RAM Nasıl Çalışır?
--------------------------------------------------------------------------------
Bu yazımızda, çok merak edilen bir konu olan sistem RAM belleklerinin nasıl çalıştıkları konusuna açıklık getirmeye çalışacağız. İçeriği itibariyle oldukça teknik bir konu olan bu konuyu elimizden geldiğince anlaşılır ve sizleri sıkmadan ele almayı hedefliyoruz. Umarım başarılı oluruz. Gelin beraberce bellekler konusundaki keşfimize başlayalım.
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.
Bellek kavramı bu derece geniş bir konu olmasına rağmen bu yazıda konumuz olan bir çoğumuzun oldukça aşina olduğu, hep daha fazla olmasını hayal ettiğimiz ve hatta yeri geldiğinde overclock denemelerimize bile dahil ettiğimiz sistem RAM'i denilen bellekler. Peki RAM ne demek? RAM, İngilizcesi Random Access Memory, Türkçesiyle Rastgele Erişilebilir Bellek kelimelerinin başharflerinden oluşan bir kısaltma. Bu noktada, belleklerin RAM'ler ve Sadece Okunabilir Bellekler yani ROM'lar (Read Only Memory) şeklinde sınıflandırıldığını hatırlatmak isteriz. RAM'ler veriyi saklamak için beslemeye yani elektrik enerjisine ihtiyaç duyduğu halde ROM'lar besleme olmasa bile veriyi saklayabilirler. Ayrıca, ROM'lar genellikle, kısaltmanın açılımından da anlaşıldığı gibi sadece okuma amacıyla kullanılırlar. Üzerlerinde saklı verinin kullanıcı tarafından kolayca değiştirilmemesi hedeflenir.
Anakarta takılı DIMM
RAM'lerin en başta gelen özelliklerinden birisi – ki RAM ismini almalarından sorumlu olan da budur - sakladıkları verilere manyetik teyplerdeki ya da CD-ROM’lardaki sıralı erişimin aksine, sırasız ve hızlı bir şekilde rastgele erişime imkan vermeleridir. Erişimde sağladıkları hız, RAM'lerin sistemde bu denli önemli ve performansı belirleyici olmalarında en önde gelen etkendir. Veri barındırma kapasiteleri ve hız konusunda, merkezi işlemci üzerindeki düşük kapasiteli ancak çok hızlı bir RAM olan cache belleklerle, kapasiteleri günümüzde inanılmaz boyutlara ulaşmış olan sabit disk sürücüler arasında yer alırlar ve bir çeşit tampon görevi görürler. İşletim sistemi, sabit sürücünün yavaşlığını gizlemek amacıyla, yakın gelecekte ihtiyaç duyulabilecek veriyi henüz ihtiyaç durumu ortaya çıkmadan sabit diskten sistem RAM'leri üzerine yükler ve gerektiğinde hızlı bir şekilde işlemcideki cache belleğe iletilmesini sağlar.
RAM'lerin sistem içindeki yerlerini tanımladıktan sonra simdi de teknolojinin ve erişim protokollerinin ortaya çıkardığı RAM türlerini inceleyelim.
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.
Çalışma Prensipleri
Anakartlarımızdaki bellek soketlerine yerleştirdiğimiz baskı devreleri, anakarta bağlandıkları veri yolunun genişliğine göre DIMM (Dual Inline Memory Module) ve SIMM (Single Inline Memory Module) gibi kısaltmalarla adlandırıyoruz; sanırız bunun da haklı bir sebebi var (!). Bugünlerde en popüler olanı, üzerinde genellikle bant genişliği yüksek ve dolayısıyla daha geniş veriyoluna ihtiyaç duyan DDR bellek yongalarını barındıran DIMM'ler. Dizüstü bilgisayarlarda kullanılan DIMM'ler fazla yer kaplamamaları için küçük olduklarından SO-DIMM (Small Outline Dual Inline Memory Module) yani küçük izdüşümlü RAM adını alıyorlar. DIMM’lere baktığımızda, genellikle 4,8 ya da 16 gibi belli sayılarda bellek yongaları, dirençler ve kondansatörlerin yanısıra SPD (Serial Presence Detect) denilen bir ROM yongası bulunduğunu görebiliriz.
