Bài giảng bộ nhớ chính

PowerPoint Presentation VŨ NGỌC THANH SANG TRỊNH TẤN ĐẠT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐẠI HỌC SÀI GÒN Email trinhtandatsgu edu vn Website https sites google comsitettdat88 BỘ NHỚ CHÍNH mailto trinhtandatsgu edu vn https sites google comsitettdat88 Giới thiệu Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính 1 Tổng quan về bộ nhớ 2 Phân loại bộ nhớ 3 Cấu trúc bộ nhớ 4 Bộ nhớ chính 5 Các chế độ định địa chỉ 6 Bộ nhớ cache 7 Bộ nhớ ngoài 8 Bộ nhớ ảo 9 Bộ nhớ bán dẫn TỔNG QUAN VỀ B.

Trang 3

TỔNG QUAN VỀ BỘ NHỚ - CẤU TRÚC

• Thanh ghi (register)

• Là bộ nhớ nằm trên chính CPU

• Cung cấp khả năng truy cập thông tin tức thời

• Chỉ chứa thông tin quan trọng (vì không gian trên CPU bị giới hạn)

• Bộ nhớ đệm (cache)

• Được đặt gần thanh ghi hơn bộ nhớ chính

• Duy trì bản sao của một phần của bộ nhớ chính

• Cho phép truy cập nhanh hơn một số thông tin

Trang 4

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính

• Bộ nhớ chính - (RAM)

• Bộ nhớ vật lý

• Chạy chậm hơn so với CPU

• Cần nguồn điện để duy trì trạng thái và lưu trữ thông tin

• Chỉ chứa thông tin quan trọng (vì không gian trên CPU bị giới hạn)

• Bộ nhớ thứ cấp (disk)

• Ổ cứng thể rắn (solid state disk, SSD), ổ cứng (hard dis drive, HDD), cloud,

• Lưu trữ thông tin thời gian dài, không bị mất thông tin khi mất điện

• Chi phí thấp

Trang 5

Trang 7

BỘ NHỚ ĐỆM

• Đây là bộ nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh và chúng được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nằm tăng tốc truy xuất của CPU tới bộ nhớ chính

• Mỗi vị trí của bộ nhớ đệm lưu trữ một khối dữ liệu của bộ nhớ chính

• Hầu hết ở các bộ xử lý, bộ nhớ đếm được đặt bên trong CPU và được gọi là L1

• Có hai loại bộ nhớ đệm bên trong CPU:

o Bộ nhớ đệm dữ liệu (Data Cache, D – Cache): lưu dữ liệu và có thể đọc/ ghi bởi CPU.

o Bộ nhớ đệm câu lệnh (Intrucstrion cache, I – Cache): Lưu các câu lệnh và CPU chỉ có thể đọc.

• Cache L2 và L3: chung cho lệnh và dữ liệu

• Mục đích: Tăng hiệu suất truy cập bộ nhớ chính

Trang 8

CACHE CẤP 2 VÀ 3 – L2, L3

• L2: dung lượng 128K, 256K Nằm giữa CPU

và RAM, thường có cấu tạo bằng RAM tĩnh,

tốc độ truy xuất nhanh vì không cần thời

gian làm tươi dữ liệu

• L3: là vùng nhớ DRAM dùng làm vùng đệm

truy xuất cho đĩa cứng và các thiết bị ngoại

vi Tốc độ L3 chính là tốc độ truy xuất

DRAM

Tổ chức bộ nhớ đệm 3 cấp độ

Trang 9

MỘT SỐ THUẬT NGỮ CỦA BỘ NHỚ ĐỆM

• Miss: Khi CPU truy cập bộ nhớ nhưng dữ liệu không nằm trong bộ nhớ đệm ➔ cache miss.

• Hit: Khi CPU truy cập bộ nhớ và có dữ liệu nằm trong bộ nhớ ➔ cache hit.

• Hit ratio: (số lượng hits / số lượng miss) + số lượng hits (tổng số lượng đã đọc).

• Block: Bao gồm các vị trí của bộ nhớ chính.

• Physical address (Địa chỉ vật lý): Được tạo bởi CPU để truy cập bộ nhớ chính.

• Virtual address(Địa chỉ ảo): Được tạo bởi CPU để trụy cập bộ nhớ ảo và bộ nhớ thứ cấp.

• Cache line/ Cache block: Lưu trữ các byte hoặc ký tự, kích thước của mỗi dòng bằng với kích thước của mỗi

khối trong bộ nhớ chính.

• Temporal locality: Lưu trữ các đường trích dẫn vị trí bộ nhớ để có thể sử dụng lại trong tương lai gần.

