RAM nasıl çalışır??

Tanım

PC'lerimizdeki bellekler, sistemde yer alan işlemci ve grafik kartları gibi veri yaratan ve işleyen birimlerin ortaya çıkardığı verilerin uzun ya da kısa süreli olarak saklandığı işlevsel birimlerdir. Sabit disk sürücüler, sistem RAM'leri, işlemcilerin içindeki cache diye tabir edilen bellekler, BIOS'un saklandığı EPROM'lar, grafik kartlarının üzerindeki RAM'ler, CD'ler, disketler v.s. hepsi PC'lerde yer alan bellek türleridir.




RAM Çeşitleri

RAM'lerin, fiziksel yapıları ve çalışma prensipleri itibariyle mikroişlemcilerden hiç bir farkı yok. Tıpkı mikroişlemciler gibi, silikon üzerine işlenmiş çok sayıda transistörün, bu defa ağırlıklı olarak veri erişiminin kontrolü ve verinin saklanmasıyla ilgili belli işlevleri yerine getirmek amacıyla birbirine bağlanmasıyla ortaya çıkmış ve nispeten daha az karmaşık olan elektronik yapılar. Bu yüzden mikroişlemci teknolojileriyle RAM teknolojilerini ilgilendiren konular tamamıyla ortak. RAM teknoljilerini süren hedef, mikroişlemcilerde olduğu gibi, daha küçük transistörler üretmek, bu sayede aynı büyüklükte bir silikon parçasına daha fazla transistör yani daha fazla işlev sığdırmak ve silikonun daha hızlı çalışmasını sağlamaktır. Bu amaca ulaşma yolunda karşılaşılan engellerin çoğu üretim teknolojilerindeki gelişmelerle aşılmakta olup geri kalan kısım ise geliştirilen daha akıllı algoritmalar ve protokollerle çözülüyor. İşte RAM türlerini bu protokoller belirliyor.


Dizüstü PC’lerde kullanılan SO-DIMM

Masaüstü PC’lerdi kullanılan DIMM

Çoğumuz, SDR-RAM, DDR-RAM, DDR II RAM, RDRAM ve hatta artık mazi de kalmış olsa da EDO RAM gibi kısaltmaları duymuşuzdur. Bu kısaltmalar, RAM'e erişmek, yani RAM'den veri okumak ya da RAM'e veri yazmak için kullanılan protokol hakkında bize bilgi verir. Örnek olarak, günümüzde en popüler RAM türü olan DDR bellekleri verebiliriz. Buradaki DDR (Double Data Rate) kısaltması, çift veri hızlı bellekler anlamında kullanılıyor. Bir önceki nesil bellek türlerine isim veren SDR (Single Data Rate) kısaltması ise tek veri hızlı RAM'leri simgeliyor. Bu kısaltmaları daha detaylı açıklayabilmek için sonraki bölümlerde değineceğimiz bazı kavramları anlamak gerekiyor. Bu noktada, ön bilgi olarak söyleyebileceğimiz, DDR ve SDR kavramlarının senkron olarak çalışan, yani veri akışının bir saat işaretiyle düzende tutulduğu tip RAM'lerde, bir saat periyodu içinde gerçekleşen veri akış hızını belirttikleri olacaktır. RD-RAM ise RAMBUS firması tarafından geliştirilen RAMBUS veriyolu üzerinde çalışan, bazı yönlerden DDR'a benzeyen, İngilizce'deki 'RAMBUS Direct' kelimelerinin baş harflerinden ismini alan bir RAM türüdür.






Kavramlar ve Parametreler

Tekrar su benzetmesinden elektronların dünyasına dönecek olursak, bazı kavramları anlamızın kolaylaştığını göreceğiz.

PRECHARGE: Bu kelimeyi çoğumuz duymuşuzdur. Özellikle BIOS'ta RAM'lerle ilgili parametrelerle oynayıp bellek modüllerinden son performans damlasını sıkarak çıkartmaya çalışanlarımız RAS-to-Precharge Delay gibi terimlerle karşılaşmıştır. PRECHARGE'ın karşılığı, sütunlara ait ana boruların okuma ve yazma öncesinde doldurulmasıdır. Gerçekte benzetmemizdeki borular yerine metal hatları su yerine elektronlarla yani elektriksel yükle doldurduğumuz için 'PRE-CHARGE' yani 'ÖN YÜKLEME' terimi kullanılmıştır.

