Muisti (tietokone)

Ensimmäisten tietokoneiden keskusmuisti oli toteutettu releillä tai elektroniputkilla. Massamuistina käytettiin paperisia reikänauhoja. 1940- ja 1950-luvuilla kehitettiin elohopeamuistit, joissa tieto tallennettiin akustisesti putken päästä toiseen eteneviin ääniaaltoihin.

Williams-putki oli katodisädeputki, jota käytettiin muistin tavoin: piste säilyi sekunnin murto-osan ennen haihtumistaan.[2] Ratkaisu oli ensimmäinen korkeanopeuksinen täysin elektroninen muisti.[2]

Magneettiset muistit syrjäyttivät muut muistitekniikat 1950-luvun lopulta lähtien. Keskusmuistina käytettiin aluksi rumpumuistia, jossa tieto tallennetaan nopeasti pyörivän rummun pinnalle. Ne hävisivät kuitenkin nopeasti ferriittirengasmuistille (engl. core memory, josta jäänteenä suom. ydinmuisti). Rengasmuisti koostuu pienistä ferriittirenkaista, joissa oleva magneettikenttä voi vaihtaa suuntaa myötäpäivään tai vastapäivään. Jokaiseen renkaaseen voidaan siis tallentaa yksi bitti.

Muita muistityyppejä olivat kuplamuisti ja kalvomuisti.

MOS-tekniikkaan perustuvan puolijohdemuistin (DRAM) keksi Robert Dennard vuonna 1966 ja sai sille patentin vuonna 1968.[3]

Yksi mikropiiri kykeni aluksi tallentamaan 1024 bittiä. Se oli huima parannus ferriittirengasmuisteihin verrattuna ja mikropiirit syrjäyttivät nopeasti rengasmuistit. Mostekin kehittämä menetelmä muistisolujen osoittamiseen mahdollisti hintojen pitämisen alhaisempana kapasiteetin kasvaessa, mikä vaikutti merkittävästi niiden suosioon.[4] Kilpailijoiden käyttämä muistinosoitusmenetelmä olisi vaatinut kalliimpia piirejä kun niiden kapasiteetti kasvaa.[4]

Ennen DRAM-muistien hintojen laskua näytön virkistykseen perustuvat rasterigrafiikkaa käyttävät näytöt olivat kalliita.[5] Tektronixin päätteet pitivät kuvaa näytöllä omalla tekniikkallaan.[5]

Pääartikkeli: Muistiarkkitehtuuri

Tietokoneiden muistikäsittelyn ratkaisut vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan. Suurtietokoneet ja supertietokoneet sekä klusterit käyttävät erilaisia ratkaisuja kuin tavalliset henkilökohtaiset tietokoneet tai sulautetut järjestelmät.

Muisti on yleensä kytketty suorittimeen suoritinväylällä tai kytkentäverkolla. Nykyään käytetään moniprosessointiin soveltuvia pakettikytkentäisiä ratkaisuja, joita ovat esimerkiksi HyperTransport ja QuickPath.[6] Suurien tietomäärien käsittelyyn erikoistuneissa tietokoneissa voidaan käyttää perinteisen väylän sijaan ristikytkentämatriisia ja kehittynyttä kytkentäverkkoa.[7]

Arkkitehtuurista riippuen muistin käyttötapa vaihtelee ja on useita tapoja luokitella arkkitehtuurit: UMA-arkkitehtuurissa esimerkiksi näyttö- ja grafiikkatoimintoja käsittelevät piirit voivat pystyä jakamaan keskusmuistia suorittimen kanssa, kun taas NUMA-arkkitehtuurissa viive muistin käytössä riippuu sen fyysisestä etäisyydestä.[7][8]

Oheislaitteiden ja muistin välinen yhteys on aiemmin vaatinut suorittimen apua, mutta DMA:n käyttö on mahdollistanut muistin käytön ilman suorittimen keskeytystä.[8]

Tietokoneen muisti voidaan jakaa hierarkiaan seuraavasti:[9]

1. nopea sisäinen muisti, suorittimen rekisterit ja välimuisti
2. keskusmuisti, järjestelmän käyttämä hajasaantimuisti sekä ohjainkorttien muisti
3. massamuisti, välittömästi käytettävissä oleva tallennuskapasiteetti, on-line
4. massamuisti, joka ei ole välittömästi käytettävissä, off-line

Hierarkian tasot eroavat vasteajoissa, käytetyssä teknologiassa ja ohjaukseen tarvittavassa monimutkaisuudessa.[9]

Tietokoneen suoritin ei voi suoraan käyttää kuin sen sisäistä muistia sekä keskusmuistia, mistä johtuen ohjelmat on ladattava keskusmuistiin suorittamista varten. Näennäismuisti mahdollistaa massamuistin käytön keskusmuistin jatkeena.[10]

Ohjainkorteilla on usein omaa muistia. Esimerkiksi näytönohjaimilla on näyttömuistia (Video RAM) ja grafiikkaprosessoreilla on omat rekisterit ja omaa välimuistia sekä muuta muistia.[11] Grafiikkaprosessorien muistimalli poikkeaa tietokoneen suorittimen käyttämästä ja on huomattavasti rajatumpi käsittelytavassa.[12]

Suorittimen sisäistä muistia on myös mikro-ohjelmalle varattu SRAM-muisti, jota käytetään tietyissä suoritinperheissä.[13]

