Chương này cũng bao gồm thiết kế logic của bộ nhớ, xác định những vùng khác nhau và công dụng của chúng đối với hệ thống, bởi vì thiết kế logic và sử dụng điều trong bộ não bộ xử lý, ánh xạ bộ nhớ và sơ đồ vật lý có lẽ luôn là những chủ đề khó khăn nhất dể hiểu thấu toàn bộ thế giới máy tính. chương này bao gồm những thông tin hữu ích tháo gỡ những bí ẩn liên quan đến bộ nhớ và cho phép bạn lại bỏ hầu hết những sự cố ra khỏi hệ thống của bạn. bộ nhớ là nơi làm việc của bộ sử lý máy tính. một vùng lưu trữ tạm thời nơi bộ vi xử lý điều hành những chương trình và dữ liệu. lưu trữ bộ nhớ được xem như tạm thời bởi vì dữ liệu và nhưng chương trình tồn tại chỉ ở đó miễn là máy tính có nguồn điện hoặc chưa được khởi động lại. trước khi tắt hoặc khởi động lại, bất kỳ dữ liệu thay đổi phải được lưu ở một thiết bị lưu trữ lâu dàu hơn (thường là ổ cứng) nên có thể nạp lại vào bộ nhớ sau này.

Bộ nhớ thường được gọi là RAM (RAM: Random Access Memory). Bộ nhớ chính được gọi là RAM bởi vì có thể truy cập ngẫu nhiên (trái ngược với thường xuyên) bất cứ một vùng nào trong bộ nhớ. điều này có phần gây hiểu lầm và thường bị hiểu sai. Lấy ví dụ, bộ nhớ chỉ đọc (ROM: read-only memory) cũng có thể truy cập ngẫu nhiên, vẫn thường được phân biệt từ hệ thống ram bởi vì nó duy trì dữ liệu mà không cần nguồn điện và không thể được ghi theo cách thông thường. mặc dù ổ cứng được dùng như bộ nhớ ảo truy cập ngẫu nhiên nhưng nó không được xem như là ram.

Qua nhiều năm, định nghĩa về ram được thay đổi từ cấu tạo bằng những ký tự đầu của nhóm từ đơn giản thành có nghĩa là vùng làm việ bộ nhớ chủ yếu mà bộ vi xử lý dùng để chạy những chương trình thường được xây dựng từ một loại chip được gọi là ram động (dram: dynamic ram). Một trong những đặc điểm của những chip dram (và vì thế cho phần lớn các loại ram nói chung) là chúng chứ dữ liệu một cách năng động, điều này thực sự có hai ý nghĩa. ý nghĩ thứ nhất là thông tin được ghi  lên ram nhiều lần bất cứ lúc nào. ý nghĩa khác là thực tế dram đòi hỏi dữ liệu cần phải được làm mới (chủ yếu ghi lại) mỗi vài triệu giây hoặc lâu hơn; ram nhanh hơn đòi hỏi làm mới thường xuyên hơn ram chận. một loại ram được gọi là ram tĩnh (sram): static ram) không yêu cầu phải làm mới định kỳ. một đặc điển của ram nói chung là dữ liệu chỉ được lưu trữ với điều kiện bộ nhớ có nguồn điện.

Cả hai bộ nhớ dram và sram duy trì dữ liệu chỉ với điều kiện nguồn điện vẫn còn. Tuy nhiên, một loại bộ nhơ được biết là Flash memory. Flash memory có thể giữ lại nội dung mà không cần nguồn điện và ngày nay nó thường được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số, ổ đĩa người nghe nhạc và những ổ cứng nhanh usb (usb flash drive). Về phần máy tính cá nhân, một thiết bị flash memory mô phỏng đĩa (không phải là ram) và được truy cập bằng cách chọn tên ổ đĩa, giống như với bất kỳ ổ đãi hoặc ổ quang khác.

Khi nói về bộ nhớ của máy tính, chúng ta thường ám chỉ ram hay bộ nhớ vật lý trong hệ thống, mà chủ yế là những chip nhớ hoặc các đơn vị mà bộ vi xử lý sử dụng để lưu trữ các chương trình hoạt động chính và dữ liệu. điều này thường lẫn lôn với thuật ngữ lưu trữ thường được sử dụng khi ám chỉ đến các thiết bị như ổ đãi và ổ băng từ (mặc dù chúng có thể được sử dụng như là một hình thức của ram gọi là bộ nhớ ảo).

