Kasutaja:Georgros/Füüsiline mälu

Füüsiline mälu või muutmälu (ingl.k Physical memory või Random Acess Memory ehk RAM) on arvutimälu, mis lubab väga kiiret andmevahetust. See on ainukene mäluliik, millel on otsene ühendus protsessoriga ja sisaldab endas programmide käivitamis- ja tööandmeid. Füüsiline mälu lubab andmeid lugeda ja kirjutada peaaegu sama aja jooksul, sõltumata nende andmete füüsilisest kohtast mälus. Füüsiline mälu hõlmab multipleks vooluringe, et ühendada info adresseeritud kohaga ja seal muudatusi teha.

Füüsilist pooljuhtmälu on suures pildis kahte liiki. Dünaamiline füüsiline mälu (ehk mälu, mis kaotab oma info kui toitepinge on kaotatud) ja staatiline füüsiline mälu (ehk mälu, mille info ei vaja perioodilist värskendamist, kuid toimib ikka ainult toitepinge olemasolul.)

Ajalugu

Williams Tube

Esimene füüsilise mälu leiutasid Freddie Williams ja Tom Kilburn aastal 1947 Manchesteri ülikoolis Inglismaal(Williams Tube), mida kasutati edukalt mitmetes algsetes arvutites. Selle maht oli mõnisada kuni mõnituhat bitti.

1947 leiutati ka veel Ferriitmälu (ingl.k magnetic-core memory), mis oli laialdaselt kasutusel aastatel 1955-1975. Ferriitmälus kasutatakse ferriitrõngaid, mis sisaldavad igaüks ühte bitti. Selle südamik võib olla magnetiseeritud päri- kui ka vastupäeva. Selle mälutüübi jaoks ei ole vaja toitepinget, et sinna andmeid salvestada, kuid info lugemise käigus see kustub, sest südamik muudetakse nulliks. Seda nimetatakse hävitavaks lugemiseks.

Pooljuht mälud hakkasid tekkima 1960ndatel aastatel, mis vaatamata oma kiirusele, ei pakkunud konkurentsi ferriitmaludele tänu oma odavusele.

MOS RAM

Isoleeritud paelaga väljatransistori ehk MOSFET-i leiutamisega aastal 1959 kaasnes ka isoleeritud paisuga väljatransistori mälu (MOS), mille leiutas John Schmidt 1964. aastal. Lisaks kiiremale töövõimele, oli see mälu ferriitmaluga võrreldes odavam ning võttis vähem voolu.

Staatiline füüsiline mälu (SRAM) leiutati Robert H. Normani poolt 1963ndal aastal. Sellele järgnes ka MOS SRAM John Schmidti poolt 1964. aastal. Staatilise füüsilise mälu kaubanduslik käsitus algas 1965. Aastal, millal IBM tutvustas nende poolt loodud SP95 pooljuhtmälu.

Dünaamiline füüsiline mälu (DRAM) suurendas palju mälutihedust lenduvuse arvelt. Toshiba Toscal BC-1411 elektrooniline kalkulaator 1965. aastal kasutas 180 biti hoidvat DRAM-i.

Tüübid

Kaks enim kasutatavat füüsilise mälu liiki on Staatiline füüsiline mälu (SRAM) ja Dünaamiline füüsiline mälu (DRAM). SRAM-is on bit ladestatud kasutades kuue transistorilisi mälurakke, tavaliselt on need MOSFE ehk Isoleeritud paisuga välja transistorid. Sellist füüsilist mälu on küll kallim toota, kuid on tavaliselt kiirem ja võtab vähem dünaamilist võimu kui DRAM. Modernsetes arvutites kasutatakse SRAM-i tavaliselt vahemäluna protsessori jaoks. DRAM ladestab biti informatsiooni kasutades transistori ja kondensaatori paari(tüüpiliselt MOSFET ja MOS kondensaator), mis koos moodustavad ühise DRAM-i mäluraku.