• Spatial locality: Khi vị trí bộ nhớ được truy cập, các vị trí bộ nhớ lân cận cũng sẽ được truy cập sớm.

Trang 10

BỘ NHỚ BÁN DẪN

Ramdom Access Memory

Bằng tia cực tím

• Xóa cả chipEllectrically Eraseable PROM

Trang 11

• Chỉ có thể đọc Thường được sử dụng khi khởi động máy tính và chứa hệ thống BIOS.

• Không xóa hoặc sửa được nội dung khi sử dụng.

• Ứng dụng:

o Thư viện các chương trình con

o Phần mềm kiểm tra khi bật máy POST (Power On Self Test)

o Phần mềm khởi động máy tính (OS loader)

o Vi chương trình

BỘ NHỚ BÁN DẪN – READ ONLY MEMORY

Trang 12

• Chỉ có thể đọc Thường được sử dụng khi khởi động máy tính và chứa hệ thống BIOS.

• Không xóa hoặc sửa được nội dung khi sử dụng.

• Ứng dụng:

o Thư viện các chương trình con

o Phần mềm kiểm tra khi bật máy POST (Power On Self Test)

o Phần mềm khởi động máy tính (OS loader)

o Vi chương trình

BỘ NHỚ BÁN DẪN – READ ONLY MEMORY

Trang 13

BỘ NHỚ BÁN DẪN – PHÂN LOẠI ROM

• PROM – Programmable Read Only memory:

o Khi sản xuất chưa có nội dung (ROM trắng)

o Cần thiết bị chuyên dụng để ghi

o Cho phép ghi được một lần, gọi là OTP (One Time Programmable) hoặc WORM Read-Many)

(Write-Once-• EPROM – Erasable PROM:

o Có thể xóa bằng tia cực tím UV (Ultra Violet)

o Cần thiết bị chuyên dụng để ghi

o Ghi/ xoá được nhiều lần

Trang 14

BỘ NHỚ BÁN DẪN – PHÂN LOẠI ROM

• EEPROM – Electrically Erasable PROM:

o Có thể xóa một byte bất cứ lúc nào bằng mạch điện thay vì xóa toàn bộ chip bằng tia cựctím

o Có thể ghi theo từng byte

o 2 chế độ điện áp: Điện áp cáo (ghi + xóa), điện áp thấp (chỉ đọc)

• Flash Memory: gioonsg EEPROM nhưng:

o Đọc ghi theo từng block

o Dung lượng lớn

Trang 15

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

• Bộ nhớ đọc/ ghi Lưu trữ dữ liệu mà người dùng đang sử dụng (dữ liệu tạm thời)

• Ghi/ xóa trong quá trình sử dụng

• Khi khởi động, RAM rỗng Tự mất dữ liệu khí cắt nguồn điện

➔ Chỉ lưu trữ thông tin tạm thời khi chạy chương trình, khi kết thúc cần lưu trữ dữ liệu ra bộ nhớngoài

• Có hai loại:

o SRAM (Static RAM): RAM tĩnh

o DRAM (Dynamic RAM): RAM động

BỘ NHỚ BÁN DẪN – RANDOM ACCESS MEMORY

Trang 17

o Fetch: truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ

o Store: ghi dữ liệu vào bộ nhớ

o Memory access time

• Thời gian cần thiết để truy xuất hoặc ghi dữ liệu vào bộ nhớ

• RAM hiện đại thường yêu cầu 5-10 nanoseconds

o Memory address register (MAR): chứa địa chỉ bộ nhớ

o Memory data register (MDR): chứa dữ liệu

Trang 18

Trang 19

SRAM - RAM tĩnh

• Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop

• Thông tin ổn định, không tự mất dữ liệu theo thời gian

Trang 20

Dung lượng của chip SRAM 2n × m bit

Các chân tín hiệu điều khiển

• CS (Chip Select): tín hiệu điều khiển chọn chip nhớ làm việc

• OE (Output Enable): tín hiệu điều khiển đọc dữ liệu của một từ nhớ đã được xác định

• WE (Write Enable): tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu vào một từ nhớ

đã được xác định

Trang 21

DRAM - RAM động

• Các bit được lưu trữ trên mạch tụ điện

• Tự mất dữ liệu theo thời gian

➔ cần phải có mạch làm tươi (refresh)

• Cấu trúc đơn giản

Trang 22

BỘ NHỚ BÁN DẪN – DYNAMIC RANDOM ACCESS MEMORY

DRAM dùng n địa chỉ dồn kênh để nạp lần

lượt (2 lần) địa chỉ hàng và địa chỉ cột vào

đệm địa chỉ/

Dung lượng của chip DRAM 22n × m bit

Các chân tín hiệu điều khiển

• RAS (Row Access Strobe): điều khiển việc nạp địa

Trang 24

TỔ CHỨC CHIP NHỚ

Trang 25

• Các đường địa chỉ:

