תכונה זו דומה לזיכרון הקצר שיש לנו בני האדם במוח, ברגע שאדם נשאל שאלה המוח הולך ומחפש את התשובה קודם כל בזכרון לטווח קצר ורק עם התשובה לא נמצאת הוא פונה לזכרון ומחפש אותה שם. לדוגמה ביצעת תרגיל מסויים אם תישאל על התשובה או על הפעולה מיד (טווח קרוב לביצוע) לאחר סיום התרגיל התשובה תהיה כמעט מיידית, אבל אם לא תצטרך "להיזכר" במה שעשית. כמו במחשב גם הזכרון לטווח קצר שלנו קטן יותר מהזכרון ומוגבל יותר.ניסוי נחמד שיכול להמחיש את הנקודה הוא כזה: נסו לבקש מחבר "שישלוף" לכם הכי מהר שהוא יכול מספר רב ככל האפשר של כלי נגינה (לדוגמה יכול להיות כל דבר אחר) סיפרו כמה כלים הצליח חברכם לתת לפני שהתחיל "לחשוב" (להגיד אההה...או להיתקע). בדרך כלל המספר יהיה קטן משבע מכיוון שזהו הזכרון לטווח קצר של האדם. לעומת זאת אם ניתן לו זמן לחשוב\לפנות לזכרון אני בטוח שנקבל יותר משבע תשובות.

זיכרון המחשב מבוסס על טרנזיסטורים קטנים מאד, מרוכזים במאות אלפים או מליונים על גבי שבבי סיליקון(שבב Chip- פיסת סיליקון עליה מרוכזים מספר גדול של טרנזיסטורים. האמצעי שאיפשר את פיתוחם ומזעורם של מחשבים בשלושים השנים האחרונות של המאה העשרים).בשתי תכונות עקריות: מהירות ונפח. יש המשייכים את הזכרון הראשוני כחלק של יחידת העיבוד המרכזית, ויש הרואים בו חלק נפרד. מכל מקום, הזכרון הראשוני פועל בצמידות, ונמצא בדרך כלל סמוך מאד פיזית, ליחידת העיבוד המרכזית (ראה ערך CPU-יחידת העיבוד המרכזית). האחסון שעליו דיברנו כשהכרנו את עקרון התכנית המאוחסנת, מתבצע תמיד בזכרון הראשוני. לצידו של הזכרון הראשוני המהווה חלק הכרחי בכל מחשב חשמלי ספרתי, יש במרבית המחשבים גם זכרון משני[Secondary memory זכרון במחשב שאיננו משמש תפקיד ישיר בתהליך העיבוד. מכיל נפח גדול הרבה יותר מן הזכרון הראשוני. אטי וזול מן הזכרון הראשוני. תקליטונים, כוננים קשיחים ותקליטורים הם חלק מן הזכרון המשני.].