Mõlemat, staatilist ja dünaamilist, loetakse lendlevaks, kuna nendele talletatud info kaob, kui võtta välja toide

Üldiselt läheb RAM tahke (ehk mittlelendleva) mälu alla.

Mälurakk

Mälurakk on üks põhilisi elemente arvutis ilma milleta ei saaks see opereerida. Mälurakk on elektrooniline vooluring, mis ladestab endasse ühe biti binaarset informatsiooni.

6 Transistoriga SRAM-i mälurakk

SRAM-is (Staatiline füüsiline mälu), vajab mälurakk kasutamata väga vähe voolu. See on aga väga kallis ja sellel on väike ladestustihedus.

DRAM-i mälurakk (1 Transistor ja üks kondensaator)

DRAM (Dünaamiline füüsiline mälu) on üles ehitatud kondensaatori ümber. Sellele voolu sisse- ja väljalaskmine võib ladestada rakus kas "1" või "0". Vool kondensaatoris aegub aeglaselt, mistõttu peab seda perioodiliselt uuendama. Tänu sellele värskendusprotsessile kasutab DRAM rohkem voolu aga saavutab suuremaid ladestustihedusi ja väiksemaid hindu SRAM-iga võrreldes.

Adresseerimine

Mälurakud peavad olema loetavad ja sinna peale peab saama kirjutada uusi andmeid, et need oleksid kasulikud. Füüsilise mälu seadme sees on kasutatud multipleksimise vooluringe, et valida mälurakke, kus toiminguid teha.

Tavaliselt kasutavad mitu mälurakku samasugust aadressi. Näiteks 4 biti 'laial' RAM kaardil on 4 mälurakku igale aadressile.

Füüsilise mälu teised kasutused

Peale operatsioonisüsteemi ja programmide käivitus- ja tööandmetele kasutatakse füüsilist mälu ka paljude teiste asjade jaoks.

Virtuaalmälu

Paljud tänapäevased operatsioonisüsteemid kasutavad meetodit, millega saab suurendada füüsilise mälu mahtu, seda nimetatakse Virtuaalmäluks. Osa süsteemi kõvakettast pannakse kõrvale ja tekitatakse saaleala, mida koos füüsilise mäluga nimetatakse süsteemi kogumäluks(kui arvutisüsteemil on 2GB füüsilist mälu ja 1GB saaleala on operatsioonisüsteemil kokku 3GB mäluruumi). Kui süsteemil hakkab otsa saama füüsilise mälu ruum, saab "vahetada" RAM-i infot saalealaga, et teha ruumi uutele andmetele, sealjuures lugeda ka infot, mis oli Ramil enne vahetust. Selle mehanismi laialdane kasutamine toob aga kaasa tagajärgi süsteemi kiiruses, sest kõvakettad on palju aeglasemad kui füüsiline mälu.

RAM ketas

Tarkvaraga saab partitseerida(jagada mälu erinevateks eraldiseisvateks osadeks) osa süsteemi RAM-ist ja laseb sellel olla palju kiirem kõvaketas. RAM ketas aga kaotab kogu seal olnud informatsiooni pärast toitepinge kadumist. Ainuke võimalus sealset informatsiooni talletada, on läbi ootel akuseade kasutamise.

Mälusein

Mälusein on kasvav vahe protsessori ja sellest väljaspool olevate mäluseadmete vahel. Aastatel 1986 kuni 2000 kasvas protsessorite kiirus aastas 55%, kuid mälu ainult 10%. Arvati, et selline probleem tekitab suure pudelikaela arvutite jõudluses ja kiiruses.

Protsessorite kiiruse kasvamine aga aeglustas kõvasti füüsiliste takistuste olemasolule ja protsessorite disainid on juba mäluseina mõnes mõttes löönud.

SSD kettad on aga palju kiiremaks muutunud. 400 Mbit/s SATA3 kaudu 2012. aastal, kuni 3GB/s läbi NVMe/PCIe 2018. aastal. See muutus on suures osas sulgenud kiirusevahe füüsilise mälu ja kõvaketaste vahel.