DIMM üzerindeki bellek yongaları (büyük olanlar) ve SPD yongası (sol alt köşe)
SPD yongası üzerinde, yazımızın ilerleyen bölümlerinde daha detaylı değineceğimiz, baskı devre üzerindeki bellek yongalarıyla ilgili çeşitli parametreler saklanır. Bu parametrelerin zamanlamayla ilgili olanları (örn. CAS gecikmesi), üretimden sonra yapılan perfromans testleri sonucunda modülün kararlı olarak çalışabileceği en üst performansı gerçekleyecek şekilde belirlenir ve SPD üzerine işlenir. Bellek modülü anakarta yerleştirildikten sonra, SPD üzerindeki bu parametreler boot esnasında BIOS tarafından okunur ve sistemin bellek kontrolüyle ilgili kısımları (yonga seti) gerektiği şekilde haberdar edilir, böylece bellekle olan iletişim sağlanmış olur. Bellek modülünün üreticisi olan firmanın kodu, modülün üretim tarihi, seri numaralrı, bellek yongalarının kapasiteleri ve erişimleriyle ilgili bilgiler SPD yongasında saklanan diğer bilgiler arasında yer alır.
Bizi ilgilendiren asıl kısım ise bellek yongaları. Bunlar, tıpkı mikroişlemciler gibi, kılıflanmış tümleşik devreler. Üretim teknolojisi yani transistörlerin minyatürleştirilmesi bakımından bazı durumlarda işlemcilerden bir nesil önde gidenlerine rastlamak bile mümkün. Yonga üzerinde yer alan ve milyonlarcasının bir araya gelerek bellek dizisini oluşturduğu temel yapı, verinin en temel hali olan bir bitlik veriyi yani ikilik düzendeki 0 veya 1 bilgisini saklamakla sorumlu RAM hücresidir. Bir yongada bu hücreden milyonlarcası kullanıldığından, tasarım ve üretimde çalışan mühendisleri meşgul tutan ve para kazanmalarını sağlayan konuların başında bu bellek hücresini en az yer kaplayacak, en az fireyle en verimli şekilde üretilebilecek şekilde tasarlamak yer alır.
Bellek yongasının nasıl çalıştığını anlamak için önce bu tümdevrenin yapısını inceleyelim. Elimizde bir bellek dizini var. Bu dizini belli sayıda satır ve sütünlardan oluşan iki boyutlu bir tablo olarak düşünebiliriz. Tablomuzun yapıtaşları ise bahsettiğimiz RAM hücreleri. Bu tablo üzerindeki herhangi bir hücreye erişmek (yazmak ya da okumak) için o hücrenin tablodaki konumunu, yani, hangi satır ve sütünun kesişim noktasında bulunduğunu vermemiz gerekir. Bu konum bilgisine adres diyoruz. Erişimi kolaylaştırmak için genelde bellek tablomuz yonga üzerinde daha küçük alt tablolara bölünmüştür. Bu alt tablolara banka (bank) deniyor. Günümüzde bellek yongaları genelde 4 bankalı olarak tasarlanıyor. Kısaca, adresimiz satır ve sütün numaralarının yanısıra bir banka numarasını da içeriyor. Bu sayede bellek yongası hangi bankanın kaçıncı satırındaki kaçıncı sütunundaki hücreye erişim yapılmak istendiğini biliyor. İşlemcilerin belleğe erişirken kullandığı en küçük veri birimi tek bir bit yerine 8 bitten oluşan bayt (byte)'tır. Bu yüzden bellek yongalarında erişilebilen en küçük veri birimi de byte olarak düzenlenmiştir. Böylece bellek tablomuz satır, sütun ve banka adres bilgileriyle erişilen byte'lardan oluşuyor. Diğer bir deyişle bir byte'ı oluşturan ve tablomuzda yanyana konumlanmış olan 8 RAM hücresi aynı anda okunuyor ya da yazılıyor. Bu aslında gerçekte olanın basitleştirilmiş hali. Kullandığımız bellek modüllerinde anakarta bağlantıyı sağlayan veri yolunun genişliği göze önüne alındığında - ki bu DIMMlerde 128 bittir - aynı anda çok sayıda byte okumak mümkün (128bit/8bit=16 byte).