Ram có thể nói đến cả hai: những chip vật lý cấu tạo bộ nhớ trong hệ thống và ánh cạ thiết kế bộ nhớ hợp lý đó. ánh xạ và thiết kế hợp lý có liên quan đến cách những địa chỉ bộ nhớ được anh xạ đến các chíp thực sự và các vùng địa chỉ nào chứa loại thông tin hệ thống nào.

Người mới làm quen với máy tính thường nhầm lẫn bộ nhớ chính ram với lưu trữ đĩa bởi vì cả hai đều có dung lượng và được thể hiện dưới cùng giởi hạn megabyte hoặc gigabyte. Sự tương đồng đúng nhất dùng để giải thích mối liên hệ giữa bộ nhớ và lưu trữ đãi mà tôi thấy đó là một văn phòng với bạn làm việc và một tủ hồ sơ.

Trong sự tương đồng phổ biến này, tủ hồ sơ đại điện cho ô cứng của hệ thống, nơi mà cả hai chương trình và dữ liệu được lưu trữ an toàn lâu dài. Cái bàn đại điện cho bộ nhớ chính của hệ thống, cho phép người làm việc tại bàn (hoạt động như là bộ xử lý) truy cập trực tiếp vào bất kỳ tập tin nào đặt trên bàn. Các tập tin đại điện cho các chương trình và tài liệu mà bạn có thể “nạp” vào bộ nhớ. để làm việc, nếu bàn làm việc đủ lớn, bạn có thể có vài tập tin mở cùng một lúc; tượng tự như vậy, nếu hệ thống có nhiều bộ nhớ hơn, bạn có thể chạy nhiều chương trình hay chương trình lớn hơn và làm việc trên nhiều tài liệu hoặc tài liệu lớn hơn.

Thêm không gian đĩa cứng vào hệ thống tương tự như là đặt  một tủ hồ sơ lớn hơn vào văn phòng nhiều tập tin hơn được lưu giữ cố định. thêm nhiều bộ nhớ vào hệ thống cũng giống như có được một bàn làm việc lớn hơn bạn có thể làm việc với nhiều chương trình và dữ liệu cùng lúc.

Một điều khác biệt giữa sự tương đông này và cách những sự việc thưc sự diễn ra trong một máy tính là khi một tập tin được tải vào bộ nhớ, nó là một bản sao của tập tin được tải vào mà thôi; gốc vẫn ở trên ổ đĩa cứng. bởi vì tính chất tạm thời của bộ nhớ, bất kỳ tập tin nào được thay đổi sau khi tải vào bộ nhớ đều phải được lưu trở lại đĩa cứng trước khi hệ thống tắt (tắt sẽ xóa hết bộ nhớ), nếu tập tin thay đổi trong bộ nhớ không được lưu, thì bản sao gôc của của tập tin trên đãi cứng vẫn không thay đổi. điều này cũng giống như bất kỳ các bồ sơ thay đổi nào đặt trên bàn đều bị vứt bỏ khi văn phòng đóng cửu, mặc dù hô sơ gốc vẫn còn được lưu giữ trong tủ.

Bộ nhớ tạm thời lưu trữ các chương trình khi chúng chạy, cùng với việc các chương trình này sử dụng các sữ liệu. những chíp ram đội khi được cho là sự lưu trữ không ổn định bởi vì khi bạn tắt máy hoặc khi cúp điện đột ngột, bất cứ cái gì được lưu trong ram đều bị mất, từ khi bạn đã lưu nó vào ổ cứng. do bản chất không ổn định của ram, tôi thường khuyên nhiều người dùng nên có thói quen lưu dữ liệu thường xuyên. Nhiều ứng dụng phần mềm có thể định thời gian tự động lưu để làm giảm tối đa nguy cơ mất dữ liệu.

The quy luật tự nhiên, các bộ nhớ chính trong hệ thống là một tập hợp các chip hoặc các module chứa đựng trong những chip thường được cắm vào bo mạch chủ. những chip hay các module này khác biệt về thiết kế điện và vật lý và phải tương tích với hệ thống mà chúng được cìa đặt theo đúng chức nawg. Chương này thảo luận về các loại chip và module đa dạng được cài đặt trong hệ thống khác nhau.

