मेमोरी ऑर्गनाइजेशन

 मेमोरी ऑर्गनाइजेशन

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मेमोरी ऑर्गनाइजेशन का परिचय

परिभाषा

मेमोरी ऑर्गनाइजेशन वह व्यवस्था है जिसमें कंप्यूटर की मेमोरी को संरचित, वर्गीकृत, एड्रेस और प्रबंधित किया जाता है ताकि डेटा और निर्देशों को कुशलतापूर्वक संग्रहित और प्राप्त किया जा सके।

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कंप्यूटर सिस्टम में मेमोरी की भूमिका

मेमोरी निम्न चीजें संग्रहित करती है:

• प्रोग्राम निर्देश
• इनपुट डेटा
• मध्यवर्ती परिणाम
• अंतिम आउटपुट

👉 मेमोरी की गति = सिस्टम का प्रदर्शन

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मुख्य मेमोरी (Primary / Main Memory)

परिभाषा

मुख्य मेमोरी वह आंतरिक मेमोरी है जो सीधे CPU से जुड़ी होती है और वर्तमान में चल रहे प्रोग्राम और डेटा को संग्रहित करती है।

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प्रकार

1️⃣ RAM
2️⃣ ROM

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मुख्य विशेषताएँ

• CPU द्वारा सीधे एक्सेस
• उच्च गति
• सीमित क्षमता
• सेमीकंडक्टर आधारित
• RAM वोलाटाइल
• ROM नॉन-वोलाटाइल
• केवल सक्रिय डेटा संग्रह
• महंगी

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फायदे

• तेज डेटा एक्सेस
• प्रोग्राम चलाने के लिए आवश्यक
• सिस्टम प्रदर्शन बढ़ाती है
• मल्टीटास्किंग सपोर्ट
• इंटरमीडिएट रिज़ल्ट स्टोर

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कमियाँ

• RAM में डेटा पावर ऑफ पर मिटता है
• स्टोरेज कम
• महंगी
• स्थायी स्टोरेज नहीं
• पावर फेलियर में डेटा लॉस

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उपयोग

• OS चलाना
• प्रोग्राम execution
• डेटा प्रोसेसिंग
• बूटिंग (ROM)
• मल्टीटास्किंग

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RAM (Random Access Memory)

परिभाषा

RAM अस्थायी, read-write, वोलाटाइल मेमोरी है जो CPU द्वारा उपयोग हो रहे डेटा को स्टोर करती है।

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विशेषताएँ

• वोलाटाइल
• हाई स्पीड
• Read + Write
• Direct access
• Temporary storage
• Limited size

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फायदे

• तेज execution
• स्मूथ मल्टीटास्किंग
• बेहतर यूज़र अनुभव
• रियल-टाइम प्रोसेसिंग

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कमियाँ

• पावर ऑफ → डेटा लॉस
• स्थायी स्टोरेज नहीं
• महंगी

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उपयोग

• OS रन करना
• एप्लिकेशन रन
• गेमिंग
• वीडियो एडिटिंग
• डेटाबेस
• वर्चुअल मशीन

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RAM के प्रकार

🔹 SRAM — तेज, महंगी → Cache

🔹 DRAM — धीमी, सस्ती → Main RAM

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SRAM (Static RAM)

परिभाषा

SRAM फ्लिप-फ्लॉप से डेटा स्टोर करती है और refresh की आवश्यकता नहीं होती।

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विशेषताएँ

• Refresh नहीं चाहिए
• बहुत तेज
• कम डेंसिटी
• महंगी
• Low latency

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फायदे

• सबसे तेज RAM
• स्थिर
• Cache के लिए उपयुक्त

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कमियाँ

• बहुत महंगी
• क्षमता कम
• अधिक चिप क्षेत्र

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उपयोग

• CPU Cache
• Registers
• High speed buffer
• Network devices

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SRAM के प्रकार

• Asynchronous
• Synchronous
• Pipelined
• Burst
• NVSRAM
• Low-power SRAM

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DRAM (Dynamic RAM)