Sanıyorum ki bu noktada bir bankanın yapısını ve nasıl işlediğini incelemek yerinde olacaktır. Bu kısımda günümüzde en popüler olan SDR-RAM ve DDR-RAM bellek tiplerinin temel çalışma prensibi olan dinamik RAM nasıl çalışır hep birlikte göreceğiz. Bahsettiğimiz gibi, banka, esas olarak belli sayıda satır ve sütunlardan oluşan bir byte tablosu. Bu tablodan byte'larımızı okumak için satır ve sütun numarasını yani adresini vermemiz yeterli. Simdi byte’larımızı oluşturan bitlerimize yani RAM hücrelerimize döndüğümüzde nasıl oluyor da bu hücrelerde saklanan veri ile dışarı dünya arasında iletişim sağlanıyor biraz daha yakından bakalım.
RAM hücremizi dışarıya bir vanayla bağlı olan bir hazne olarak düşünelim. Verimizi yani hücrelerde saklanan 0 veya 1 değerlerinden birini saklayan bitlerimizi de haznemizin boş ya da dolu olma durumu olarak, suyu ise yine aktığını varsayabileceğimiz elektriksel yük yani elektronlar olarak modelleyelim. Buna modele göre, RAM hücrelerimiz, yani küçük su hazneciklerimiz, saklayacakları veri 0 ise boş, 1 ise dolu oluyor. Bellek tablomuzda bir sütunda yer alan yani dikey olarak komşu olan haznelerin tümü ortak bir boruya bağlı. Her sütunda bulunan bu ortak borunun elektronikteki karşılığı bit hattı. Bit hattına her okuma veya yazma işleminden önce ayrı bir vana üzerinden su dolduruluyor. Buna birazdan daha detaylı deyineceğiz. Bu boruların bir ucunda, borudaki su seviyesini algılayan algı yükselticisi denilen birimler bulunuyor. Erişim sırasında, önce adresin gösterdiği satırdaki bütün hazneleri bulundukları sütunlardaki ana boruya bağlayan küçük vanalar aynı anda açılıyor ve tüm satırın sakladığı veri okunuyor. Sıra geliyor bu satırın hangi sütununun ayıklanacağına. Bunun için, bir kısmı satırla ilgili işlemlere eş zamanlı olarak, adresin gösterdiği sütun numarası çözümleniyor, o sütuna ait byte’ın algılayıcılarına algıla komutu veriliyor ve o byte okunmuş oluyor.
Hazne 0 mı yoksa 1 mi saklıyor bilmek istediğimizde, yani hücremizi okumak istediğimizde, haznemizi bit hattına bağlayan vanasını açıyoruz. Haznemiz boş ise önceden ağzına kadar suyla dolu olan borudaki (bit hattı) suyun haznemizin alabileceği kadar kısmı haznemizin içine doluyor ve ana borumuzdaki su biraz eksiliyor. Bit hattımızın ucunda yer alan su seviyesi algılayıcısı (algı yükselticisi), boru tamamen su doluysa 1, bir hazne kadar su eksilmişse 0 veriyor. Her sütunun altında o sütunun ana borusuna bağlı bir algılayıcı yer alıyor. Tekrar okuma işlemine geri dönersek, haznemiz okuma öncesi haznemiz boş ise yani 0 saklıyorsa vanası açıldığında ana borudaki su içine doluyor, ana borudaki su seviyesi düşüyor ve algılayıcımız 0 veriyor yani hücremizde saklanan veriyi doğru olarak dışarı aktarıyor. Haznemiz okuma öncesi zaten dolu ise (1 saklanıyorsa) haznemizin vanası açıldığında hiçbir su akışı olmuyor ve algılayıcımız dışarıya 1 değerini doğru olarak iletiyor. Bu noktada önemli bir konuyu açıklamak gerekiyor ki eminim bazı okuyucularımızın dikkatinden kaçmamıştır. Haznemiz 0 saklıyorsa yani boşsa, okuma işleminden sonra içine su doluyor, dolayısıyla içeriği bozuluyor ve bir anda 1 saklıyormuş durumuna geliyor. Aynı olay 1 saklama durumunda gerçekleşmiyor. Peki bu pratikte nasıl engelleniyor? Unutmayalım ki amacımız hazneyi, içeriğini bozmadan okuyabilmek. Basit bir fikir olarak, okuma işleminden sonra algılayıcımızın algıladığı değeri hücremize tekrar yazmak aklımıza gelebilir ancak bu performans açısından büyük kayıp olur. Düşünsenize, 0 olan her bit için her okuma sonrası bir de yazma işlemi için bekle. Gerçekte olay çok daha basit: Haznemiz ana borudaki suyun içine akmasına izin veriyor ancak bu suyu içinde saklamıyor, bunun yerine bir bakıma kanalizasyon diye nitelendirecegimiz çok daha büyük ve bellekteki her hazne tarafından paylaşılan başka bir hazneye başka bir kanalla boşaltıyor. Hücremizi kanalizasyona bağlayan kanal yine bir vana tarafından kontrol ediliyor. Haznemiz doluyken, kendi içindeki bir geri beslemeyle bu vana kapalı tutuluyor ve böylece hazneden kanalizasyona su kaçışı engelleniyor. Hazne boşken ise bu vana açılıyor. Bu kanalizasyonun elektronikteki karşılığı toprak. Böylece boşsa yine boş kalarak ama yapması gerektiği gibi bağlı olduğu sütunun bit hattındaki yani ana borusundaki suyun seviyesini azaltarak sakladığı verinin algılayıcı tarafından doğru olarak algılanmasını sağlıyor.