במשך רוב הזמן הנתונים והתוכניות במחשב שמורים בזכרון המשני (תקליטים, תקליטונים, תקליטורים וסרטים). אבל כדי שיחידת העיבוד המרכזית[ליבו של המחשב. המקום בו מתבצעים עיבודים והחישובים. היע"מ מכיל יחידה אריתמטית-לוגית, יחידת בקרה, וקוצב. במחשבים מקביליים יש יותר מיע"מ אחת. מחשבים סדרתיים מכילים רק יע"מ אחת] תעשה שימוש בתוכניות ובנתונים, צריך תחילה להעביר עותק של התוכנית ושל הנתונים לזכרון הראשוני. לפעמים נקראים מן הזכרון המשני ומועתקים התכנית בשלמותה, וכל הנתונים עליה התוכנית אמורה לפעול אל תוך הזכרון הראשוני. לפעמים, בגלל מגבלות מקום, מועתקים רק חלקים מן הנתונים ו/או התכנית. אבל הנקודה החשובה היא שפעולת העיבוד מתבצעת תוך העברה מהירה, הלוך-ושוב, של הוראות (חלקי תכנית) ונתונים, בין הזכרון הראשוני ובין שאר רכיבי היע"מ[CPU]. תכונתו החשובה ביותר של הזכרון הראשוני היא, לכן, מהירות גישה גבוהה(Access speedהמהירות שבה ניגשים ראשי הקריאה/כתיבה מעל המסילה הדרושה ולהתייצב מעל הסקטור הנכון). האופן בו שומר הזכרון הראשוני את הנתונים שבו מהווה אחת מההגדרות הראשוניות של איכותו ומהירות פעולתו של המחשב. כפי שנראה להלן, אמצעי זכרון משני מבוססים לעתים על שיטות אחסון ואחזור מכניים. הזכרון הראשוני, לעומת זאת פועל תמיד בשיטה מהירה, אלקטרונית. גודלו של הזכרון הראשוני הוא מימד נוסף המגדיר את המחשב. הגודל מתבטא במספר התאים. בשנותיו הראשונות, הכיל המחשב לכל היותר מספר אלפי בתים (kilo bytes) של זכרון ראשוני. בימינו, נמדד נפחו של הזכרון הראשוני של מרבית המחשבים במאות אלפים או מיליונים של בתים, לפעמים עד אלפי מיליונים של בתים (mega bytes). הזכרון המשני מתאפיין בנפחי זכרון גדולים יותר, עלויות נמוכות יותר לכל יחידת אחסון, ומהירות גישה נמוכה יותר. בדרך כלל, נפחו של הזכרון המשני גדול בהרבה מן הנפח של הזכרון הראשוני באותו מחשב.

כסיכום ביניים, נחזור ונדגיש שתכונות הנפח ומהירות הגישה הן התכונות החשובות ביותר של התקני זכרון. הטכנולוגיה בה מיושמים תאי הזכרון הם המכתיבים שתי תכונות אלה. לכן נפנה עתה לדיון באופי ובמבנה הפיזי של הזכרון במחשב. הדיון יתרכז תחילה בטכנולוגיה של אמצעי זכרון ראשוני.

כיוון שכבר הגדרנו מחשב כמכונה הקולטת, מעבדת, ופולטת סמלים (נתונים), הרי ברור שתפקידו של זכרון המחשב הוא לאגור נתונים. כזכור, המחשב מייצג נתונים בצורה ספרתית ובינארית. ספרות בינאריות כלומר מספרים שערכם יכול להיות רק 0 או 1, מאפשרות ייצוג מספרים מכל גודל שהוא, וגם אותיות ונתונים מסוגים אחרים. כזכור, סכמות קידוד ,וחשבון בינארי מאפשרות את ההמרה של אוסף ספרות בינאריות לאותיות מספרים, או תכנים אחרים אותם הספרות מייצגות. במשך עשרות השנים האחרונות, נעשה שימוש בכלים טכנולוגיים שונים לייצוג ואחסון ספרות בינאריות בזכרון המחשב. בשנים הראשונות של המחשבים היה הייצוג באמצעות אוסף מגנטים (גלעיני מגנט-magnetic core ). כל מגנט יצג את הערך "0" או "1" על ידי כיוון הזרם המגנטי שבו. הגלעינים המגנטיים היו מסודרים ברשת, כך שלכל גלעין היתה כתובת -- מיקומו של הגלעין. כתובת זאת שימשה את המחשב ותוכניותיו כדי לאתר "תא" שאותו היה צורך לקרוא או לשנות.

