BELLEKLER 1
Genel olarak bellekler, elektronik bilgi depolama üniteleridir. Bilgisayarlarda kullanılan bellekler, işlemcinin istediği bilgi ve komutları maksimum hızda işlemciye ulaştıran ve üzerindeki bilgileri geçici olarak tutan depolama birimleridir. İşlemciler her türlü bilgiyi ve komutu bellek üzerinden alır. Bilgisayarın açılışından kapanışına kadar sağlıklı bir şekilde çalışmak zorunda olan en önemli bilgisayar bileşenlerinden biri bellektir. Mikroişlemcilere benzer olarak bellekler de milyonlarca transistör ve kapasiteden oluşan entegre devrelerdir. Genel olarak bilgisayar hafızalarında bir transistör ve bir kapasite, bir hafıza hücresini oluşturur ve tek bir bit bilgiyi temsil eder. Kapasite bir bit lik bilgiyi (0 veya 1) tutar, transistör ise bir anahtar görevi görerek bilginin okunmasını veya değiştirilmesini kontrol eder. Bellek miktarı 8MB olan bir yongada 64 milyon tansistör, 64 milyon kapasite ve bunları birbirine bağlıyan yollar bulunur. 2
Her hafıza hücresinde 1 bit lik veri saklanır. Bu 1 bit lik veri, hafıza hücresinde elektriksel bir yük olarak depolanmaktadır. Bulunduğu konumun satır ve sütun olarak belirtilmesi hâlinde veriye anında ulaşılması mümkündür. Başka bir deyişle adresinin bilinmesi halinde veriye anında ulaşılır. Belleklerin görevi, işlemcinin verileri işlemesi sırasında gerekli olan verileri geçici veya kalıcı olarak saklamaktır. Bellekler Yapılarına göre dört ana grupta incelenebilir. Mekanik Bellekler Optik Bellekler Manyetik Bellekler Elektronik Bellekler 3
Mekanik Bellekler Mekanik depolamada, veriler mekanik bir yöntemle, örneğin taşıyıcıda fiziksel olarak çukurluklar ya da yükseklikler yaratarak saklanır. İşlenmiş olan taşıyıcı sadece okunabilir tekrar yeni veri yazılamaz. Mekanik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; Taş Plak : İki tarafında da ses sinyalleri kaydedilmiş en ilkel plak türüdür. 1890'larda ortaya çıktı. Aslında 78,26 devir'de okunabilen plak türüdür. Üretimi neredeyse 1940'lı yıllara kadar devam etse de, çok kırılgan olması sebebi ile üretimi kaldırılmıştır. Plak : PVC'den üretilen, her iki tarafına da kayıt yapılabilen dairesel bir ses depolama birimidir. Pikap veya gramofon denilen cihazlarda okunarak, üzerine kaydedilmiş ses izleri dinlenebilir. Delikli Kart : Üzerindeki belirli noktalara açılan (veya açılmayan) delikler sayesinde sayısal bilgi taşıyabilen karton parçalarıdır. Günümüzde bir veri saklama aracı olarak modası geçmiş olmakla birlikte, 19. yüzyıl boyunca dokuma tezgahlarını denetlemekte ve 20. yüzyılda hesap makinalarında ve bilgisayarlarda kullanılmıştır. Delikli Bant 4
5
Optik Bellekler Verileri okuyup yazmak için Laser ışını kullanılır. Optik kayıtta kayıt ortamının yansıtma ve eğilip bükülme özelliklerinden yararlanılır. Kayıt biçimi digitaldir. Optik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; CD : Bilgi ve verileri, kalıcı olarak kaydetmeye yarayan elektronik kayıt cihazıdır. Teker biçiminde, üzeri spiral biçiminde izler taşıyan, alüminyum kaplamalı, yassı bir elektronik kayıt malzemesidir. CD yüzeyindeki bazı bölümler, kaplama (üretim) sırasında, biraz derinleştirilmiştir. Pits denilen bu çukurlar, lands denilen ve çukurlaştırılmamış olan bölümlere göre, gelen ışınları biraz daha erken yansıtır. Verilerin