Okuma işlemini biraz olsun açıklığa kavuşturduktan sonra bakalım yazma işlemi nasıl gerçekleşiyor. Yazma işleminde amacımız haznemizin içeriğini gereken durumlarda değiştirmek. Gereken durumlardan kastettiğimiz, hücremize yazmak istediğimiz değer, hücremizin hali hazırda sakladığıyla aynıysa, herhangi bir değişikliğe gerek olmaması. Mekanizma, okumayla hemen hemen aynı. Yazma işlemi öncesi tıpkı okumada olduğu gibi sütuna ait ana boru suyla dolduruluyor. Bunun yapılma sebebi, önceden gerçekleşmiş bir yazma veya okuma işlemi nedeniyle ana borudaki su seviyesinde azalma olduysa bu eksiği tamamlamak, çünkü gördüğümüz gibi bu temel çalışma prensiplerinden birisi. Yazma işlemi sırasında istenilen hücrenin (haznenin) vanası açılıyor ve yazmak istediğimiz verinin 0 ya da 1 olmasına göre algılayıcıların bulunduğu ucundan ya haznenin bağlı bulunduğu sütundaki ana borudan yüksek basınçla su emiliyor (0) ya da boruya yüksek basınçta su basılıyor (1). Haznemiz boşsa vanası açılınca bir ucundan zaten ana borudan su emildiği için yine boş kalıyor, içine su dolmuyor. Aynı şekilde haznemiz doluysa ve 1 yazılmak isteniyorsa boruya basınçlı bir şekilde su basıldığı için haznemiz yazma işlemi sırasında yine dolu kalıyor. Öte yandan, haznemiz boş ise ve 1 yazılacaksa, yani dolması isteniyorsa, vanası açıldığında ana borudaki basınçlı su, hücrenin kanalizasyona olan su akışını bastırarak dolmasını sağlıyor ve hazne dolunca da geri besleme mekanizmasıya kanalizasyona açılan vana kapanıyor, haznemiz dolu kalıyor ve böylece sakladığı yeni veri 1 olarak değişmiş oluyor. Benzer şekilde, haznemiz dolu ise ve 0 yazılmak yani boşaltılmak isteniyorsa, yazma işlemi sırasında borunun ucundan basınçla su emiliyor, haznemizin vanası açıldığında emme gücüyle dolu olan haznemizdeki su da ana boruya çekilerek emiliyor. Hazne boşaldığında kanalizasyona olan bağlantı da boşalma işlemine destek olarak açılıyor ve işlem sonunda ana boruya bağlantı vanası kapandığımnda hücremiz boş olarak yeni verisi olan 0'ı saklamış oluyor.
Bellek yongaları
Bir seviye üste çıktığımızda, bankaların ortak bir veri hattına birarada bağlanmasıyla ana bellek tablomuzun oluştuğunu görürüz. Bellek tablosunun yanında, adreste gösterilen banka numarasını çözen, yongayı gerektiğinde güç tasarrufu gibi nedenlerle kapatıp açılmasını, belirli komutların çalıştırılmasını kontrol eden kontrol yazmaçları (mode register) ve saat sinyalinin alınıp bankalara dağıtılmasını sağlayan sürücü devreleri bellek yongasını oluşturur.