CAS: Diğer bir parametre olan ve CAS diye tabir edilen Column Access Strobe yani Sütun Erişim Darbesi de aynı mekanizmayla kolayca açıklanabilir. Okuma sırasında hücremiz sütuna ait borudan su emerek borudaki su seviyesini azaltmaya çalışırken, seviyedeki bu azalma, hücremizin boyutları önceden belirttiğimiz az yer kaplaması amacıyla küçük tasarlanması sonucu hücremizi ana boruya bağlayan vananın bulunduğu hat dar olduğu ve hücremizin emiş gücü de boyutlarıyla orantılı olarak düşük olduğundan, yavaş gerçekleşmektedir.

RAS: Adreste belirtilen satır numarasının çözümlenmesi ve belleğimizde o satırda yer alan bütün hücrelere ait vanaların açılabilmesi için beklenmesi gereken süreye RAS (Row Access Strobe) yani Satır Erişim Darbesi deniyor. RAS da CAS gibi saat periyodu cinsinden belirtiliyor. Dolayısıyla RAS'ı küçük lan bellekler daha hızlı oluyorlar.

RAS-TO-CAS DELAY: Erişim sırasında, bildiğimiz gibi, önce bankadaki ilgili satır okunmaya başlıyor, bit hattını temsil eden borudaki su yani yük seviyesi ilgili hazneler tarafından algılanabilir seviyeye çekilene kadar bekleniyor, ardından ilgili sütun belirleniyor ve o sütuna ait algılayıcılara ‘algıla’ komutu veriliyor.
RAS-TO-PRECHARGE DELAY: Bildiğimiz gibi her okuma ve yazma işlemi 'öncesinde', diğer bir bakışla, (her yazma ve okuma öncesi başka okuma ve yazma işlemleri gerçekleştiği düşünüldüğünde) 'sonrasında' sütunlara ait ana hatlar suyla dolduruyor yani PRECHARGE ediliyor.

SAAT FREKANSI: Önceden tanımladığımız CAS, RAS gibi gecikme süreleri işte bu ana saat sinyalinin periyodu cinsinden belirtiliyor.



PERİYOD=1/FREKANS

eşitliğine göre, saatin frekansı ne kadar yük****e periyodu o kadar kısa oluyor, dolayısıyla CAS gibi saat periyodu cinsinden ifade edilen bekleme süreleri kısaltılmış oluyor. Bu süre belleğin kaldırabileceğinden fazla kısaltılırsa, önceden belirtildiği gibi, veri kayıpları oluyor, bellek hatalı çalışıyor ve sonuçta PC'ler ya boot etmiyor ya da etse dahi çalışma sırasında beklenmedik kilitlenmelere yol açıyor.
ADDITIVE LATENCY: 'Ekli Gecikme' denilen ve sadece DDR-II tipi bellekler için geçerli olan bu gecikme süresi CAS'in üzerine ekleniyor ve CAS'i arttırma yani belleği yavaşlatma etkisi yapıyor. Elbette ki istenilen bu değerin düşük olması. DDR-II bellekleri henüz PC'lerde sistem RAM'i olarak görmeye başlamadıysak ta bir süredir ekran kartlarında kullanılmaktalar. Ama sizleri şimdiden bu tip parametreleri BIOS'larda görmeye hazırlayalım diye düşündük.

BURST ve BURST LENGTH: Burst kelimesinim tam Türkçe karşılığını bulmak zor ancak illa da yakın sayılabilecek bir terim bulalım dersek sanıyorum Ardışıl Veri Aktarımı diye nitelendirmek yerinde olur. Erişim sırasında biliyoruz ki bankadaki bütün satır aynı anda okunuyor ya da yazılıyor. İşte bu noktada BURST kavramı devreye giriyor: Aynı satırdaki komşu byte’lar, veri yolunun elverdiği ölçüde, saat işaretinin birbirini takip eden ilgili kenarlarında ardı sıra dışarıya sürülüyor ya da içeri alınıyor. Okunmak ya da yazılmak istenilen veri bellekte aynı satırda yer alıyorsa, bu şekilde CAS ve RAS gecikmelerini beklemeksizin ardışıl konumdaki veri grubu, bellek yongası ve anakart arasında hızlıca taşınabiliyor. .