yazılması ve okunması, zayıf bir lazer ışınının, bu çukur ve düzlükler üzerinde yansıma (ya da yansımaması) sayesinde gerçekleşir. Bir CD ROM'un çapı 12 santimdir. Üzerine 650 ile 900 MB arasında bilgi kaydedilebilir. Ancak, tüm CD Sürücüler (CD-ROM aygıtları) bu verileri okuyamadığından, yaygın olarak, 700 MB kapasiteli olan CD'ler kullanılır. CD-ROM üzerine kayıtlı olan bilgi ve verilerin, ne kadar süreyle saklanabildiği henüz tam olarak bilinememektedir. Yapılan tahminler, CD ROM 'un nasıl depolandığına bağlı olarak, 10 ile 50 yıl arasında değişmektedir. 6
DVD : CD-ROM görünümünde elektronik kayıt ortamıdır. CD'ye göre, çok daha yüksek kayıt kapasitesine sahiptir. Tek katmanlı bir DVD, standart bir CD'nin yedi katı olan 4.7 GB bilgiyi saklayabilir. 650 nm dalga boyundaki kırmızı bir lazer (CD için bu değer 780 nm'dir) ile okuma yapılabilmektedir. DVD de, fiziksel tabakada daha verimli bir kodlama yöntemi kullanır. Blue-Ray Disk : Dünyanın önde gelen üreticilerinin Blu-ray Disc birliği (Blu-ray Disc Association - BDA) adı altında geliştirdikleri yeni format özellikle yeni nesil yüksek çözünürlüklü (HD) videoların tek bir diskte saklanabilmesinde yardımcı olurken aynı zamanda çok büyük miktarda veri depolamaya da yardımcı oluyor. Tek tabakalı bir Blu-ray disk 25 GB lık kapasitesi ile iki saatten fazla HDTV kalitesinde görüntü veya on üç saat civarında standart çözünürlüklü görüntü saklayabiliyor. Çift tabakalı biçimi ise 50 GB veri depolama kapasitesine sahiptir. Blu-ray ileride kolayca genişletilebilsin diye ayrıca çoklu-katman desteği de barındırıyor, her bir katmanda 25 GB veri ile ileride veri kapasitesi 100-200 GB seviyelerinde olabilmesi planlanmaktadır. Halihazırda kullanılmakta olan DVD gibi optik disk teknolojileri veri yazmak ve okumak için kırmızı lazer kullanırken, yeni format mavi-mor lazer kullanmaktadır. Blu-ray ürünler farklı lazer tipleri kullanılmasına rağmen, BD/DVD/CD uyumlu optik okuyucusu yardımıyla CD ve DVD leride oynatabilmektedir. 405 nm lik mavi-mor lazerin dalga boyu, 650 nm dalga boyuna sahip kırmızı lazerden daha kısadır. HD DVD : HD DVD, ya da High-Definition DVD yüksek tanımlamalı videolar veya veri taşınması için artık geliştirilmeyen bir optik depolama teknolojisidir. HD DVD tek katmanda 15 GB,çift katman söz konusu olduğunda ise 30 GB veri saklayabilir. 7
Manyetik Bellekler Verilerin manyetik özelliğe sahip malzemeler üzerine manyetik biçimde kaydedilmesidir. Bunun için kağıt, karton, bant, plak gibi malzemeler kullanılabilir. Manyetik ortamlara bir okuma/yazma kafası aracılığıyla okunup yazılabilir. Manyetik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; Manyetik Bant : Doğrusal kaydetme yöntemi; bandın tüm genişliği boyunca yayılan bant kafasının bant onun üzerinden geçerken tüm izleri okuması veya yazmasıdır. Disket : Disketler, farklı ebat ve hacimlere sahiptirler. Bir disketin fiziksel büyüklüğü bir kenarının inç olarak uzunluğuyla anılır. Günümüz piyasasında kullanımı en yaygın olan disket türü 3,5 inçlik (3.5") diskettir. Geçmişte 5,25 inçlik ve 8 inçlik olanları da kullanılmıştır. Disketler veri saklama kapasitesine göre de sınıflara ayrılır. Disketin kapasitesi sağ üst köşesinde yazan DD ve HD harflerinden anlaşılır. DD (Double Density) disketler 720 KB, HD (Hight Density) disketler 1,44 MB'lık veri saklama kapasitesine sahiptir. 8