A0-An-1 → 2n ngăn nhớ

• Các đường dữ liệu:

D0-Dm-1 → độ dài ngăn nhớ là m bit

• Dung lượng chip nhớ 2n m bit

• Các tín hiệu điều khiển

➢ Tín hiệu chọn (Chip Select, CS)

➢ Tín hiệu điều khiển đọc (Read, RD)

➢ Tín hiệu điều khiển ghi (Write, WR)

Trang 26

TỔ CHỨC CHIP NHỚ

• 8 bit EPROM

Trang 27

THIẾT KẾ MODULE NHỚ BÁN DẪN

• Dung lượng chip nhớ là 2n × m

• Thiết kế để tăng dung lượng

1 Tăng độ dài ngăn nhớ (tăng m)

2 Tăng số lượng ngăn nhớ (tăng n)

3 Kết hợp cả hai (tăng m và n)

Trang 28

BỘ NHỚ CHÍNH

• Cắc đặc trưng của bộ nhớ chính

• Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ thống máy tính

• Chứa các chương trình đang được thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng

• Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU

• Dung lượng vật lý của bộ nhớ chính nhỏ hơn hoặc bằng không gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý.

Trang 29

TỔ CHỨC BỘ NHỚ CỦA 8086/8088

• 20 hàng địa chỉ ➔ 220 vị trí nhớ khác nhau ➔ tổng kích thước là 220 Bytes

• Để tổ chức bộ nhớ hiệu quả (có thể truy cập 16 bit dữ liệu theo cấu trúc bus dữ liệu 16 bit của 8086), bộnhớ 8086 chia thành 2 nơi lưu trữ nhớ: odd bank và even bank

Trang 30

TỔ CHỨC BỘ NHỚ CỦA 8086/8088

• Các cách để dữ liệu đọc và ghi được miêu tả trong bảng trên.

• A0: các bit địa chỉ quan trọng (không được sử dụng cho chọn byte) được dự trữ để chọn bank Với A0 = 0 sẽ chọn Even bank.

• Tín hiệu BHE được sử dụng để chọn Odd bank.

• Bộ xử lý sẽ dựa vào hai tín hiệu để chọn loại truyền dữ liệu.

Trang 31

ĐỊA CHỈ VẬT LÝ VÀ ĐỊA CHỈ LOGIC (PHYSICAL ADDRESS, LOGICAL ADDRESS)

• Địa chỉ logic: Được tạo bởi CPU khi chương trình đang chạy Là một địa chỉ ảo vì không

có cấu tạo vật lý ➔ Có thể gọi là Địa chỉ ảo (Virtual Address) Được sử dụng để CPU tham chiếu đến vị trí nhớ vật lý Thuật ngữ không gian địa chỉ logic được sử dụng cho tập hợp tất cả các địa chỉ logic được tạo bởi chương trình Phần cứng đơn vị quản lý

bộ nhớ được dùng để chuyển đổi địa chỉ logic vào địa chỉ vật lý.

• Địa chỉ vật lý: xác định vị trí thực của dữ liệu cần thiết trong bộ nhớ Là địa chỉ hỗ trợ

cung cấp bộ nhớ vật lý cho việc thực thi các địa chỉ logic tương ứng

Trang 32

CÁC CHẾ ĐỘ ĐỊNH ĐỊA CHỈ

• Phương pháp định địa chỉ (addressing modes) là cách thức địa chỉ hóa trong vùng địa chỉ của lệnh để xác định nơi chứa toán hạng.

o Định địa chỉ tức thời

o Định địa chỉ thanh ghi

o Định địa chỉ trực tiếp

o Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi

o Định địa chỉ gián tiếp

o Định địa chỉ dịch chuyển

Trang 33

ĐỊNH ĐỊA CHỈ TỨC THỜI – IMMEDIATE ADDRESSING

• Toán hạng nằm ngay trong vùng địa chỉ của lệnh

• Toán hạng = A.

• Có thể được sử dụng để định nghĩa và sử dụng hằng số hoặc thiết lập giá trị ban đầu của biến:

o Số thường được lưu dưới dạng bù 2.

o Bit ngoài cùng bên trái của trường toán hạng là bit dấu

Trang 34

ĐỊNH ĐỊA CHỈ THANH GHI – REGISTER ADDRESSING

• Toán hạng được đặt tại thanh ghi đa chức năng 8 bit hoặc 16 bit Dữ liệu được lưu trong thanh ghi chỉ định bởi câu lệnh.