מחשבים מודרניים עושים שימוש בטכנולוגיה חדשה יותר של חצאי-מוליכים (semiconductors) לייצוג ואחסון של נתונים ספרתיים. אבל גם הזכרון הראשוני של המחשבים העדכניים מכיל "תאים". כל תא מיוצג על ידי רכיבים אלקטרוניים: טרנזיסטור וקבל (transistor and capacitor). ייצוג הספרה הבינארית נעשה על ידי טעינה של הקבל. קבל טעון מייצג את הספרה "1", וקבל שאיננו מכיל מטען מייצג את הערך "0". גם בזכרון המבוסס על טכנולוגיה של חצאי-מוליכים התאים מסודרים בכעין רשת. לכל תא יש "כתובת" המגדירה את מקומו ברשת דו-מימדית של התאים. כל תא מחובר לשני קווי מיעון (addressing lines). קווי המיעון הם כמו קווי חשמל או טלפון, או כמו קווי קואורדינטות במפה. הקווים של המיעון פרוסים בשתי וערב אנכי ואופקי. בין הקבל (המכיל ומייצג את תוכנו של התא) לבין קווי המיעון מוצב טרנזיסטור. הטרנזיסטור משמש כמתג, המאפשר גישה בין קווי המיעון לקבל, בתנאי ששני קווי המיעון "דולקים". כפי שאפשר לראות באיור המצורף, שיטה זאת מאפשרת "קריאה" ו"כתיבה" של כל תא ברשת.

השבב: מערכי ענק, המכילים אלפי תאי זכרון כאלה, ממוזערים על גבי לוחית קטנה של סיליקון שגודלה פחות ממטבע של שקל חדש. לוחיות סיליקון אלה נקראות שבבים (chips). השבב מיוצר על גבי פרוסות שנוסרו מגבישי סיליקון. גידול הגבישים הוא תהליך תעשייתי מורכב. ניסור פרוסות מן הגבישים הוא תהליך מסובך. אך התהליך הקשה מכולם הוא ההדפסה, בצפיפות גבוהה מאד, של כמה עשרות שכבות של מרקמים של חומר בעל תכונות חשמליות מיוחדות על גבי הפרוסה. תוצאתה של ההדפסה היא יצירת הטרנזיסטורים, הקבלים והנגדים על גבי המטבע הקטן הנקרא שבב.

שבבים פשוטים משמשים כאמצעי זכרון ראשוני. שבבים מסובכים יותר משמשים כמעבדים. עם השנים והתפתחות הטכנולוגיה, השבבים הולכים ונעשים צפופים יותר, ומכילים מספרים גדולים והולכים של טרנזיסטורים ביחידות שטח קטנות יותר ויותר. לכן, הטכנולוגיה של ייצור שבבים נקראת טכנולוגיה של אינטגרציה משולבת רבה (very large scale integration), או בקיצור, VLSI. ככל שמפעל המייצר שבבים יכול לצופף יותר רכיבים על גבי שבב קטן יותר, יהיו מהירות הכתיבה והקריאה ומהירות העיבוד באמצעות שבב זה טובים יותר. שיטות הייצור בשנות התשעים הגיעו כבר לרמת צפיפות של מיקרונים (חלקי מיליון של סנטימטר) בודדים. אך התעשייה איננה נחה על שמריה, ומנסה להוסיף ולצופף עוד ועוד רכיבים על גבי שבב אחד. למשל, במפעלי חברת אינטל, המייצרים בין השאר גם בישראל שבבים למיקרו מחשבים מסוג 80386 ו 80486, כבר הגיעו לרמת צפיפות של 5 מיקרון או פחות. המשמעות של מזעור כה רב היא שבשטח הקטן מאלפית קוטרה של שערה מראשנו, מצטופפים שניים עד ארבעה רכיבים אלקטרוניים שונים. ממחשבה על רמת המזעור הזאת יובן גם מדוע סביר שבדורות הבאים של מחשבים, בעוד עשר או עשרים שנה, כבר לא נוכל לעשות שימוש בהולכה חשמלית בלבד: גודלם של הרכיבים הולך ומצטמצם כל כך שהוא מתקרב לגדלים של מולקולות החומר עצמו. אנו צופים שבדורות הבאים של מחשבים יעשה שימוש במולקולות עצמן -- אלא שאז המחשב לא יהיה יותר "מכונה חשמלית".