BESLEME GERİLİMİ: İşlemci ve bellek, daha genel haliyle her yonga, çalışabilmesi için bir besleme gerilimine ihtiyaç duyar. Besleme gerilimi, suyu, vanaları ve boruları kullandığımız benzetmemizde suyun kaynaklarındaki (emme ya da basma) akış hızına ya da bir bakıma basıncına denk gelir.
Çeşitli bellek türleri için normalde gereken besleme gerilimi şu degerleri almaktadır:

RAM-----Türü Besleme Gerilimi
SDRAM - - 3.3 Volt

DDR-I RAM 2.5 Volt

RD-RAM - -2.5 veya 1.8 Volt

DDR-II RAM 1.8 Volt


Voltaj seviyelerinin yeni nesillerde giderek düşmesine rağmen performansın artması çelişkisinin yanıtı, üretim teknolojileri geliştikçe küçülen transistörlerin aynı hızda çalışabilmeleri için daha az gerilimle beslenmeye ihtiyaç duymalarında ve bellek mimarilerindeki ilerlemelerde yatmaktadır.

Kontrol ve Veri İşaretleri

Sıra, bellek modülümüze ait giriş ve çıkış işaretlerini incelemeye geldi. Modül (örneğin DIMM) anakarta üzerindeki belli sayıda iğneden oluşan bir port aracılığıyla bağlanıyor. DIMM’lerde 168 iğne varken bu sayı SIMM’ler için 144. Bu iğnelerin her birinin taşıdığı elektriksel işaretler, modül üzerindeki sinyal hatları üzerinden bellek yongalarının iğnelerine taşınıyor. Bu işaretler, besleme ve toprak gerilimlerinin yanısıra adres ve veri işaretlerini, saat işaretini, bellek yongalarını kontrol eden komutları taşıyan işaretleri ve de modül üzerindeki SPD yongasından gelen verileri içeriyor. Şimdi bu işaretlere ve ne

anlam taşıdıklarına bakalım.



VERİ İŞARETLERİ: Veri işaretleri, daha doğrusu veri bitleri, bellek yongalarının adres bitleriyle gösterilen hücrelerine yazılır ya da bu hücrelerden okunur. Yukarıdaki örneğimize kaldığımız yerden devam edecek olursak, her bir bellek yongası, 24 bitin kullanılmasıyla adreslenen 16-bitlik çift-byte bilgisini dışarı veriyor ya da dışarıdan alıyor ve de elimizdeki 8 yonga bir araya gelerek 8*16-bit=128-bit’lik veriyi modülün 144 bitlik portunun bir parçası olarak oluşturuyor.

KOMUT İŞARETLERİ: Bellek yongaları, çeşitli amaçlar için belirlenmiş belli komutları işleme yeteneğine sahipler. Sadece adresi alıp veriyi okutan ya da yazan yongalar değiller. Bu komutların belli başlı olanlarına burda kısaca değinmek konumuzun bütünlüğü açısından sanırız yararlı olacaktır.

NOP (No OPeration=Etkisiz Komut): Yonganın herhangi bir işlem yapmadan beklemesi gereken durumlarda verileblecek yeni komutların yonga tarafından işlem sırasına alınması engellenir. Komut sırasında işlem görmekte olan diğer komutlar etkilenmeden tamamlanır.

DESELECT (Seçmeyi Bırak): Bu komutla işlem halindeki bellek yongasının seçilmesi durdurulur, yonga askıya alınır ve başka yeni komut kabul etmeyeceği bir konuma getirilir. Komut sırasında işlem görmekte olan diğer komutlar etkilenmeden tamamlanır. İşlevsel olarak NOP komutuna benzer.

ACTIVE (Aktive Et): Adreste belirtlen bankayı seç ve ilgili satırı aktif hale geçir.

READ (Oku): Adreslenen banka ve sütun seçilir, ardışıl okuma (burst read) başlatılır.

WRITE (Yaz): Adreslenen banka ve sütun seçilir, ardışıl yazma (burst write) başlatılır.