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. Dolayısıyla ana borudaki su seviyesi algılayıcının bu azalmayı alglılayabileceği seviyeye ulaşması ve algılma işleminin başlatılabilmesi için belli bir süre beklenilmesi gerekiyor. Aynı zamanda adreste belirtilen sütun numarasının da çözümlenmesi bankadaki sütun sayısına bağlı olarak zaman alıyor. İşte bu süreye CAS gecikmesi (CAS Latency - kısaca CL) deniyor. Bu gecikme genellikle belleği kontrol eden ana saat sinyalinin periyodu cinsinden verilir. Örneğin, CL=2 demek okuma başladıktan yani haznenin vanası açıldıktan itibaren algılama komutu verilinceye kadar 2 saat periyodu süresince beklemek gerekiyor. Dolayısıyla CL değeri büyük olan bellekler, daha uzun beklemeleri gerektiğinden daha yavaş çalışırlar.
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. İşte satırdaki haznelerin açılmasından bit hatlarındaki yük miktarının (gerilim olarak ta düşünebiliriz) algılanabilir seviyeye ulaşmasına kadar beklenilmesi gereken süreye RAS-TO-CAS DELAY (Satır Erişim Darbesi-Sütun Erişim Darbesine Arası Gecikme) deniyor. Anlaşılacağı üzere bu parametre ne kadar düşük olursa bellek o kadar hızlı demektir. Diğer parametreler gibi bu da saat işaretinin periyodu cinsinden ifade edilir.
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. Eğer bu işlem, herhangi bir okuma ve yazma işlemi sırasında açılan ve hazneleri sütuna ait boruya bağlayan vanalar kapanmadan yapılırsa aynen 1 yazma işleminde olduğu gibi yüksek basınçla boş olan hazneyi boşaltabilir ve verinin bozulmasına neden olabilir. Bunu engellemek ve vanalar açıkken PRECHARGE işlemine başlamayı engellemek için belli bir süre beklenmesi gerekiyor. Bu da elbette takip eden okuma ve yazma işlemlerine başlamayı geciktirerek (unutmayalım ki boruların erişim öncesi tamamen dolu olması gerekiyor) performansı azaltıyor. Bu gecikme de saat periyodu cinsinden ifade ediliyor ve küçük bir sayı olması hızlı bellek olduğuna işaret ediyor.
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. Kısaca, RAS ve CAS gibi, birimi zaman olan parametreler saat frekansıyla doğrudan etkileniyor. Mesela, 133 MHz saat frekansında CAS=2'de çalışabilen bir bellek 166 MHZ'de ancak CAS=2.5 ya da 3'te çalışabiliyor. İdeal olanı, belleğin yüksek saat frekanslarında ve düşük CAS, RAS gibi parametrelerle çalışabiliyor olması.
Saat işareti basitçe bir kare dalga biçiminde; periyodun yarı süresi aralıklarla periyodik olarak bir yükseliyor, bir düşüyor. Saat işaretinin değiştiği bu bölgelere düşen ve yükselen kenarlar deniyor. Saat frekansının belirlediği aralıklarla gelen bu kenarlar, yonga üzerindeki bellek bankalarının ve diğer devrelerin eş zamanlı olarak (senkronize bir şekilde) çalışmasını sağlar. Örneğin sütunlarda yer alan algı yükselticilerine 'algıla' komutu ya da okunmak istenen veriyi bankalardan alarak yonganın dışına süren sürücülere 'sür' komutu bu kenarlar aracılığıyla verilir. SDR belleklerde komutlar yükselen kenarlarda verilirken DDR belleklerde bu hem yükselen hem de düşen kenarlarda gerçekleşir. Bu sayede, DDR belleklerdeki veri çıkışı SDR'ların teorik olarak iki katıdır çünkü bir saat periyodu içinde iki kere (hem yükselen hem düşen kenarda) veri çıkışı olur.
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. Burst olayının ardışıl olarak kaç saat periyodu süreceği ya da diğer bir deyişle ne kadar verinin burst yoluyla taşınacağını belirten parametre ise BURST LENGTH (Burst Uzunluğu). Verinin ardışıl konumda olduğu durumlarda burst uzunluğunun büyük tutulması performansı arttırır ancak tersine bir durumda yani verini bellek tablosu içinde farklı satırlara dağıldığı (bir bakıma sabit sürücülerdeki fragmente olma durumu gibi) burst az da olsa performansı olumsuz etkileyen bir etken olarak karşımıza çıkabilir. Sanıyoruz ki en akıllıcası, BURST uzunluğunu orta bir seviyede tutmak olacaktır.