9
Sabit Disk : Hard disklerde veri yazımı; metal, cam veya plastikten yapılmış, yüzeyi demir oksit ya da başka manyetik özellikteki malzeme ile kaplı diskler üzerine yapılır. Bu kayıt ortamlarında veriler mıknatıslanma yolu ile kaydedildiğinden istenerek silinene kadar sabit kalırlar, elektrik kesintileri gibi durumlarda bilgisayar bellek yongalarındaki gibi kaybolmazlar, bu nedenle anılan şekilde adlandırılmışlardır. Bir sabit diskte çoğunlukla metal olan bir veya birden fazla sayıda kayıt diski bulunur. Metal disk ya da diskler 3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 10000, 15000 d/d (devir/dakika) gibi hızlarla dönerken disk yüzeyleri üzerinde gezinen kafa veya kafalar okuma-yazma işlemlerini yaparlar. Gelişen teknoloji sabit disklerin boyutlarını küçültmüş ve bilgi saklayabilme yeteneklerini arttırmıştır. Birkaç megabayt büyüklüğündeki ilk örneklerin yerini günümüzde 500-750-1000-1500 GB (giga byte) veri saklayabilmekte olanları almıştır ve her geçen yıl bu artmaktadır. Günümüzde bir bilgisayar sabit diskinin küçültülmüş örnekleri olan, 20 gramdan daha az ağırlıkta kompakt flaş ölçüsünde (42,8x36,4x5 mm) 64 GB'a varan veri saklama olanaklı küçük sabit diskler de üretilmektedir. 10
11
Elektronik Bellekler Bilginin elektronik yapı elemanları temelli malzemelerin üzerine kaydedilmesi olarak adlandırılır. Günümüzde elektronik kayıt pratik olarak silisyumundan yapılmış olan entegre devreler aracılığıyla yapılır. Elektronik Bellek Türlerini sıralayacak olursak ; RAM Bellek ROM Bellek PROM Bellek EPROM Bellek EEPROM (E2PROM) Bellek Flash Bellek PLA Oku / Yaz Bellekler Sadece okunabilen Bellekler Oku / Yaz Bellekler 12
ROM (Read Only Memory) Bellekler ROM üzerindeki bilgiler hiçbir şekilde değiştirilemez veya silinemez. Belleğe bilgi imalat esnasında kalıcı olarak yerleştirilir ve bellek içeriği kesinlikle değiştirilemez. Bilgisayarınızı kapatsanız bile üzerindeki bilgiler silinmez. ROM, sadece okunabilir bellekler için kullanılan genel bir ifadedir ve ROM bellekteki bilgiler, RAM bellektekilerin aksine kalıcıdır. İlk üretilen ROM sadece okunabilir özelliktedir. Daha sonra üretilen ROM çeşitleri üzerinde elektriksel yöntemlerle değişiklik yapılabilmektedir. Bu tipteki hafıza birimleri elektrik kesildiğinde dahi bilgilerin saklanması gerektiği durumlarda kullanılmaktadır. Rom tipi belleklerde bilgi değiştirme imkanı yoktur. Bu tip bellekleri kullanma, belirli sayının üzerinde ihtiyaç varsa ekonomik olur. Rom bellek bir kitap gibi düşünülebilir. Kitaptaki bilgilerden kitap deforme olmadan nasıl yararlanılırsa bu bellekten de benzer şekilde yararlanılır. Rom'a genelde ihtiyaç duyulan ve değişmeyen bilgiler yüklenir. İlklendirme programları, kumanda talimatı ve tabela programları gibi. 13
PROM (Programmable Read Only Memory) Bellekler PROM un özellikleri temelde ROM la aynıdır. Bir kez programlanır ve bir daha bu program üzerinde herhangi bir değişiklik yapılamaz ancak PROM un üstünlüğü, yonganın fabrikada yapılırken programlanmak zorunda olmayışıdır. Herkes satın alabileceği PROM programlayıcısıyla amacına göre PROM a bilgi yazabilir. PROM bellek gözleri için nikel-krom veya polikristal maddelerinden oluşan bir sigorta bulunur. Üretildiklerinde bellek gözleri 0 veya 1 konumundadır. Yüksek bir akım uygulandığında sigorta atar. Sadece bir kez programlanabilir. Üzerindeki verilen silinmesi mümkün değildir 14