Tietokoneen muistijärjestelmä toteutetaan tavallisesti käyttämällä useita erilaisia komponentteja muistin eri osien käyttötarpeiden mukaisesti. Muistit voidaan luokitella usean eri kriteerin perusteella eri tyyppeihin:

• välimuisti tai keskusmuisti käyttötarkoituksen mukaan
• hajasaanti-, suorasaanti ja sarjasaantimuisteihin muistin hakutavan perusteella
• lukumuisteihin (ROM) ja luku-/kirjoitusmuisteihin (RAM) sen mukaan voidaanko muistiin kirjoittaa vai ei
• haihtuviin ja haihtumattomiin muisteihin tiedon keston mukaan (volatile, non-volatile)
• tallennusvälineen (media) perusteella levy-, nauha- tai puolijohdemuisteihin, ks. massamuisti

Virheenkorjaavamuisti (ECC, EDAC)

30-pinnistä SIMM-muistia, jossa yhdeksäs muistipiiri on käytössä pariteettitiedon säilömiseen.

Varhainen virheen havaitseminen DRAM-muisteissa perustui pariteettibittiin.[14] Myöhempi virheenkorjauskoodia käyttävä ECC-muisti perustuu Hamming-koodiin ja korjaa yhden bitin virheen sekä havaitsee kahden bitin virheen.[14]

EDAC (engl. Error Detection and Correction) tarkoittaa virheen ja havaitsemista ja korjaamista.[15]

Eräät DRAM-muistit käyttävät monimutkaista sisäistä rakennetta, joka tekee virheen korjaavan EDAC-ominaisuuden toteuttamisesta vaikeampaa.[15]

Muistivirheet ovat bittien tilojen muuttumista toiseksi. Yleisimmät syyt muistin korruptoitumiseen ovat sähkömagneettiset häiriöt järjestelmässä tai sen välittömässä ympäristössä. Taustasäteilyn vaikutuksen on kuitenkin, enenevässä määrin, todettu muistivirheiden aiheuttajaksi.[14] Muistivirheet voivat sotkea tietokoneen käsittelemää tietoa tai jopa kaataa järjestelmän.

Muistivirheitä esiintyy useissa muistityypeissä, mukaan lukien DRAM ja Flash-muisti.[15] Googlen tutkimuksen mukaan virheet ovat yleisempiä kuin on raportoitu.[16] Googlen mukaan ”kovat” virheet ovat tyypillisempiä kuin ”pehmeät”: kovat virheet ovat korjaamattomia kun taas pehmeät ovat hetkellisiä tapahtumia kuten taustasäteilyn aiheuttamia.[16]

Muistimoduuleja. Ylhäältä alas: DIP, SIPP, SIMM (30 piikkiä), SIMM (72 piikkiä), DIMM ja DDR DIMM

Keskusmuistin toteutustapa on DRAM-tyyppinen dynaaminen muisti haihtuva muisti. Tämä tarkoittaa sitä, että muistia on koko ajan virkistettävä, etteivät tiedot katoa. Joissain erikoistapauksissa keskusmuisti voi olla DRAM-muistin sijasta staattinen SRAM-muisti, jossa tiedot pysyvät virkistämättä. Suorittimen sisäinen välimuisti on tyypillisesti SRAM-muistia. Useita muistipiirejä löytyy myös virheenkorjaavana ECC-versioina, jotka käyttävät virheenkorjauskoodia.

Muistipiirin tyypin kuten DDR3 tai DDR4 määrittelee muistiohjain, joka on ollut erillinen mikropiiri emolevyllä (pohjoissilta, northbridge), mutta on yhä useammin integroituna suorittimeen.[20] Varhaisimmat integroitua muistiohjainta käyttävät suorittimet olivat DEC Alpha 21066 ja HP PA-7300LC. Muita integroitua muistiohjainta käyttäviä suorittimia ovat AMD:n Athlon 64, IBM:n POWER5 ja Sun Microsystemsin UltraSPARC T1.

IBM:n Power8-suorittimet käyttävät Centaur DIMM (CDIMM) muistimoduuleja, joissa puskuripiirit ovat muistimoduuleilla integroituna suorittimen sijaan.[21]

Sulautetut järjestelmät voivat käyttää useaa muistityyppiä kuten SDRAM, SRAM ja ROM.

Suorittimen toteutus rajoittaa miten paljon fyysistä muistia prosessori pystyy osoittamaan. 32-bittisellä osoiteväylällä voi osoittaa 4 Gt (2³²) ja 48-bittisellä 256 Tt muistia. PA-RISC tukee 16 eksatavun muistiavaruutta.[22]

Osoiteavaruus voi rajoittaa paljonko sovellus voi saada tietokoneen fyysisestä muistista käyttöönsä ja miten se näkee sen. Yhden prosessin näkemä muistiavaruus on riippuvainen käyttöjärjestelmästä ja prosessorista muistisivujen ja näennäismuistin avulla: Linux-ytimeen on lisätty viisitasoinen muistisivutus, jolla maksimimuistimäärä kasvaa petatavuihin.[23][24]

• Puskurimuisti
• Video RAM

• http://news.cnet.com/8301-30685_3-10370026-264.html%5Bvanhentunut+linkki%5D

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Muisti (tietokone) Wikimedia Commonsissa