Để hiểu rõ hơn về bộ nhớ vật lý trong một hệ thống bạn nên hiểu loại bộ nhớ nào được gắn trong một máy tính cá nhân và vai trò của từng loại. ba loại bộ nhớ vậy lý chính được sử dụng trong máy tính các nhân hiện đại (xin nhớ cho, tôi đang nói về loại chíp nhớ, không phải là loại module mà bộ nhớ được lưu trữ vào):

Rom – Bộ nhớ chỉ đọc (read-only meory)

Dram – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (dynamic random access memory)

Sram – Ram tĩnh (static ram)

Chỉ  có duy nhật một loại bộ nhớ bạn cần phải mua và cài đặt là dram. Các loại khác được dựng sẵn vào các bo mạch chủ (rom); bộ xử lý (sram) và các thiết bị khác như là card video, ổ đĩa cứng… 

Bộ nhớ chỉ đọc, là một loại bộ nhớ có thể lưu trữ dữ liệu vĩnh việc hoặc bán vĩnh viễn hoặc bán vĩnh viễn. nó được gọi là chỉ đọc bởi vì nó không thể hay rất khó để ghi vào. Rom cũng thường được xem như bộ nhớ ổn định bởi vì bất kỳ dữ liệu nào được lưu trữ trong rom thì vẫn còn đó, thậm chí ngay cả khi tắt máy. Như vậy, rom là một nơi lý tưởng để đặt các lệnh khởi động máy tính đó là phần mềm khởi động hệ thống.

Lưu ý rằng rom và ram không đối lập nhau nhơ một số người vẫn nghĩ. Cả hai đơn giản chỉ là các loại bộ nhớ, trong thực tế, về mặt kỹ thuật, rom có thể được phân loại như là một tập hợp con của ram hệ thống. nói cách khác, một phần khoảng địa chỉ bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên của hệ thống được anh xạ vào một hoặc nhiều chíp rom. Điều này là cần thiets để chứa phần mềm cho phép máy tính khởi động; nếu không, bộ xử lý sẽ không có chương trình trong bộ nhớ để chạy khi khởi động máy.

BIOS rom chính được chứa trong một chip rom trên bo mạch chủ, nhưng cũng có những card tiếp hợp với những rom trên card. Rom trên card tiếp hợp chứa các thủ tục bios hỗ trọ và những trình điều khiển cần thiết cho một card riêng biệt, đặc biệt là đối với nhưng card này phải khích hoạt chúng sớm trong tiến trình khởi động, như là card video. Card mà không cần trình điều khiển kích hoạt lúc khởi động thường không có rom, bới vì chính nhưng trình điều khiển này có thể được nạp sau này từ đĩa cứng trong tiến trình khởi động.

Hầu hết các hệ thống hiện nay sử dụng một loại rom được gọi là rom có thể lập trình có thể xóa bằng điện (EEPROM: electrically erasable programmable rom), là một hình thức của flash memory, flash thực sự là một bộ nhớ không ổn định có thể ghi lại, cho phép người dùng dễ dàng nâng cấp ROM hoặc phần cơ sở trong bo mạch chủ hoặc các thành phần khác (như card video, card SCSI, thiết bị ngoại vi…).

Ram động (Dram: dynamic ram) là loại chip nhớ được dùng trong hầu hết các bộ nhớ chính ở các máy tính hiện đại. lợi thế chính của dram là một mấy độ rất dày đặc, có nghĩa là bạn có thể gói nhiều bit vào trong một con chip rất nhỏ, không tốn kém và bạn có thể mua số lượng lớn với giá thành phải chăng.

Các tế bào bộ nhớ trong một chi ram là các tụ điện nhỏ xíu giữ lại năng lượng điện biểu thị cho một bit. Vấn đề với dram là nó động – đó là, các nội dung của nó có thể bị thay đổi. với mỗi gõ phím hay mỗi nhấp chuột các nội dung của RAM thay đổi. và toàn bộ nội dung của ram bị mất hết khi hệ thống phá hủy. cỗng vậy do thiết kế, nó phải được làm mới liên tụ; mặt khác những năng lượng điện ở các tụ điện bộ nhớ riêng biết sẽ cạn và dữ liệu sẽ bị mất. làm mới xảy ra khi bộ điều khiển bộ nhớ hệ thống có một thời gian gnhir ngắn và truy cập tất cả các dòng dữ liệu trong những chíp nhớ. thời gian làm mới tiểu chuẩn là 15ms, có nghĩa là cứ mỗi 15 triệu giây, tất cả các hàng trong bộ nhớ được tự động đọc để làm mới dữ liệu.