परिभाषा

DRAM कैपेसिटर चार्ज में डेटा स्टोर करती है और periodic refresh आवश्यक है।

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विशेषताएँ

• Refresh आवश्यक
• High density
• कम लागत
• SRAM से धीमी
• 1 transistor + capacitor

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फायदे

• बड़ी क्षमता
• सस्ती
• Main memory standard

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कमियाँ

• Refresh overhead
• धीमी
• कंट्रोल जटिल

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DRAM के प्रकार

• SDRAM
• DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5
• LPDDR (मोबाइल)
• GDDR (ग्राफिक्स)

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उपयोग

• PC RAM
• Server memory
• Mobile RAM
• Graphics RAM

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मेमोरी क्षमता (Memory Capacity)

इकाइयाँ

Bit → Nibble → Byte → KB → MB → GB → TB

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फॉर्मूला

Capacity = Words × Word Size

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एड्रेस लाइन नियम

n address lines → 2ⁿ memory locations

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ROM (Read Only Memory)

परिभाषा

ROM नॉन-वोलाटाइल मेमोरी है जो स्थायी निर्देश और firmware स्टोर करती है।

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विशेषताएँ

• Non-volatile
• Permanent
• Read mostly
• Secure
• Reliable

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फायदे

• डेटा स्थायी
• बूटिंग के लिए जरूरी
• सुरक्षित
• कम पावर

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कमियाँ

• बदलना कठिन
• लिखना धीमा
• क्षमता कम

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उपयोग

• BIOS / UEFI
• Embedded systems
• Microcontrollers
• Electronics devices

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ROM के प्रकार

🔹 Mask ROM — फैक्टरी में प्रोग्राम

🔹 PROM — एक बार प्रोग्राम

🔹 EPROM — UV से erase

🔹 EEPROM — इलेक्ट्रिक erase

🔹 Flash — block erase, तेज

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Flash Memory

विशेषताएँ

• Non-volatile
• Block erase
• High density
• Solid state
• Portable

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प्रकार

• NAND → SSD, USB
• NOR → Firmware

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फायदे

• टिकाऊ
• HDD से तेज
• Low power

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कमियाँ

• Limited write cycles
• महंगी

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RAM vs ROM

आधार	RAM	ROM
प्रकृति	वोलाटाइल	नॉन-वोलाटाइल
उपयोग	Working memory	Firmware
लिखना	Read/Write	Mostly Read
गति	तेज	धीमी
स्टोरेज	अस्थायी	स्थायी

सेकेंडरी (Auxiliary) मेमोरी —

 

🔷 परिभाषा (Definition)

सेकेंडरी मेमोरी वह नॉन-वोलेटाइल (Non-Volatile) मेमोरी है जिसमें डेटा और प्रोग्राम स्थायी रूप से संग्रहित रहते हैं।
बिजली बंद होने पर भी डेटा सुरक्षित रहता है। यह दीर्घकालीन (long-term) स्टोरेज के लिए उपयोग होती है और CPU द्वारा सीधे एक्सेस नहीं की जाती।

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🔷 मुख्य विशेषताएँ (Features)

• Non-volatile – पावर ऑफ होने पर भी डेटा सुरक्षित
• बहुत अधिक स्टोरेज क्षमता
• प्रति बिट कम लागत
• प्राइमरी मेमोरी से धीमी
• CPU से बाहरी (External)
• स्थायी स्टोरेज
• Rewritable (बार-बार लिखा जा सकता है)
• I/O ऑपरेशन से डेटा ट्रांसफर

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🔷 उदाहरण (Examples)

• HDD (Hard Disk Drive)
• SSD (Solid State Drive)
• Pen Drive / USB
• Memory Card
• CD / DVD / Blu-ray
• Magnetic Tape

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🔷 लाभ (Advantages)

• स्थायी डेटा स्टोरेज
• बहुत बड़ी क्षमता
• सस्ती स्टोरेज
• पोर्टेबल डिवाइस उपलब्ध
• बैकअप और रिकवरी में उपयोगी
• Operating System स्टोर करने हेतु आवश्यक
• मल्टीमीडिया व डेटाबेस स्टोरेज

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🔷 हानियाँ (Limitations)

