comptia الذاكرة وأنواعها

عند تشغيل برنامج ما على الحاسوب تعمل جميع عناصره مع بعضها كفريق لتشغيل البرنامج وتنفيذ الأوامر، يوجد عنصر في ذلك الفريق له دور مهم في عمل الحاسوب وهو الذاكرةMemory. الجميع يعلم أنَّ حواسيبهم تحوي ذاكرة ولكن هل تعلم ما هي أنواع الذاكرات التي بداخله وكيف تعمل؟ ستتعلم في هذه المقالة مبدأ عمل الذاكرة وأنواعها.

مفهوم الذاكرة ومبدأ عملها

يشير مصطلح الذاكرة إلى إمكانيَّة حفظ وتخزين البيانات والملفات لمدّة من الزمن، ويحوي الحاسوب نوعين رئيسييْن من الذاكرة وهي ذاكرةٌ متطايرةٌ Volatile memory تخزِّن البيانات أثناء عمل الحاسوب فقط وتتلاشى بعد إيقافه مثل ذاكرة الوصول العشوائي RAM‏ (Random Access Memory)، وذاكرةٌ ثابتةٌ (غير متطايرة) Non-volatile memory تحتفظ بالبيانات حتى بعد انقطاع التيار عنها مثل ذاكرة القراءة فقط ROM‏ (Read-Only Memory).

يُخزَّن نظام التشغيل والصور والفيديو والملفات وغيرها تخزينًا دائمًا على القرص الصلب HDD‏ (Hard Drive Disks) الذي يدعى "ذاكرة ثانوية" فالمعالج لا يتعامل معه مباشرةً لبطئه الشديد. وعند تشغيل الحاسوب أو برنامجٍ ما يُنقل نظام التشغيل والبرامج من الذاكرة الثانوية إلى الذاكرة الرئيسية - وهي من نوع RAM‏ - ليعالج إذ إنَّ هذه الذاكرة أسرع بكثير من القرص الصلب.

تتحوَّل جميع البيانات والملفات إلى النظام الثنائي (أصفار وآحاد) لأنَّ عتاد الحاسوب -كما تعلم- يتعامل مع هذا النظام الرقمي فقط أي لا يفهم إلا القيمة 0 أو 1، لذا تتألف الذاكرة من خلايا متجاورة بشكل مصفوفةٍ (أسطر وأعمدة) لها عناوين تخزِّن كلَّ خلية منها القيمة1 بحفظها شحنة كهربائية والقيمة 0 بتفريغها من شحنتها الكهربائية (لا توجد شحنة فيها)، وتختلف طريقة عمل الخلايا وتخزين شحنتها باختلاف نوع الذاكرة. إذا أردت مثلًا تخزين الرقم 55 فيحوله حاسوبك إلى النظام الثنائي ويصبح 110111 الذي يحتاج إلى ست خلايا لتخزينه، هذا يعني أنَّ كلَّ خلية في الذاكرة تخزِّن بتًّا bit واحدًا.

أنواع الذاكرة

سنشرح أهمَّ نوعين في الذاكرة وهما ذاكرة القراة فقط ROM وذاكرة الوصول العشوائي RAM.

ذاكرة القراءة فقط ROM

هي ذاكرةٌ يمكن القراءة منها فقط دون الكتابة أو التعديل عليها، وتُخزِّن الشركة المصنعة محتواها أثناء تصنيعها، وتحتفظ بالبيانات عند انقطاع التيار الكهربائي. تُستخدم لأغراض محدَّدة كتخزين ملفٍّ أو برنامجٍ (مثل برنامج من نوع Firmware) وقراءته دون الحاجة إلى التعديل عليه ومن الأمثلة على هذه الذاكرة هي ذاكرة البيوس. يوجد ثلاثة أنواعٍ لهذه الذاكرة وهي:

الذاكرة القابلة للبرمجة PROM‏

الذاكرة القابلة للبرمجة PROM‏ (Programmable ROM) أو الذاكرة القابلة للبرمجة مرةً واحدةً OTP NVM‏ (One-Time Programmable Non-Volatile Memoty) هي ذاكرةٌ رقميةٌ يكون فيها كل بت مقفلًا بعنصر إلكتروني لا يمكن التعديل عليه. تُكتب البيانات على هذه الذاكرة بعد تصنيعها وتبقى فيها على الدوام دون إمكانية تعديلها أو إزالتها، ولكتابة محتواها توضع في جهاز يدعى "مبرمج PROM". يُستخدم هذا النوع في الأجهزة المحمولة، والمتحكمات المصغَّرة microcontrollers، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية.

