אילו סוגי זכרונות יש?

מדריך קצר על סוגי הזכרונות הנפוצים שאתם יכולים להיתקל בהם במהלך עבודה על הפרוייקטים.

קודם כל מה זה זיכרון?
זהו רכיב או איזור ברכיב כלשהו שמסוגל לזכור מצב של ביט או סדרה של ביטים. יש הרבה טכנולוגיות של זכרונות, כאלה שמאפשרים לשנות את מצב הביטים במהירות, כאלה שלא מאפשרים לשנות בכלל או כאלה שמאפשרים לשנות, אבל זה לא כל כך פשות. חלק מהטכנולוגיות יכולות לשמור על מצב הביטים גם כשלרכיב לא מספקים זרם וחלק דורשים אספקת זרם כדי לפעול.
לרכיבי זכרון יש קווי כתובת (Address) שמציינים את מיקום הביטים אותם אתם רוצים לקרוא או לכתוב וקווי Data שמציינים את ערך הביטים בקריאה או כתיבה. יש גם קווים נוספים כמו ChipSelect שעוזר לעבוד עם כמה רכיבים המחוברים לאותם קווי Address, קו Enable ועוד אחרים שיכולים להשתנות בהתאם לסוג הרכיב והטכנולוגיה.

ROM - Read Only Memory
זכרון לקריאה בלבד. תחשבו עליו כאוסף של חוטים שחלק חתוכים שלא מוליכים וחלק שלמים שכן מוליכים. כלומר חלק יחזירו 0 לוגי וחלק 1 לוגי כשקווי הכתובת יצביעו עליהם. מצב החוטים/הביטים בדרך כלל נקבע במהלך היצור של הרכיב.

PROM - Programmable ROM
גם סוג זה של זכרון נועד לקריאה בלבד, אבל הוא שונה מ-ROM רגיל בזה שאפשר לתכנת אותו פעם אחד בלבד אחרי שהרכיב יצא מהיצור. כלומר אתם מקבלים רכיב "ריק" (Blank) וצורבים בו את המידע שישמש לקריאה בלבד.

EPROM - Erasable Programmable ROM
זהו סוג זכרון שנועד לקריאה, אבל מאפשר מחיקה וצריבה מחדש. הטכנולוגיה הומצאה ע"י דוקטור דב פרוהמן בשנת 1971 שעבד אז באינטל ובזכותו הוקם סניף אינטל ישראל. לרכיבי EPROM יש חלון זכוכית קטן על חלקו העליון ואפשר למחוק את המידה ע"י חשיפה לאור אולטרה-סגול. את הצריבה אפשר היה לעשות ע"י צורב מיוחד שהיה מספק מתח גבוה בהרבה ממתח העבודה של הרכיב. את החלון היו מכסים עם מדבקה מיוחדת כדי שאור השמש לא ימחק בטעות את המידע. רכיבי EPROM בד"כ אפשר יהיה לצרוב כמה אלפי פעמים.

EEPROM - Electrically Erasable Programmable ROM
גם סוג זה של זכרון נועד לקריאה וגם אותו אפשר למחוק ולצרוב מחדש, רק שאת ה-EEPROM אפשר גם למחוק וגם לצרוב מחדש ע"י אספקת מתח גבוה יותר ממתח העבודה של הרכיב. את הרכיבים אפשר לתכנת מחדש גם בלי להוציא מהמעגל. אורך החיים שלהם מוגבל לעשרות או מאות אלפי צריבות. ברכיבים חדשים אפשר להגיע גם למיליוני צריבות.

RAM - Random Access Memory
זהו זכרון שמאפשר גישה או שליפה של כל נתון השמור בזכרון תוך זמן קבוע. זכרונות כאלה מאפשרים קריאה וכתיבה אבל המידע לא נשמר אחרי שמפסיקים את אספקת המתח. זהו סוג הזכרון שמשמש להרצת תוכניות, שמירת ערכים מחושבים וכו'.

NVRAM - Non-Volatile RAM
סוג זה של זכרון הוא בעצם אבולוציה של EEPROM שמאפשר צריבת מידע ע"י המעבד תוך כדי עבודה. הנתונים של רכיבי NVRAM נשמרים גם אחרי ניתוק המתח. כמו בכל זכרונות RAM אחרים הגישה למידע אפשרית תוך זמן קבוע, רק שהכתיבה שלהם איטית בהרבה מהקריאה (יכול להגיע להפרשים של פי 1000 כי הרכיב צריך לייצר בעצמו מתח גבוה כדי למחוק ולצרוב שוב את הבתים שצריך לשנות). העבודה עם NVRAM בד"כ מאפשרת לגשת ולשנות בית (או בתים בודדים) בכל פעם. אורך חיי הרכיב בדרך כלל בסביבות מאה אלף שינויים של כל בית. כלומר אם משנים כל הזמן רק בית מסויים, אז אפשר יהיה לעשות את זה כ-100,000 פעם.