• RAM से धीमी
• CPU सीधे एक्सेस नहीं करता
• Read/Write में अधिक समय
• HDD में मैकेनिकल फेलियर का खतरा
• कुछ मीडिया जल्दी डैमेज हो सकते हैं
• डेटा ट्रांसफर स्पीड सीमित

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🔷 सेकेंडरी मेमोरी के प्रकार (Types of Secondary Memory)

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1. मैग्नेटिक डिस्क (HDD)

परिभाषा

घूमती हुई मैग्नेटिक प्लेटर्स पर डेटा स्टोर करती है।

संरचना

• Platters
• Tracks
• Sectors
• Read/Write Head
• Spindle

विशेषताएँ

• Random access
• मैग्नेटिक स्टोरेज
• मैकेनिकल पार्ट्स
• बड़ी क्षमता
• कम लागत

लाभ

• TB स्तर की स्टोरेज
• सस्ती
• Random access
• व्यापक उपयोग

हानियाँ

• SSD से धीमी
• घिसाव और टूट-फूट
• शोर और गर्मी
• झटके से खराब

उपयोग

• OS स्टोरेज
• PC/Server
• डेटाबेस
• मल्टीमीडिया

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2. सॉलिड स्टेट ड्राइव (SSD)

परिभाषा

Flash मेमोरी आधारित स्टोरेज, कोई moving parts नहीं।

विशेषताएँ

• NAND Flash
• बहुत तेज
• Low latency
• Silent
• Shock resistant
• कम बिजली खपत

लाभ

• तेज बूट टाइम
• तेज एप्लिकेशन लोड
• उच्च प्रदर्शन
• टिकाऊ
• कम गर्मी

हानियाँ

• महंगी
• सीमित write cycles
• डेटा रिकवरी कठिन
• समान कीमत में कम क्षमता

उपयोग

• OS ड्राइव
• लैपटॉप
• गेमिंग सिस्टम
• सर्वर
• क्लाउड

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3. मैग्नेटिक टेप

परिभाषा

मैग्नेटिक कोटेड टेप पर डेटा sequential रूप से स्टोर होता है — बैकअप/आर्काइव हेतु।

विशेषताएँ

• Sequential access
• बहुत बड़ी क्षमता
• कम लागत प्रति GB
• लंबी डेटा लाइफ
• Offline स्टोरेज

लाभ

• बैकअप के लिए सर्वोत्तम
• बहुत सस्ती बड़ी स्टोरेज
• 20–30 वर्ष डेटा सुरक्षित
• Air-gap से सुरक्षित

हानियाँ

• बहुत धीमा एक्सेस
• Sequential ही
• विशेष ड्राइव चाहिए
• डेटा निकालने में समय

उपयोग

• Data center backup
• Disaster recovery
• बैंक/सरकारी रिकॉर्ड
• रिसर्च डेटा

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4. ऑप्टिकल डिस्क

परिभाषा

लेज़र से डेटा read/write — pits और lands के रूप में।

प्रकार व क्षमता

• CD ~700 MB
• DVD ~4.7 GB
• Blu-ray ~25 GB+

विशेषताएँ

• Laser technology
• Removable
• Non-volatile
• Random access
• Portable

लाभ

• सस्ता मीडिया
• वितरण में आसान
• लंबी लाइफ
• मैग्नेटिक फील्ड से सुरक्षित

हानियाँ

• धीमी स्पीड
• कम क्षमता
• Scratch से खराब
• अब कम उपयोग
• अलग ड्राइव चाहिए

उपयोग

• Software distribution
• मूवी/म्यूजिक
• शैक्षणिक सामग्री
• आर्काइव

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मेमोरी वर्गीकरण (Function Based Quick Table)

मेमोरी	Volatile	Speed	Cost
Registers	Yes	बहुत तेज	बहुत अधिक
Cache	Yes	तेज	अधिक
RAM	Yes	मध्यम	मध्यम
ROM	No	मध्यम	कम
Secondary	No	धीमी	बहुत कम

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🔷 मेमोरी यूनिट्स (Units)