PRECHARGE (Ön Yükleme): Bit hatlarının (boruların) okuma ve yazma öncesi tamamen yüklenmesini (suyla doldurulmasını) hatırlayalım. Bu işlem sonrasında bir ya da daha fazla bankadaki adreslenen ve işleme alınmak üzere olan satır iptal edilmiş oluyor.

AUTO PRECHARGE (Otomatik Ön Yükleme): Ayrıca bir Precharge komutu vermeye gerek kalmaksızın otomatik olarak ve belli aralıklarla bit hatlarının ön yüklemesinin yapılmasını sağlar.

BURST TERMINATE (Burst Bitir): Devam etmekte olan bir ardışıl (burst) okuma ya da yazma işlemi, belirtilmiş olan burst uzunluğunun tamalanması beklenmeden iptal edilir.

SELF-REFRESH ya da AUTO-REFRESH (Kendini Tazele): Modül güç tasarrufu modundaysa ve herhangi bir saat sinyali verilmese bile sakladığı verinin kaybolmadan korunnmasini sağlar. Autorefresh ise belli aralıklarla saklanılan verinin otomatik olarak tazelenmesini sağlar ama farklı olarak bir saat işaretine ihtiyaç duyar.

LOAD MODE REGISTER (Mod Yazmacını Yükle): Yongayla ilgili bilgilerin ve komutlarla ilişkili verilerin (burst uzunluğu ya da kendini otomatik tazeleme aralığı gibi) mod yazmacına yüklenmemesi için kullanılır.

Band Genişliği

Bant genişliği, bilgisayar dünyasında çok sık sözü geçen bir kavram. Yonga setlerinde, ekran kartlarında, işlemcilerde, internet bağlantılarında, kısaca verinin taşındığı her ortamda bu kavram geçerlidir. Tanımlamak gerekirse, bant genişliğ, bir ortamda verinin ne kadar hızlı taşındığının ölçüsüdür. Kısaca, birim zamanda taşınan veri miktarıdır. Bu tanımı belleklere uygulayacak olursak, bellek modülümüzle anakart arasında belli bir süre içerisinde ne kadar veri alışverişi gerçekleşebiliyor sorusunun cevabı bant genişliğidir.

Önceden bahsettiğimiz gibi, DIMM’ler, anakarta 168 bitlik bir port üzerinden bağlı ve bunun 128 biti veri için ayrılmış durumda. SDR bellekleri ele alırsak, saat işaretinin her yükselen kenarında modül ve anakart arasında 128 bitlik veri transferi olduğu ve modülün saat frekansının birimi olan Hertz (Hz)’in aslında bir saniye içinde kaç saat periyodu sığdığını bize söylediği düşünülürse, saat frekansıyla 128-bit’i çarptığımızda, bir saniyede (birim zamanda) kaç bit (ne kadar veri) taşındığı kolayca hesaplanır ve bu da bize bit/saniye cinsinden bant genişliğini verecektir. Mesela, belleğimizin saat frekansı 166 MHz (Mega Hertz) olsun. Bu durumda SDR belleğimizin bant genişliği :

128bit * 166MHz = 21248000000 bit/saniye

= 2656000000 byte/saniye

=2.47 Giga Byte/saniye (GB/s)

olarak hesaplanabilir.

DDR belleklerimizde ise veri transferi saatin sadece yükselen değil aynı zamanda düşen kenarında da gerçekleştiği ve dolayısıyla aynı sürede iki kat daha fazla bilgi taşınabildiği için bant genişliği 2.47 * 2 = 4.94 GB/s olarak hesaplanabilir.

Geleceğe Bakış

Hiç şüphesiz ki bellek teknolojileri, işlemci teknolojilerinin bir adım önünde, aynı hızda gelişmeye devam edecek, bant genişliği yüksek, güç tüketimi ve üretim maaliyeti düşük yeni bellek türleri ve mimarileri ortaya çıkacak. Bank genişliği konusu özellikle 64-bit işlemcilere sonunda bizlerin de kavuşacağı günlerin yaklaştığı bugünler ve sonrasında daha da önem kazanacak, çünkü bu işlemcilerin 64-bitlik veriye aç işleme motorlarını tam kapasite besleyebilmek için FSB (Front Side Bus: İşlemciyi Yongasetine bağlayan veriyolu) genişletilecek ve frekansları arttırılacak.