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) Bellekler RAM ların, elektrik kesildiğinde bilgileri koruyamaması ROM ve PROM ların yalnızca bir kez programlanabilmeleri bazı uygulamalar için sorun oluşturmuştur. Bu sorunların üstesinden gelmek için teknoloji devreye girmiş ve EPROM lar ortaya çıkmıştır. EPROM programlayıcı aygıt yardımıyla bir EPROM defalarca programlanabilir, silinebilir. EPROM programlayıcı, EPROM un üzerindeki kodlanmış programı mor ötesi ışınlar göndererek siler. Yonganın üzerindeki pencere, parlak güneş ışığı EPROM u kolayca silebileceğinden, programlama işleminden sonra EPROM un üzeri bir bantla kapatılır. Üretildiklerinde tüm bellek gözleri elektriksel olarak 1 konumundadır. Elektriksel olarak programlanabilirler. Morötesi ışık kullanarak silinebilirler. Belli sayıda silme ve programlama işlemi gerçekleştirilebilir. 15
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) Bellekler Bilgisayar BIOS'larının kullandığı ROM tipi EEPROM'dur. EPROM'a benzer olarak EEPROM'da silinebilir ve yazılabilir. Silme işini elektriksel olarak yapılmaktadır. Programlama işlemi belirlenen sayıda tekrar tekrar gerçekleştirilir. BIOS'larda EEPROM kullanır. Bu sayede ana kart üreticileri, güncelleşmiş BIOS'larını yazabiliyorlar. Bu bellek türü; mobil uygulamalarda, cep telefonlarında, sayısal işlemcilerde, modemlerde, BIOS larda, dijital kameralarda ve PDA larda kullanılmaktadır. 16
Flash Bellekler Yapısı EEPROM tipi belleklere benzemektedir. Veriler, elektriksel olarak bloklar halinde silinmektedir. Taşınabilir USB depolama cihazlarında sıklıkla kullanılmaktadır. 17
PLA (Programmable Logic Arrays) Lojik kapılarla elde edilmiş programlanabilir bir bellek türüdür. PLA lar Ve düzlemine bağlı girişler, VEYA düzlemine bağlı çıkışlardan oluşur. VE düzleminin çıkışları, VEYA düzleminin girişlerini oluşturur. Hem VE düzlemi, hem VEYA düzlemi programlanabilir. Böylece bir çok fonksiyon programlanabilir. ROM larla oluşturulan tüm kombinasyonları gerçekleştiremese de daha çok giriş çıkış sunar ve hızı daha yüksektir. Programlama : Bağlaçların girişlerinde sigortalar bulunur. Normalde programlamadan önce tüm bağlantılar vardır. İstenmeyen bağlantıları koparmak için sigortalar devre dışı bırakılır. Bu işlemi gerçekleştirmek için özel cihazlar vardır. 18
PLA (Programmable Logic Arrays) Basit gösterim : Çizimleri karmaşık hale getirmemek için PLA çizimlerinde tüm hatlar gösterilmez. Onun yerine ilgili kapının girişine hangi hatlar bağlanacak ise o hattın üzerine X konur. Soru : S0 :? C0 :? 19
RAM (Random Access Memory)Bellekler Yarı iletken teknolojisi ile yapılan okuma-yazma belleği RAM olarak adlandırılır. RAM belleği iç yapısına göre belirli sayıda adrese (bellek gözüne) sahiptir. Her bir bellek gözünün, yani adresin veri uzunluğu vardır. Bu veri biti uzunluğuna göre bilgiler belleğe yüklenir (yazılır) yada bellekten okunur (alınır). Her bir bellek gözünün yerinin belli olabilmesi için bir adresi olması gerekmektedir. Bu adresler üzerinden istenen bellek gözüne ulaşılır. RAM tipi bellekte okuma-yazma