Bit → Nibble (4 bit) → Byte (8 bit)
KB = 1024 Byte
MB = 1024 KB
GB = 1024 MB
TB = 1024 GB
PB = 1024 TB

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तृतीयक मेमोरी (Tertiary Memory)

🔷 परिभाषा

तृतीयक मेमोरी एक नॉन-वोलेटाइल स्टोरेज स्तर है जो बहुत बड़ी मात्रा में डेटा के लंबे समय के बैकअप और आर्काइव के लिए उपयोग होती है। इसकी क्षमता बहुत अधिक और लागत कम होती है, परंतु एक्सेस स्पीड बहुत धीमी होती है।

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🔷 मुख्य विशेषताएँ

• नॉन-वोलेटाइल (बिजली जाने पर डेटा सुरक्षित)
• बहुत अधिक स्टोरेज क्षमता (TB–PB)
• प्रति बिट सबसे कम लागत
• एक्सेस स्पीड बहुत धीमी
• अधिकतर Sequential Access
• Offline / Nearline स्टोरेज
• बैकअप और आर्काइव हेतु उपयोग
• अक्सर लोड/माउंट करना पड़ता है

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🔷 प्रकार

1️⃣ मैग्नेटिक टेप
2️⃣ ऑप्टिकल स्टोरेज
3️⃣ ऑटोमेटेड टेप लाइब्रेरी
4️⃣ क्लाउड आर्काइव स्टोरेज

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🔷 लाभ

• बहुत बड़े डेटा के लिए सस्ता
• दीर्घकालीन संरक्षण के लिए उपयुक्त
• 20–30 वर्ष तक डेटा सुरक्षित
• ऊर्जा की बचत (ऑफलाइन)
• आसानी से स्केलेबल
• डिजास्टर रिकवरी के लिए अच्छा

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🔷 सीमाएँ

• डेटा एक्सेस बहुत धीमा
• रियल-टाइम उपयोग के लिए नहीं
• Sequential access
• हैंडलिंग सिस्टम जरूरी
• उच्च लेटेंसी
• प्रबंधन जटिल

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🔷 उपयोग

• डेटा बैकअप
• आर्काइव रिकॉर्ड
• बैंकिंग रिकॉर्ड
• मेडिकल डेटा
• सरकारी अभिलेख
• रिसर्च डेटा
• मीडिया आर्काइव
• कानूनी अनुपालन स्टोरेज

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मैग्नेटिक टेप

🔷 परिभाषा

मैग्नेटिक टेप एक सीक्वेंशियल स्टोरेज माध्यम है जिसमें प्लास्टिक टेप पर मैग्नेटिक कोटिंग द्वारा डेटा संग्रहित किया जाता है।

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🔷 विशेषताएँ

• Sequential access
• बहुत बड़ी क्षमता
• कम लागत
• पोर्टेबल
• मिटाकर दोबारा लिख सकते हैं
• टेप ड्राइव आवश्यक

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🔷 प्रकार

• ओपन रील टेप
• कार्ट्रिज टेप
• कैसेट टेप
• DAT
• LTO (आधुनिक)

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🔷 लाभ

• बड़े डेटा के लिए बहुत सस्ता
• बैकअप के लिए सर्वोत्तम
• लंबी आयु
• कम बिजली खपत
• टिकाऊ

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🔷 हानियाँ

• एक्सेस धीमा
• Random access नहीं
• विशेष ड्राइव चाहिए
• मैग्नेटिक प्रभाव से प्रभावित
• घिसावट संभव

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🔷 उपयोग

• डेटा सेंटर बैकअप
• बैंक रिकॉर्ड
• रिसर्च डेटा
• सर्वर बैकअप

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ऑप्टिकल स्टोरेज सिस्टम

🔷 परिभाषा

ऑप्टिकल स्टोरेज में लेजर तकनीक से डिस्क पर डेटा पढ़ा/लिखा जाता है। डेटा pits और lands के रूप में स्टोर होता है।

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🔷 विशेषताएँ

• लेजर आधारित
• पोर्टेबल डिस्क
• मैग्नेटिक फील्ड से सुरक्षित
• Read-only / Write-once / Rewritable
• स्पाइरल ट्रैक रीडिंग