الذاكرة القابلة لإعادة المسح والبرمجة EPROM

يمكن مسح محتوى هذه الذاكرة EPROM‏ (Erasable Programmable ROM) خلافًا للنوع السابق بتعريض الخلايا للأشعة فوق البنفسجية ثمَّ إعادة الكتابة عليها. تستهلك هذه العملية (المسح وإعادة البرمجة) من عمر الذاكرة وتصل عدد مرات المسح وإعادة البرمجة إلى 1000 مرة. يوجد أعلى الذاكرة فتحةٌ تسمح بمرور الأشعة فوق البنفسجة إلى الخلايا لمسح محتواها دفعةً واحدةً، لذا يجب نزع هذه الذاكرة من اللوحة ووضعها على جهاز البرمجة لبرمجتها مجدَّدًا وغالبا توضع على مقبسٍ لتسهيل نزعها وإعادة تركيبها.

مصدر الصورة

الذاكرة القابلة لإعادة المسح والبرمجة إلكترونيًا EEPROM

تشبه بنية هذه الذاكرة EEPROM‏ (Electrically Erasable Programmable ROM) النوع EPROM باستثناء أنَّ عملية المسح والبرمجة تُجرى إلكترونيًّا أي لا داعي لإزالتها من اللوحة أو الدارة.

مصدر الصورة: Nevit Dilmen عبر WikiMedia Commons.

عملية الكتابة إلى هذه الذاكرة Flashing بطيئة نسبةً إلى عملية القراءة منها، ومن أنواعها:

• الذاكرة EAROM‏ (Electrically alterable ROM): سرعة الكتابة عليها بطيئةٌ جدًا وتحتاج إلى تيارٍ مرتفع (12 فولط)، وتُستخدم كثيرًا للقراءة في الحالات التي تندر فيها الكتابة عليها. وتُستعمل حاليًا مع الذاكرة CMOS عوضًا عن الذاكرة SRAM التي تحتاج إلى تيار لحفظ محتوياتها.
• الذاكرة Flash: تدعى اصطلاحيًّا الذاكرة الومضية وعُرفيًا الذاكرة "فلاش" وتتَّصف بأنَّ سرعة القراءة والكتابة عليها كبيرةٌ مقارنة مع أنواع الذاكرة EEPROM الأخرى، وعمرها طويلٌ إذ تصل عدد مرات الكتابة والمسح إلى المليون مرة (لا تخف من تلف ذاكرتك لكثرة تهيئتها)، وسعتها كبيرة تزيد عن 64 غيغابايت. بدأ استخدامها في مجالات كثيرة لتحل مكان الأنواع السابقة من الذاكرة ROM وأجهزة التخزين الميكانيكية أيضًا مثل القرص الصلب نظرًا لمزاياها الكثيرة. تبين الصورة ذاكرة فلاش على اليسار ومتحكم الذاكرة على اليمين.

مصدر الصورة: Nrbelex عبر Wikimedia Commons.

ذاكرة الوصول العشوائي RAM

هي من نوع الذاكرة المتطايرة التي تفقد محتواها بانقطاع التيار الكهربائي عنها ولكن توجد أنواع ثابتة من هذه الذاكرة طُورت حديثًا لا تفقد محتواها بانقطاع التيار تسمى ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة NVRAM‏ (Non-Volatile RAM). سميت "ذاكرة الوصول العشوائي" نظرًا لإمكانية الوصول إلى أيِّ موقعٍ في هذه الذاكرة مباشرةً بزمنٍ ثابتٍ سواءً الوصول إلى أول أو آخر عنوان في الذاكرة خلافًا لذاكرة الوصول التسلسلي SAM‏ (Serial Access Memory) التي يجب قراءة جميع الخلايا من البداية للوصول إلى آخر خلية. كما أن زمن القراءة والكتابة في هذه الذاكرة متساويان.

توجد أنواع متعدِّدة لهذه الذاكرة منها ما هو قيد التطوير مثل T-RAM و Z-RAM ولكن سنشرح النوعين الأساسيين وهما SRAM والنوع DRAM.

الذاكرة الساكنة SRAM‏ (Static RAM)

هي ذاكرة من النوع المتطاير وسميت ساكنة لتفريقها عن الذاكرة الديناميكية DRAM‏ (Daynamic RAM) التي تحتاج إلى عملية تنشيط لاستمرار حفظ البيانات كما سنرى لاحقًا.

تتألف الخلية الواحدة عادةً من ستة ترانزستورات ويمكن أن تتراوح بين 4 إلى 10 ترانزستورات من نوع MOSFET لحفظ بت واحد (0 أو 1)، وتحتفظ الخلايا بشحنتها بدوام وجود التيار ما لم يُمح محتواها أو يُعدَّل عليها.

توضح الصورة خلية واحدة مؤلفة من 6 ترانزستورات.