שבבי RAM (RAM Chips): הזכרון הראשוני העומד לרשות המשתמש, זה שאליו אפשר לטעון תוכניות ונתונים, ידוע כזכרון בגישה ישירה ואקראית, או Random Access Memory. לשם קיצור מכונה זכרון זה RAM. שמו של ה RAM ("זכרון בגישה ישירה/אקראית") נגזר מן העובדה שזמן הגישה לכל אחד מתאי הזכרון הזה זהה, אחיד ומהיר ככל האפשר. כפי שנראה בהמשך, יש במחשבים התקני זכרון אחרים בהם מהירות הגישה נמוכה יותר, וגם איננה אחידה לכל הנתונים. נפחו של ה RAM, הנמדד במאות אלפים או מליונים של בתים (Bytes) הוא אחת התכונות החשובות ביותר של יחידת חומרה[הגוף הפיזי של המחשב. המחשב האישי מורכב מכמה מרכיבים בסיסיים: :המסך ( צג או מוניטור), המעבד, החוטים, הרמקולים, המקלדת, העכבר, כונן הדיסקים וכו.]. נפח זה מהווה גבול עליון לגודלה של חבילת התוכנה (אוסף ההוראות) שניתן לטעון למחשב. נפח ה RAM הוא בעצם המאפיין החשוב ביותר של החומרה הפועלת על פי עקרון התכנית המאוחסנת. בזיכרון זה אגור חלק מהמידע שהמחשב זקוק לצורך עבודתו העכשווית. תוכניות, נתונים, טבלאות מיקום, מספרי תאי עבודה, ועוד . ככל שזיכרון זה גדול יותר המחשב יעבוד במהירות רבה יותר. משול הדבר לשולחן עבודה של בעל מלאכה. ככל שהשולחן גדול יותר ניתן לשים עליו יותר כלים, מכשירים ואביזרים שונים ועל ידי כך להחיש את מהירות העבודה.חסרונו הגדול של זיכרון זה הוא שברגע שהופסקה פעולת המחשב כל המידע שבזיכרון זה נעלם ללא כל אפשרות שחזור. מכאן ישנה חשיבות רבה לביצוע אחסון (שמירה) של הנתונים כל פרק זמן קצוב.כיום מקובל זיכרון של לא פחות מ- 64Mbit אך רצוי זיכרון גדול ככל האפשר במיגבלות המחשב המסוים.

VRAM - זיכרון וידאו - זהו סוג מיוחד של RAM המשמש לשמירת תמונת המסך בכל רגע נתון. על מנת להמנע מהצורך ל'חשב' את מראהו של המסך בכל פעם שמבוצע שינוי במסך, נשמרת תמונה עדכנית של המסך בזיכרון זה. בכך חוסך השימוש ב VRAM את הצורך לבצע חישובים ארתמטיים מורכבים בכל פעם שמציגים תמונה חדשה על גבי המסך.

מחשבים אישיים מכילים מאות אלפים או מליונים בודדים של בתים ב RAM. למשל, הזכרון הראשוני של מחשבים "תואמי IBM" ישנים (מתחילת שנות ה- 80) הכיל לא יותר מאשר K640 בתים. מחשבים אישיים חדשים יותר עשויים להכיל 8 או 16 מגהבייט (8 or 16 MegaByte) או יותר של זכרון ראשוני. בדרך כלל, ניתן להרחיב את הזכרון הראשוני על ידי הוספה של שבבי RAM, כלומר על ידי תוספת של תאי זכרון. הנתונים בזיכרון ה ram נשמרים כל עוד מגיע לשבב זרם חשמלי. כאשר מכובה המחשב נמחק תוכנו של זכרון זה.