serbesttir. RAM-tipi bir belleğin herhangi bir gözüne, hangi veri uzunluğunda olursa olsun bir bilgi(veri) yazıldığı zaman, yazılan bu bilgi ilgili adresten tekrar okunabilmektedir. Manyetik belleklerdeki gibi herhangi bir adresten bilgi okunmasıyla (veri alınması) birlikte bellek içindeki veri deforme (değişme) olmaz, yani verinin lojiksel değerinde değişme olmaz. Fakat o adresteki bilgi üzerine, yeni bir bilgi yazılırsa veya bellek yongasının besleme gerilimi kesilince adres içeriği, yani veri değişir. Değişmeden kastedilen bellek türüne göre farklı ifade kullanılabilir. RAM'a Random Access yani rastgele erişimli denir. RAM lar birbirinden tamamen bağımsız hücrelerden oluşur. Bu hücrelerin her birinin kendine ait sayısal bir adresi vardır. Her hücrenin çift yönlü bir çıkışı vardır. Bu çıkış veri yolunda (Data Bus) mikroişlemciye bağlıdır. 20
RAM (Random Access Memory)Bellekler Ram tipi bellekler yapıları itibariyle ikiye ayrılırlar; Statik RAM (SRAM) Dinamik RAM (DRAM) STATİK RAM (SRAM) Bellek üzerine bir veri yazıldığında, tüm devreye enerji verildiği ve yazılan yere başka bir kelime yazılmadığı sürece, bu kelime hafızada saklı kalır. Bu yüzden verinin tazelenmesi gibi bir durum söz konusu değildir. SRAM lere statik denmesinin sebebi, DRAM lerin ihtiyaç duyduğu tazeleme operasyonuna ihtiyaç duymamalarıdır. Ön belleklerde (Cache) tercih edilir. DRAM lere göre hızlı ve pahalı bir bellek türüdür. Statik belleklerde mandallı röle devreler kullanılır. Röleye voltaj uygulandığında röle harekete geçer ve "elektriği iletemez" durumdan "iletir" duruma geçer. Elektrik akımının bir kısmı röleyi bu hâlde tutmak için kullanılır. Böylece röle devresi kapı mandalı gibi bir kuvvet ya da sinyal gelinceye kadar durumunu korur. Gerekli sinyal geldiğinde elektriği keser ve bu duruma kilitlenir. Böylece bir biti saklamak için gerekli iki durum elde edilmiş olur. Bu özellikteki çok sayıdaki devre bir araya gelerek statik bellek yongasını oluşturur. Statik belleklerde anlatılan bu yapı, şimdiki flash belleklerde kullanılan yapı ile aynıdır 21
DİNAMİK RAM (DRAM) Rastgele erişim ifadesi, bilgisayarın işlemcisini hafızanın ya da verinin tutulduğu bölgenin herhangi bir noktasına direkt olarak erişebileceğini belirtmek için kullanılır. Bu tür hafızalar veriyi tutabilmek için sabit elektrik akımına ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden depolama hücrelerinin her saniyede yüzlerce kez ya da her birkaç milisaniyede bir tazelenmesi yani elektronik yüklerle yeniden yüklenmesi gerekir. DRAM in doğasındaki dinamiklik buradan gelmektedir. Mikroişlemcilere benzer olarak hafıza çipleri de milyonlarca transistör ve kapasitörden oluşan entegre devrelerdir. Genel hâli ile bilgisayar hafızalarında bir transistör ve bir kapasitör, birlikte bir hafıza hücresini oluştururlar ve tek bir bit bilgiyi temsil ederler. Kapasitör bir bitlik bilgiyi (0 veya 1) tutar, transistör ise bir anahtar görevi görerek bilginin okunmasını veya değiştirilmesini kontrol eder. Veri, kondansatörün doldurulması ile saklanmaktadır. Fakat sistem üzerinde istenmeyen kaçak akımlar oluştuğundan kondansatörün sık sık tazelenmesi gerekmektedir. 22