مزايا هذه الذاكرة:

• الاستهلاك القليل للطاقة.
• لا تحتاج إلى دارة تنشيط للخلايا.
• السرعة الكبيرة في القراءة والكتابة.

ومساوئها تتلخص بما يلي:

• ثمنها المرتفع.
• التناسب الطردي بين السعة والحجم، فكلما زادت سعتها زاد حجمها.

تُستعمل على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة، والكاميرات الرقمية، والحاسوب للتخبئة Caching في المعالج وكذاكرة تخزين مؤقت في القرص الصلب وغيرها.

تصنف هذه الذاكرة بحسب نوع الترانزستورات في الخلية أو كونها متطاير أم ثابتة، التي تسمى الذاكرة الساكنة غير المتطايرة nvSRAM، أو بحسب أدائها.

الذاكرة الديناميكية DRAM‏ (Daynamic RAM)

هي ذاكرة متطايرة تتألف الخلية فيها من مكثف وترانزستور، وعندما تكون شحنة المكثف موجبة تأخذ الخلية القيمة 1 وعندما تكون سالبة تأخذ القيمة 0.

لمَّا كان الترانزستور هو شبه ناقل فإنه يسرِّب جزءًا من شحنة المكثِّف التي تتلاشى في النهاية وحينئذٍ تفقد الخلية شحنتها وبالتالي تفقد الذاكرة بياناتها لذا يعاد تجديد شحنة المكثفات خلال فترات منتظمة وتدعى هذه العملية "إعادة تنشيط الذاكرة" ولهذا السبب سميت "ديناميكية". ولا يمكن أثناء عملية التنشيط القراءة أو الكتابة من الذاكرة الأمر الذي يبطئ من سرعتها.

مزايا هذه الذاكرة هي:

• رخيصة الثمن.
• بساطة بنيتها (ترانزستور ومكثف لكلِّ خليَّة).
• سعتها الكبيرة وصغر حجمها.

ومن مساوئها:

• الاستهلاك الكبير للطاقة.
• الحاجة إلى تنشيط خلاياها لدوام حفظ محتواها.
• بطيئة بالموازنة مع الذاكرة SRAM.

تُستخدم ذاكرة رئيسية في الحاسوب (يشار إليها دائمًا "RAM") وذاكرة رسومية Graphics memory في بطاقة العرض.

يوجد نوعان للذاكر ة DRAM وهما:

الذاكرة الديناميكية غير المتزامنة ADRAM‏ (Asynchronous DRAM)

يكون تردُّد هذه الذاكرة مختلفًا عن تردُّد الناقل الأمامي FSB واستُخدمت قديمًا ذاكرة رئيسية في الحاسوب، ومن أنواعها FPM ADRAM‏ (Fast Page Mode ADRAM) والنوع EDO ADRAM‏ (Extended Data Out ADRAM).

الذاكرة الديناميكية المتزامنة SDRAM‏ (Synchronous DRAM)

يكون تردُّد هذه الذاكرة متزامنًا مع تردُّد الناقل الأمامي FSB للوحة الأم إذ يتزايد بذلك معدَّل سرعة نقل البيانات، وتُستخدم ذاكرة رئيسية في الحواسيب. ولهذه الذاكرة أنواع متعددة وهي:

• SDR SDRAM ‏(Single Data rate): هي أول جيل من ذاكرات SDRAM حيث حلَّت مكان الذاكرة BEDO-ADRAM الأحدث من نوع ADRAM. وهي قديمةٌ وبطيئةٌ جدًا (تنقل كلمة واحدة كلَّ نبضة) ومحالٌ أن تراها إلا في الصور، وقيمة الجهد الكهربائي لها هو 3.3 فولط.
• DDR SDR ‏(Doual Data Rate): صدرت عام 2000 وتدعى أيضًا DDR1 وتتمايز بعرض نطاقٍ Bandwidth مضاعف لناقل البيانات وسرعة نقل كبيرة، وهي قديمة.
• DDR2 SDRAM: صدرت عام 2003 وتصل سرعتها إلى ضعف سرعة DDR مع استهلاك أقل للطاقة.
• DDR3 SDRAM: صدرت عام 2007 وهي أيضًا أسرع من DDR2 وأقلُّ استهلاكًا للطاقة، ويوضح الجدول التالي أنواعها.

معدل النقل = معدل البيانات x عرض ناقل الذاكرة (8 بايت أي 64 بت)، وتردُّد الذاكرة هو مقلوب زمن الدورة مع مراعاة الواحدات.

• DDR4 SDRAM: صدرت عام 2014 وهي سريعةٌ جدًا وتعمل بجهدٍ منخفض، ويوضح الجدول أنواعها.

• DDR5 SDRAM: أعلنت شركة JEDEC في شهر آذار من هذا العام أنَّ هذه الذاكرة قيد التطوير وستصدر العام القادم 2018.