שבבי ROM (ROM Chips- read only memory): הזכרון הראשוני מכיל גם סוג שני של תאי זכרון. שבבי ROM מהווים רכיב של הזכרון הראשוני שאינו נגיש למשתמש. שבבים אלה מכילים תאי זכרון סטטי. תוכנו של הזכרון הזה נקבע על ידי היצרן, ונכלל בחומרה, בדרך כלל כבר בעת קנייתה. שבבים אלה מכילים תוכניות שהיצרן מעוניין להעמיד לרשות הצרכן, אך אינו מעוניין שהמשתמש יוכל לשנותן או להחליפן.יתרונו בכך שאינו נמחק בעת הפסקת החשמל.משתמשים בו כדי לאגור בתוכו תוכניות קבועות מבלי שהמשתמש יצתרך לכתוב את התוכנית מחדש. פעולת ה- ROM מבוססות על שימוש בדיודה וטרנזיסטור אך הכתיבה החד פעמית תהליך ארוך ויקר ולכן התפתחו רכיבים כמוPROM.בין התוכניות הנכללות ב ROM יכולות להיות חלקים של מערכת ההפעלה, תוכניות הקובעות את אופן ההצגה של תווים על אמצעי פלט, או תוכניות ונתונים אחרים שצפוי להם שימוש תדיר לכל אורך חיי המחשב.

שבבי PROM ו-EPROM: שבבים המיועדים לשמש זכרון ראשוני ארוך טווח, אך כזה שניתן גם לשנותו, עושים שימוש בטכנולוגיה משוכללת וגם יקרה יותר. שבבים מסוג EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) מאפשרים "כתיבה" או צריבה חד פעמית של תוכנם. שבבי EPROM משמשים גם הם למטרות שעיקרן קריאה (על ידי המשתמש או תוכניותיו), אך שבבים אלה יקרים יותר, ומאפשרים גם כתיבה עליהם ומחיקה וכתיבה שוב ושוב.
חסרון רציני של ה-PROM הוא בכך שהמחיקה נעשית לכל אורך הזיכרון ולא ניתן למחוק רק חלק ממנו. ואילו של ה-PROM שרק מתכנת מקצועי יכול לתכנת עם מכשור.

שבבי FLASH MEMORY: שבבים חדשניים אלו מאפשרים רישום ומחיקה של נתונים. הנתונים בשבב נשמרים ללא צורך במתח חשמלי כל שהוא. כיום משמשים שבבים אלו בעיקר בכרטיסים 'חכמים' כדוגמת כרטיסי 'כסף אלקטרוני' בו ניתן לבצע תשלומים. ה'יתרה' נשמרת בכרטיס ע"י שימוש בשבב flash קטן. בעתיד ניתן יהיה לראות יותר ויותר שבבים כאלו המשמשים לאחסון כמויות נתונים גדולות במחשבים אישיים.

זכרון "cache" ( "זכרון מטמון"): ישנם מחשבים בהם מותקנים שבבי זכרון ראשוני מהירים עוד יותר מן השבבים המשמשים לאחסון מרבית תכולת ה RAM. שבבים אלה יקרים יותר אך מהירים יותר מן המסה העיקרית של הזכרון הראשוני. תפקידם לשמש חיץ (buffer) נוסף בין הזכרון למעבד. בהיותם שבבים מהירים יותר, אפשר לאחסן בהם את הנתונים וההוראות שבהם נעשה שימוש יותר תכוף, ובכך להקטין את זמן ההמתנה הממוצע של המעבד לשליפה מן ה RAM או לכתיבה אליו. לעתים זכרון המטמון מהווה חלק מן הרכיב הפיזי של המעבד. זכרון ה cache מתפקד בדרך כלל רק כמתווך בין רכיבי זכרון ראשוני גדולים ואטיים ממנו, לבין המעבד. לזכרון המטמון, כמו זכרון הRAM , חסרון המתבטא בנדיפות ( המידע אינו נשמר לאחר כיבוי המחשב). אתר יצרנית השבבים "אינטל"

פרקי ספר הלימוד