कंप्यूटर मेमोरी: विस्तृत तकनीकी अध्ययन

भाग-3 (Master Edition) | L1/L2 Cache, Registers & HDD Anatomy

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1. मेमोरी पदानुक्रम और CPU इंटरनल (Internal)

कंप्यूटर में मेमोरी को उसकी गति (Speed) और पहुँच समय (Access Time) के आधार पर व्यवस्थित किया जाता है। जैसे-जैसे हम CPU के करीब जाते हैं, मेमोरी तेज़ और महंगी होती जाती है।

Registers
Cache (L1, L2, L3)
Main Memory (RAM)
SSD (Solid State)
HDD (Hard Disk)
↑ सबसे तेज़ / महंगी ↓ सबसे बड़ी / सस्ती

A. रजिस्टर्स (CPU Registers) - सबसे तेज़

ये मेमोरी नहीं, बल्कि CPU के अंदर स्थित "अस्थायी भंडारण क्षेत्र" हैं। इनका एक्सेस टाइम 1-2 नैनो सेकंड होता है।

रजिस्टर का नाम कार्य (Function)
ACC (Accumulator) प्रोसेसिंग के दौरान जो भी इंटरमीडिएट रिजल्ट (बीच का परिणाम) आता है, उसे रखता है।
PC (Program Counter) अगले निर्देश (Next Instruction) का पता (Address) रखता है जिसे CPU को प्रोसेस करना है।
MAR (Memory Address Register) डेटा कहाँ से लाना है, उसका एड्रेस रखता है।
MDR (Memory Data Register) मेमोरी से जो डेटा लाया गया है, उसे होल्ड करता है।

B. कैश मेमोरी (L1, L2, L3) - विस्तृत

सिद्धांत (Concept): CPU बहुत तेज़ है और RAM धीमी। इस स्पीड के अंतर को कम करने के लिए Cache Memory का उपयोग होता है। यह "SRAM" (Static RAM) से बनी होती है।
Hit Ratio: जब CPU को डेटा Cache में मिल जाता है, तो उसे Hit कहते हैं। नहीं मिलता, तो Miss।

L1 Cache (Level 1)
  • स्थान: CPU चिप के बिल्कुल अंदर।
  • साइज: सबसे छोटा (2KB से 64KB)।
  • स्पीड: रजिस्टर के बाद सबसे तेज़।
  • विभाजन: Instruction Cache और Data Cache में बंटी होती है।
L2 Cache (Level 2)
  • स्थान: CPU चिप पर या मदरबोर्ड पर CPU के एकदम पास।
  • साइज: L1 से बड़ी (256KB से 512KB)।
  • स्पीड: L1 से धीमी, RAM से तेज़।
L3 Cache (Level 3)
  • स्थान: मल्टी-कोर प्रोसेसर में सभी कोर्स (Cores) द्वारा साझा (Shared) की जाती है।
  • साइज: सबसे बड़ी (MB में, जैसे 8MB, 12MB)।
  • स्पीड: Cache में सबसे धीमी।

2. प्राइमरी मेमोरी (गहराई से)

A. SRAM बनाम DRAM (तकनीकी अंतर)

फ़ीचर SRAM (Static RAM) DRAM (Dynamic RAM)
तकनीक Flip-Flop (Transistors) का उपयोग होता है। Capacitors और Transistors का उपयोग होता है।
रिफ्रेशिंग इसे बार-बार रिफ्रेश करने की जरूरत नहीं होती। डेटा स्थिर रहता है। कैपेसिटर चार्ज लीक करता है, इसलिए इसे सेकंड में हजारों बार रिफ्रेश करना पड़ता है।
उपयोग Cache Memory (L1, L2) के रूप में। Main Memory (RAM) के रूप में।
लागत महंगी और जटिल। सस्ती और सरल।

B. RAM की तकनीक: SDRAM और DDR

हमारे कंप्यूटर में SDRAM (Synchronous DRAM) लगती है जो CPU की घड़ी (Clock) के साथ तालमेल बिठाकर चलती है।