DİNAMİK RAM (DRAM) Yukarıda da belirttiğimiz gibi DRAM e dinamik RAM denmesinin sebebi, veriyi elinde tutabilmek için her saniyede yüzlerce kez tazelenmek ya da yeniden enerji ile doldurulmak zorunda olmasıdır. Tazelenmek zorundadır DRAM lerin bellek tasarımcılarına çekici gelmesinin, özellikle de bellek büyük olduğu zaman, çeşitli nedenleri vardır. En önemli üç nedeni şöyle sıralayabiliriz: 1. Yüksek Yoğunluk: Tek bir yonga içine daha çok bellek hücresi (transistör ve kondansatör) yerleştirilebilir ve bir bellek modülünü uygulamaya koymak için gerekli olan bellek yongalarının sayısı azdır. Bu yüzden caziptir. 2. Düşük Güç Tüketimi:Dinamik RAM in bit başına güç tüketimi, static RAM le karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. 3. Ekonomi:Dinamik RAM, static RAM den daha ucuzdur. Çeşitleri : EDO DRAM (Extended Data Out Genişletilmiş Veri Çıkışı) SDRAM (Senkronize DRAM) DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 23
TEMEL BELLEK BİRİMİ Temel bellek birimi D-tipi flip floptur. 24
t1 anında ; clock un 0-1 geçişi ve D-girişindeki bilgi lojik '1' olduğundan flip flop un çıkışı lojik '1' olur. t2 anında ; clock un 0-1 geçişi ve D-girişindeki bilgi lojik '0' olduğundan flip flop un çıkışı lojik 0' olur. 25
Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Xi, Yi adres bilgisini temsil eder. Her bilgi, tek bir adrese sahip farklı fiziksel bir yer (location) işgal eder. Diğer bir deyişle, hafıza adreslenebilir saklayıcılar yığını olarak düşünülebilir. CS (Chip Select) sinyali, hafıza tüm devresinin aktif olması için, bir dış lojik tarafından üretilmesi gereken ilk sinyaldir. WR ve RD sinyallerinin durumlarına göre, seçili hafıza hücresine yazma veya okuma gerçekleştirilir. WE ve OE sinyalleri genelde bir hafıza tüm devresi üzerinde, yazma ve okuma işlemlerini aktiflemeyi belirten girişler olarak gösterilir. 26
Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Çıkışın aktif olabilmesi için ; RD/WR iletkenine lojik 1 ve CS iletkenine de lojik 0 uygulandığında A5 (And) kapısının çıkışına lojik 1 yansır, böylece D- flipflop un Q çıkışında ne varsa o lojiksel durum üç konumlu çıkışa sahip A7 (Değil) kapısının çıkışına yansımaya hazır olur. 27
Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Okuma işlemi için ; İlk önce Xi ve Yi iletkenlerine lojik '1' uygulanmalıdır. Bu durumda A1 (And) kapısının çıkışı lojik '1' olur. Bu çıkış aynı zamanda A2 ve A3 (And) kapıslarının bir girişidir. A2 kapısının 3 no'lu girişinden okuma/yazma (RD/WR ) seçimi yapılır. Okuma olabilmesi için RD/WR girişine lojik '1' uygulanır. A2 (And) kapısının çıkışı lojik '0' olur ve yükselen kenar aktif olan D-FF için bu çıkış etkisizdir. D-FF'unda önceden ne yüklendiyse o lojiksel durum A3 (And) kapısının çıkışında gözünür. 28
Lojik Kapılı RAM Bellek Gözü Yazma işlemi için ; İlk şart olarak Xi ve Yi'nin lojik '1' olması gerekir. Yazma olduğu için RD/WR girişine lojik '0' uygulanır. Dolayısıyla A2 (And) kapısının çıkışı lojik '0' dan lojik '1'e yükselir. O anda D-FF'un girişine ne uygulanmış ise A3 (And) kapsının çıkışında girişe uygulanan lojik seviye gözükür. Bu durumdan aktif olan göze yeni bilgi yazılır. 29
30
4x3 bit hafızanın lojik diyagramı. Her bir satır, toplam 4 tane olan, 3 bit kelimeden oluşur. Bir hafıza okuma veya yazma işleminde, her zaman 3 bit bir kelime okunur veya yazılır. 31
BELLEKLERİN DIŞ GÖRÜNÜMLERİ 32