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. Su ne kadar basınçlıysa bit hatlarında gerçekleşen precharge ve hazneye olan su akışı o derece hızlı gerçekleşir dolayısıyla bellek belli bir görevi daha hızlı yerine getirir, beklemesi gereken süreler kısalır ve böylece ya aynı saat frekansında daha küçük RAS,CAS v.s. değerleriyle ya da aynı RAS, CAS değerleriyle daha yüksek saat frekanslarında çalışmaya devam edebilir. Overclock’la uğraşanlarımız bilir ki işlemcileri yüksek frekanslarda çalıştırmanın en etkili yolu besleme gerilimini arttırmaktır. Bu konuya overclocking hakkında bilinmeyenleri açıklamaya çalıştığımız makalemizde detaylı olarak deyinmiştik. Bellek yongaları da işlemciler gibi birer tümdevre olduklarından aynı prensiplere tabidirler ve dolayısıyla besleme geriliminin arttırılması bellek yongalarının aynı işi daha kısa sürede tamamlamalarına yardımcı olacağından daha yüksek saat frekanslarında çalışmalarına imkan tanıyacaktır.
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.
ADRES İŞARETLERİ: Adres işaretleri, anlaşılacağı üzere, adres bilgilerini bellek yongaların taşımaktan sorumlu. Bilgisayar dünyasında, işaret, daha büyük bir bütünün parçasıysa ( mesela bir byte’ın) genellikle bit kelimesiyle anılır. Bu sebeple, bu bölümde olduğu üzere, yeri geldiğinde işaret yerine bit kelimesini kullanacağız. Tekrar hatırlayalım: Bir işaret ya da bir bit, mantıktaki 0 ya da 1 mantık değerlerinden birini taşır. Adresimizi bir bütün olarak ele alırsak, adresi oluşturan her işarete adres biti dememiz daha doğru olacaktır. Adresi oluşturan bit sayısı belleğin kapasitesine göre değişik değerler alır. Her bir bit, 0 ya da 1 olmak üzere iki değeri temsil edebiliyorsa, birlikte kullanıldıklarında:
farklı değeri temsil edebilir. Buna göre, adresimizin, belleğimizdeki 2 byte’ın yanyana gelemesiyle yani 16-bit’ten oluşan çift-byte’ları işaret ya da temsil ettiğini varsayarsak ve toplam kaç çift-byte’ımız olduğunu bilirsek, kaç tane adres bitine ihtiyaç duyduğumuzu kolayca bulabiliriz. Örneğin, belleğimiz 256 Mega Byte (MB) ise, yani 256/2=128 Mega Çift-Byte ise ve 1 Mega’nın 2^20 (2 üzeri 20) demek olduğunu biliyorsak, belleğimizde 128*(2^20)=2^27 adet çift-byte var bulunduğunu söyleyebiliriz. Yukarıdaki tablomuza göre N sayısının yerine 27 geliyor, dolayısıyla adresimiz 27 bitten meydana geliyor. Bu 27 bitin bir kısmı bankaları, bir kısmı bankalardaki satırları, bir kısmı da bankalardaki sütunları adreslemek için kullanılıyor. Pratik bir bilgi olarak bellek yongalarının genellikle 4 banka olarak tasarlandığı düşünülürse ve 4=2^2 olduğuna göre bankaları adreslemek için 2 bit gerektiği hesaplanabilir. Geriye kalan 25 bit satır ve sütun adreslemesi için kullanılıyor. Varsayalım ki her banka, 8192 (=2^13) satırdan ve 512 (2^9) sütundan oluşuyor. Bu demek oluyor ki 13 bit satır adreslemesi, 9 bit de sütun adreslemesi için ayrılmış durumda. Buraya kadar 2 + 13 + 9 = 24 bit kullanılmış durumda ve elimizde 3 bit kaldı. Bu üç bit ise bize modülümüz üzerinde 2^3=8 adet bellek yongası bulunduğu bilgisini veriyor.
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. |