  • DDR (Double Data Rate): यह एक Clock Cycle में दो बार डेटा भेजती है।
  • पीढ़ियां (Generations):
    DDR1 → DDR2 → DDR3 → DDR4 (Common) → DDR5 (Latest, सबसे तेज़)।
    अंतर: हर नई पीढ़ी में वोल्टेज कम (बिजली बचत) और स्पीड ज्यादा होती है।

3. सेकेंडरी मेमोरी: HDD और SSD की शारीरिक रचना

A. हार्ड डिस्क की आंतरिक संरचना (HDD Anatomy)

हार्ड डिस्क के अंदर गोल डिस्क होती हैं जिन्हें Platters कहते हैं। डेटा स्टोर करने का तरीका निम्न है:

भाग (Part) विवरण (Description)
Track (ट्रैक) डिस्क के ऊपर बने सकेंद्रित (Concentric) गोल घेरे। जैसे दौड़ने का ट्रैक होता है।
Sector (सेक्टर) ट्रैक को छोटे-छोटे टुकड़ों में बांटा जाता है। यह डेटा स्टोरेज की सबसे छोटी भौतिक इकाई है। (मानक साइज: 512 Bytes)।
Cluster (क्लस्टर) दो या दो से अधिक Sectors का समूह। फाइल सिस्टम (OS) डेटा को क्लस्टर में पढ़ता/लिखता है।
Cylinder (सिलिंडर) सभी प्लैटर्स के समान ट्रैक मिलकर एक सिलिंडर बनाते हैं।
Seek Time Head को सही Track तक पहुँचने में लगा समय।
Latency Time Track पर सही Sector के Head के नीचे आने का इंतज़ार करने वाला समय।

B. SSD तकनीक (SATA vs NVMe)

  • SATA SSD: यह पुरानी तकनीक (केबल वाली) है। इसकी स्पीड 550 MB/s तक होती है।
  • NVMe (M.2) SSD: यह मदरबोर्ड पर सीधे लगती है (जैसे RAM)। यह PCIe बस का उपयोग करती है। स्पीड 3500 MB/s से 7000 MB/s तक होती है। (Exam Q: सबसे तेज़ ड्राइव कौन सी है? Ans: NVMe SSD)

C. वर्चुअल मेमोरी (Virtual Memory) - भ्रम

यह कोई फिजिकल चिप नहीं है। यह एक तकनीक है।
कैसे काम करती है? जब RAM भर जाती है, तो OS (Windows) हार्ड डिस्क के एक हिस्से को 'Page File' बनाकर RAM की तरह यूज़ करता है।
Swap Space: Linux में इसे Swap Space कहते हैं।

4. मेमोरी मापन (Advanced Maths)

Unit Short Exact Bytes (Power of 2) Approx Bytes (Power of 10)
KilobyteKB$2^{10}$ (1,024)$10^3$ (Thousand)
MegabyteMB$2^{20}$ (1,048,576)$10^6$ (Million)
GigabyteGB$2^{30}$ (1,073,741,824)$10^9$ (Billion)
TerabyteTB$2^{40}$$10^{12}$ (Trillion)
PetabytePB$2^{50}$$10^{15}$ (Quadrillion)
महत्वपूर्ण रूपांतरण (Conversion):
• 1 Byte = 8 Bits
• 1 Nibble = 4 Bits
• Half Byte = 1 Nibble
• 1 KB = 1024 Bytes (Note: कई बार ऑप्शन में 1000 भी दिया जाता है, लेकिन तकनीकी रूप से 1024 सही है)।

⚡ Master Exam Q&A (Technical Level)

Q. कंप्यूटर में 'बफर' (Buffer) क्या है? A. यह डेटा को प्रोसेस करने से पहले अस्थायी रूप से स्टोर करने वाला क्षेत्र है (अक्सर RAM में)। यह दो डिवाइसों की स्पीड के अंतर को मैनेज करता है।
Q. Cache Memory किस सिद्धांत पर कार्य करती है? A. Locality of Reference (संदर्भ का स्थान)।
Q. CD/DVD में डेटा लिखने की प्रक्रिया को क्या कहते हैं? A. Burning (बर