ملحوظة: بعض الشركات لا تسمي الذاكرة باسمها القياسي مثل DDR4-xxx بل تستخدم الاسم PC4-xxxx حيث يشير الرقم في الاسم الأول إلى معدَّل البيانات أما الثاني فيشير إلى معدَّل النقل.

تنبيه: إذا أردت شراء ذاكرتين لحاسبك أو أردت شراء ذاكرةٍ جديدةٍ لإضافتها إلى ذاكرة حاسوبك فانتبه إلى توافق التردُّد بين الذاكرتين أي إذا كان لديك ذاكرة DD3-1600 فاشتر ذاكرة أخرى ذات النوع DD3-1600 فإن لم تكن الذاكرتان بالتردد نفسه فلن يعمل الحاسوب، وانتبه أيضًا إلى التوافق مع تردد الناقل الأمامي في اللوحة الأم.

عامل الشكل

تركَّب الذاكرة ضمن شقوق التوسعة على اللوحة الأم وتتألف من لوحة دارات مطبوعة PCB عليها عددٌ من الرقاقات التي تحوي الخلايا بداخلها (الترانزستورات والمكثفات)، وتحدِّد عوامل الشكل عدد الرقاقات ومكان توضُّعها وشكل تعليب الذاكرة وتُستخدم غالبًا مع الذاكرة DRAM، وأشهر عوامل الشكل المستخدمة هي:

SIMM‏ (Single In-line Memory Module)

عرض ناقل البيانات في هذا التعليب إمَّا 8 بت (30‎-pin SIMM) وبذلك تكون السعة العظمى للذاكرة هي 16 ميغابايت أو 32 بت (72‎-pin SIMM) الذي تكون فيه السعة العظمة للذاكرة هي 128 ميغابايت. واستُخدم هذا العامل في ثمانينات القرن الماضي وحتى عقدٍ من الزمن إذ حلَّ مكانه العامل DIMM.

DIMM‏ (Dual In-line Memory Module)

هو الأكثر شهرة في الحواسيب المكتبية ويتراوح عدد الرقاقات على الذاكرة بين 4 إلى 9 وتختلف وظيفة التماسات في الوجه الأول للذاكرة عن وظيفة التماسات في الوجه الآخر مما يضاعف عدد التماسات. توضح الصورة الفرق بين أنواع الذاكرة SDRAM ذات عامل الشكل DIMM.

مصدر الصورة: Cmuelle8 عبر WikiMedia Commons.

SO-DIMM‏ (Small Outline DIMM)

هو أصغر من العامل DIMM حيث يصل إلى نصف حجمه ويُستخدم في الأنظمة ذات المساحات المحدودة مثل الحواسيب المحمولة أو الطابعات المكتبية أو الأجهزة الشبكية ...إلخ. توضح الصورة الفرق بين أنواع الذاكرة SDRAM.

مصدر الصورة عبر WikiMedia Commons.

MicroDIMM

عامل الشكل هذا أصغر حجمًا من SO-DIMM ويُستخدم في الأجهزة الإلكترونية ذات المساحة الصغيرة كالحواسيب المحمولة الصغيرة.

يبين الجدول التالي عدد التماسات لعوامل الشكل DIMM و SODIMM و MicroDIM مع أنواع الذاكرة SDRAM.

ملحوظة: في امتحان compTIA A+ 220-901 توجد أسئلةٌ عن أنواع الذواكر بالتفصيل حتى عن الأرقام في الجداول السابقة (تردد الذاكرة ومعدَّل نقل البيانات وعدد التماسات ...إلخ).

الخلاصة

تعلمنا في هذا الدرس مبدأ عمل الذاكرة الرقمية وأنواعها وأصبحت الآن قادرًا على التمييز بين مختلف أنواع الذواكر ومزاياها، وإن كان لديك حاسوب ٌمكتبي فلا تتردَّد بنزع الذاكرة وفحص نوعها وعامل شكلها.

المصادر

1. Static rando-access memory، ويكيبيديا.
2. Computer memory :Chris Woodford،‏ Explain that stuff.
3. Read-only memory، ويكيبيديا.
4. Programmable read-only memory، ويكيبيديا.
5. EPROM، ويكيبيديا.
6. EEPROM، ويكيبيديا.
7. Dynamic random-access memory، ويكيبيديا.
8. Synchronous dynamic random-access memory، ويكيبيديا.
9. DDR SDRAM، ويكيبيديا.
10. DDR2 SDRAM، ويكيبيديا.
11. DDR3 SDRAM، ويكيبيديا.
12. DDR4 SDRAM، ويكيبيديا.
13. DIMM، ويكيبيديا.
14. SO-DIMM، ويكيبيديا.