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🔷 प्रकार

CD — ~700 MB

DVD — 4.7–8.5 GB

Blu-ray — 25–100 GB

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🔷 लाभ

• कम लागत
• आसानी से ले जाने योग्य
• लंबी डेटा लाइफ
• मैग्नेटिक सेफ
• सॉफ्टवेयर/मीडिया वितरण

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🔷 हानियाँ

• HDD/SSD से धीमा
• सीमित क्षमता
• स्क्रैच से खराब
• ड्राइव अब कम उपयोग में
• बार-बार अपडेट के लिए ठीक नहीं

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🔷 उपयोग

• सॉफ्टवेयर वितरण
• मूवी/म्यूजिक
• शिक्षा सामग्री
• गेम डिस्क
• आर्काइव

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Automated Tape Library System (ATLS)

🔷 परिभाषा

ATLS एक रोबोटिक टेप स्टोरेज सिस्टम है जो टेप कार्ट्रिज को स्वतः लोड/अनलोड करता है — मानव हस्तक्षेप के बिना — बैकअप और आर्काइव के लिए।

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🔷 मुख्य घटक

• टेप कार्ट्रिज
• टेप ड्राइव
• रोबोटिक आर्म
• स्लॉट/मैगजीन
• कंट्रोल सॉफ्टवेयर
• बारकोड रीडर

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🔷 विशेषताएँ

• पूर्ण स्वचालन
• पेटाबाइट क्षमता
• कम लागत प्रति TB
• लंबी डेटा लाइफ
• ऊर्जा कुशल
• Air-gap सुरक्षा

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🔷 प्रकार

• Standalone library
• Modular library
• Enterprise library
• Virtual Tape Library (VTL)

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🔷 लाभ

• कम लागत
• स्केलेबल
• सुरक्षित ऑफलाइन स्टोरेज
• डिजास्टर रिकवरी
• मानव त्रुटि कम
• Cold data के लिए श्रेष्ठ

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🔷 सीमाएँ

• धीमा एक्सेस
• मैकेनिकल जटिलता
• प्रारंभिक सेटअप महंगा
• रियल-टाइम उपयोग नहीं
• नियंत्रित वातावरण चाहिए

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🔷 उपयोग

• एंटरप्राइज बैकअप
• क्लाउड कोल्ड स्टोरेज
• बैंकिंग रिकॉर्ड
• हेल्थकेयर डेटा
• मीडिया आर्काइव
• सरकारी रिकॉर्ड
• वैज्ञानिक डेटा

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 रजिस्टर मेमोरी (Register Memory)

परिभाषा

रजिस्टर मेमोरी CPU के अंदर स्थित सबसे छोटी और सबसे तेज मेमोरी है, जो वर्तमान में प्रोसेस हो रहे डेटा, निर्देश और एड्रेस को अस्थायी रूप से रखती है।

विशेषताएँ

• CPU के अंदर
• सबसे तेज
• बहुत कम क्षमता
• वोलाटाइल
• डायरेक्ट एक्सेस
• क्लॉक स्पीड पर कार्य
• प्रति बिट लागत बहुत अधिक

प्रकार

• General Purpose Register
• Accumulator
• Program Counter
• Instruction Register
• MAR, MDR
• Stack Pointer
• Flag Register
• Index Register

फायदे

• बहुत तेज एक्सेस
• CPU प्रदर्शन बढ़ाता है
• ALU को सीधे डेटा देता है

सीमाएँ

• बहुत छोटी स्टोरेज
• महंगी
• स्थायी स्टोरेज नहीं

उपयोग

• ऑपरेन्ड स्टोर
• इंटरमीडिएट रिजल्ट
• एड्रेसिंग
• लूप काउंटर

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एसोसिएटिव मेमोरी (CAM)

परिभाषा

एसोसिएटिव मेमोरी में डेटा एड्रेस से नहीं बल्कि कंटेंट से खोजा जाता है और सभी लोकेशन को समानांतर (parallel) सर्च किया जाता है।