Làm mới bộ nhớ không may cũng tách thời gian bộ xử lý khỏi những công việc khác, vì mỗi chu kỳ làm mới lại cần vài chu kỳ cpu để hoàn thành. Trong hệ thống cũ, chu kỳ làm mới có thể mấy đến 10% hoặc hơn tổng số thời gian của cpu, nhưng với hệ thống ngày nay đang chạy trong hàng đa-gigahertz, việc làm mới trên bây giờ trong trình tự một phần nhỏ của một phần trăm hoặc ít hơn của tống số thời gian của cpu. Một số hệ thống cho phép thay đổi tham số định thời gian làm mới thông qua CMOS setup. Thời gian giữa các chu kỳ làm mới được biết đến như tREF và được diễn đạt không phải trong triệu giây, mà trong những chu kỳ đồng hồ (xem hình 6.1).

Quan trọng là nhận biết được rằng gia tăng thời gian giữa các chu kỳ làm mới (tREF) để tăng tốc độ hệ thống có thể để một số tế bào bộ nhớ sớm tiêu hao, gây ra những lỗi bộ nhớ nhỏ ngẫu nhiên. Lỗi nhỏ là một lỗi dữ liệu không gây ra do chóp khiếm khuyết. để tránh những lỗi nhỏ, thường an toàn hơn bạn nên cài định thời gian làm mới theo kế hoạch hoặc mặc định bởi vì việc làm mới tiêu thụ ít hơn 1% toàn bộ băng thông hệ thống hiện đại, thay đổi tỷ lệ làm mới có ảnh hưởng chút ít đến sự thực thi. Hầu như tốt nhất là dùng những thiết lập tự động hay mặc định cho bất kỳ định thời gian bộ nhớ nào trong BIOS Setup.

Nhiều hệ thống hiện đại không cho phép thay đổi định thời gian bộ nhớ và được vĩnh viễn đặt ở chế độ tự động. ở chế độ tự động, các bo mạch chủ đọc những tham số định thời gian ngoài ROM nhận dạng theo chuỗi (SPD: serial presence detect) được tìm thấy trên module bộ nhớ và thiết lập những tốc độ chu kỳ phù hợp.

Dram sử dụng duy nhất một bóng bán dẫn và một cặp tụ điện cho mỗi bit, điều này làm cho chúng rất dầy đặc, cung cấp nhiều dung lượng bộ nhớ cho mỗi chip hơn bất kỳ loại bộ nhớ nào khác. Hiện tại, chíp dram có khả năng mật độ lên đến 4Gb (512MB) mỗi chíp, mà tại một điển bóng bán dẫn cho bit yêu cầu ít nhất 4 tỷ bóng bán dẫn. bóng bán dẫn đếm trong những chíp nhớ thì nhiều hơn trong bộ xử lý là mạch phức tạp hơn nhiều về những kiến trúc và yếu tố khác nhau tương kết trong kiểu bất quy tắc cao.

Báng bán dẫn cho mỗi tế bào bit dram đọc tình trạng nạp năng lượng của tụ điện kế cạn. nếu tụ điện được nạp, tế bào được đọc để chứa a 1; không nạp là a 0. Các tụ điện nhỏ liên tục hết điện, đó là lý do tại sao bộ nhớ phải được làm mới thường xuyên. Ngay cả khi nguồn điện bị gián đoạn, hoặc bất cứ điều gì cản trở chu trình làm mới, có thể dẫn tới một tế bào bộ nhớ dram mất đi sự nạp điện và dữ liệu cũng vậy. nếu điều này xảy ra trong hệ thống đang chạy, nó có thể dẫn đến màn hình màu xanh, lỗi bảo vệ toàn bộ hệ thống, các thông tin hỏng, và bất kỳ số hệ thống sụp đổ.

Dram được sử dụng các hệ thống máy tính vì rẻ và các chíp có thể được đóng gói với mật độ dày đặc, nên nhiều dung lượng bộ nhớ có thể tích hợp trong một không gian nhỏ. thật không may, dram cũng chậm, điểu hình là chậm hơn bộ xử lý. Vì lý do này, nhiều loại kiến trúc dram đã được phát triển để cải tiến tốc độ.