FLASH
זהו סוג של NVRAM המאפשר גישה מהירה לנתונים, שינוי שלהם ושמירה גם כשהמתח מופסק. השוני העיקרי מה-NVRAM הרגיל הוא אופן הניהול של הזכרון. הגישה לנתונים אפשרית רק בחבילות (בלוקים), כלומר אם אתם צריכים לשנות בית אחד, אתם צריכים לקרוא את הבלוק שבו הבית נמצא לזכרון RAM, לשנות את הבית הרצוי בבלוק הנמצא ב-RAM ולכתוב את כל הבלוק בחזרה ל-Flash. הרכיב ימחק את איזור הבלוק ב-EEPROM ויצרוב אותו עם המידע החדש. התנהגות זו יכולה להוות יתרון כששומרים הרבה מידע כי בהשוואה ל-NVRAM רגיל אפשר למחוק איזור גדול של זכרון בו זמנית ולא לעשות את זה בית-בית. אורך חיי ה-EEPROM שעל בסיסו בנוי זכרון ה-Flash הוא גם כמאה אלף כתיבות לכל בלוק. זכרונות Flash בד"כ מגיעים עם בקר פנימי שמנהל את הבלוקים בצורה חכמה כדי לפזר את פעולת המחיקה והצריבה בין בלוקים שונים גם אם אתם צורבים כל פעם בית אחד, בכך אורך חיי הרכיב כולו גדל משמעותית. טכנולוגית ייצור זכרונות Flash התקדמה יפה מאוד בשנים האחרונות ומאפשרת ייצור של רכיבים בנפחים גדולים מאוד במחיר סביר.

DRAM - Dynamic RAM
זהו סוג זכרון שלא ישמור את המידע אחרי שהמתח מופסק. הזכרון מבוסס על קבלים קטנים ששומרים על ערך של כל ביט. בגלל שלכל הקבלים יש זרם זליגה הם נוטים לאבד עם הזמן את הערך ששמו בו, כדי שזה לא יקרה יש צורך לרענן (refresh) את הקבלים בקצב מסויים. מבנה זה של הזכרון מאפשר לייצר נפח זכרון גדול וזול יחסית ל-SRAM, אבל המהירות שלו נמוכה יותר בגלל הצורך ברענונים. זכרונות DRAM משמשים אותנו היום כזכרון הראשי במחשבים, קונסולות משחקים וכו'. כדי להגדיל את המהירות הכללית של המערכת העובדת עם זכרונות DRAM מחברים את רכיבי הזכרון במקביל, מה שמאפשר גישה ליותר בתים בכל פניה לזיכרון.

SRAM - Static RAM
גם סוג זכרון זה לא ישמור את המידע אחרי שהמתח מופסק, אבל הוא מאפשר גישה מאוד מהירה לנתונים בהשוואה ל-DRAM. הזכרון בנוי מטרנזיסטורים המחוברים במעגל שמייצר "נועל מצב" לכל ביט. ברגע ש"נועלים" ערך כלשהו בכתובת הביט, הערך ישמר ואין צורך ברענונים כדי לשמר את המידע. זכרונות SRAM יקרים יותר בגלל שלכל ביט בד"כ צריך 6 טרנזיסטורים בהשוואה לקבל וטרנזיסטור אחד בזכרונות DRAM. משתמשים בזכרונות SRAM בד"כ במקרים בהם יש צורך במהירות גבוהה ואפשר להסתפק בנפח זכרון קטן יחסית, לדוגמא זכרון מטמון (cache). בגלל שהזכרון לא בנוי על קבלים ואין זליגת זרם, זכרונות SRAM גם צורכים פחות זרם, כך שלרוב משמשים גם כזכרון למערכות Embedded שצריכות לפעול על סוללות וצריכות להיות חסכניות כמה שיותר.

SDRAM - Synchronous Dynamic RAM
בהשוואה ל-DRAM רגיל שפועל בצורה אסינכרונית (asynchronous), כלומר ברגע ששמים כתובת הרצויה על קווי ה-Address אחרי זמן קבוע אפשר לקרוא את הנתונים מקווי ה-Data, זכרונות SDRAM יפעלו רק כאשר מגיע פולס של שעון הפס (bus) שעליו פועל הזכרון. גישה זו מאפשרת לייצר תהליכים מורכבים יותר בניהול הגישה לכתובות ובכך להגדיל משמעותית את המהירות.

DDR SDRAM - Double Data Rate SDRAM
דומה מאוד לזכרונות SDRAM, רק שמתייחסים לקו השעון גם עם העליה של הפולס וגם עם הירידה שלו, מה שמאפשר כמעט להכפיל את מהירות הזכרון בהשוואה ל-SDRAM רגיל באותו קצב שעון. התייחסות כפולה לפולס השעון איפשרה תהליכים עוד יותר מורכבים במעגלי הגישה לנתונים ע"י זה שיש אפשרות להשתמש בתזמונים מדוייקים יותר. זהו בעצם סוג הזכרון שמורכב ברוב המחשבים היום. יש כמה אבולוציות של סוג זכרון זה, DDR1, DDR2, DDR3, אף אחד מהם לא תואם לשני, כך שאם אתם מחליפים לוח אם של מחשב שמשתמש בטכנולוגיה חדשה של הזכרונות, לא תוכלו להשתמש בזכרונות הישנים שלכם.