मुख्य सिद्धांत

Search key → सभी एंट्री से एक साथ तुलना → मैच तुरंत

विशेषताएँ

• कंटेंट आधारित एक्सेस
• Parallel search
• Constant lookup time
• इनबिल्ट compare logic

प्रकार

BCAM

• केवल 0/1
• Exact match

TCAM

• 0/1/X
• Wildcard match

फायदे

• बहुत तेज खोज
• lookup tables के लिए श्रेष्ठ
• cache speed बढ़ाता है

सीमाएँ

• बहुत महंगी
• ज्यादा power खपत
• कम capacity

उपयोग

• Cache tags
• TLB
• Router
• Firewall rules

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✅ BCAM (Binary CAM)

परिभाषा

Binary CAM केवल 0 और 1 पर exact match करता है।

विशेषताएँ

• Exact match
• Parallel comparison
• Fast lookup

फायदे

• RAM से तेज search
• TCAM से सरल

सीमाएँ

• Wildcard नहीं
• महंगी

उपयोग

• Cache tag
• Exact routing
• TLB

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✅ TCAM (Ternary CAM)

परिभाषा

TCAM में 0,1,X (don’t care) होते हैं — इसलिए partial match संभव।

विशेषताएँ

• Wildcard support
• Longest prefix match
• Priority match

फायदे

• Routing lookup के लिए श्रेष्ठ
• Rule matching तेज

सीमाएँ

• बहुत महंगी
• ज्यादा heat/power

उपयोग

• Router
• ACL
• Firewall
• Packet classification

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बफर मेमोरी (Buffer Memory)

परिभाषा

बफर मेमोरी अस्थायी I/O स्टोरेज है जो CPU और डिवाइस के बीच speed mismatch को संभालती है।

विशेषताएँ

• Temporary RAM area
• I/O data holding
• OS द्वारा managed

प्रकार

• Input buffer
• Output buffer
• Single buffer
• Double buffer
• Circular buffer

फायदे

• Data loss रोकता है
• CPU waiting कम
• Smooth transfer

सीमाएँ

• Extra memory चाहिए
• Overflow risk

उपयोग

• Keyboard buffer
• Printer spool
• Network packets
• Disk I/O

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कैश मेमोरी (Cache Memory)

परिभाषा

Cache छोटी, बहुत तेज SRAM मेमोरी है जो CPU और RAM के बीच होती है और frequently used data रखती है।

विशेषताएँ

• बहुत तेज
• छोटी size
• Hardware managed
• Locality principle

स्तर (Levels)

• L1 — सबसे तेज
• L2 — मध्यम
• L3 — shared, बड़ा

Mapping प्रकार

• Direct
• Associative
• Set associative

Replacement

• LRU
• FIFO
• LFU

फायदे

• RAM access कम
• CPU speed बढ़े
• Execution तेज

सीमाएँ

• महंगी
• छोटी capacity
• Coherence issue

उपयोग

• CPU
• Server
• Gaming
• AI systems

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✅ L1 / L2 / L3 कैश अंतर

Level	Speed	Size	Shared
L1	सबसे तेज	सबसे छोटा	नहीं
L2	तेज	मध्यम	per core
L3	मध्यम	सबसे बड़ा	हाँ

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वर्चुअल मेमोरी (Virtual Memory)

परिभाषा

Virtual Memory एक OS तकनीक है जो disk को RAM का विस्तार बनाकर बड़े प्रोग्राम चलाने देती है।

विशेषताएँ

• Large logical space
• Demand paging
• Process isolation
• Better RAM use
• Automatic management

प्रकार

• Paging
• Segmentation
• Paged segmentation

मुख्य अवधारणाएँ

• Virtual address
• Physical address
• MMU mapping
• Page table
• Page fault

Page Replacement

• FIFO
• LRU
• Optimal

समस्याएँ

• Page fault delay
• Thrashing
• Disk latency

फायदे

• बड़े प्रोग्राम चलें
• Multitasking बेहतर
• RAM efficient

सीमाएँ

• RAM से धीमी
• OS complexity
• Disk dependency

उपयोग

• Windows/Linux
• Servers
• Databases
• Large software

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