• Chỉ cần tham chiếu một thanh ghi để truy cập dữ liệu Không yêu cầu tính toán thêm để thực hiện phép tính.

• Có sử dụng giá trị tạm thời.

• Lệnh sẽ xác định thanh ghi chứa địa chỉ toán hạng.

• Ví dụ: MOVE R1, R2.

Trang 35

ĐỊNH ĐỊA CHỈ TRỰC TIẾP – DIRECT ADDRESSING

• Trường địa chỉ chứa địa chỉ toán hạng.

• Địa chỉ hiệu dung (Effective Address – EA) = trường địa chỉ toán hạng.

• Ví dụ: ADD (1001).

• Chỉ tham chiếu bộ nhớ 1 lần để lấy dữ liệu.

• Không cần tính toán để tìm EA.

• Hạn chế: Chỉ cung cấp một không gian địa chỉ hữu hạn

Trang 36

ĐỊNH ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP THANH GHI – REGISTER INDIRECT ADDRESSING

• Offset của toán hạng được lưu vào một trong các

thanh ghi

• Trường địa chỉ chứa tham chiếu địa chỉ hiệu dụng

• Cần hai tham chiếu thanh ghi để truy cập dữ liệu

Yêu cầu tính toán thêm để tìm tham chiếu địa chỉ

hiệu dụng

• Sử dụng con trỏ

• Ví dụ: ADD R1, (R2) Câu lệnh có thanh ghi R2 và

R2 có địa chỉ bộ nhớ toán hạng

Trang 37

ĐỊNH ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP – INDIRECT ADDRESSING

• Trường địa chỉ tham chiếu đến địa chỉ của một từ trong bộ nhớ chứa địa chỉ đầy đủ của toán hạng.

Trang 38

ĐỊNH ĐỊA CHỈ DỊCH CHUYỂN – DISPLACEMENT ADDRESSING

• Kết hợp chế độ định địa chỉ trực tiếp và địa chỉ gián tiếp thanh ghi.

• EA = A + (R).

• Lệnh phải có 2 trường địa chỉ, ít nhất một trong hai phải có giá trị cụ thể:

o Giá trị trong một trường địa chỉ (giá trị = A) được sử dụng trực tiếp

o Trường địa chỉ còn lại tham chiếu đến thanh ghi, nội dung trong thanh ghi đó được cộng với A

để tạo ra địa chỉ hiệu dụng

• Các dạng phổ biển:

o Địa chỉ tương đối

o Địa chỉ thanh cơ sở

o Lập chỉ mục

Trang 39

ĐỊNH ĐỊA CHỈ TƯƠNG ĐỐI – RELAVTIVE ADDRESSING

• EA = PC + giá trị trường địa chỉ.

• PC = PC + Giá trị tương đối

➔ Trường địa chỉ được coi là số bù 2

➔EA là một dịch vị tương đối của địa chỉ trong lệnh.

• Lợi dụng tính cục bộ của bộ nhớ.

• Tiết kiệm bit địa chỉ trong lệnh nếu đa phần các tham chiếu bộ nhớ ở tương đối gần với lệnh đang được thực thi.

Trang 40

ĐỊNH ĐỊA CHỈ CƠ SỞ - BASED ADDRESSING

• EA = Thanh ghi cơ sở + giá trị trường địa chỉ

• PC = Thanh ghi cơ sở + Giá trị tương đối

• Thanh ghi cơ sở chứa địa chỉ cơ sở Trường địa chỉcủa lệnh chứa giá trị dịch vị dựa trên địa chỉ cơ sở:

• Tham chiếu thanh ghi có thể là cụ thể hoặc ngầm định.

• Giá trị dịch là biểu diễn số nguyên không dấu.

• Khai thác tính cục bộ của tham chiếu bộ nhớ

Trang 41

INDEXEX ADDRESSING

• EA được tính như định địa chỉ cơ sở.

• Ứng dụng hiệu quả cho các hoạt động lặp.

• Auto Indexed:

• Tự đông tăng: EA của toán hạng là nội dung của thanh ghi chỉ định trong câu lệnh Sau khi truy cập toán hạng, nội dung của thanh ghi tự động tăng để trỏ

tới vị trí bộ nhớ tiếp theo (R1)+.

• Tự động giảm: tương tự như tự động tặng, nội dung của thanh ghi tự động

giảm –(R1).

Trang 43

Bài tập

• Câu 1: Điện thoại thông minh ngày nay thường được trang bị DRAM thay vì SRAM, hãy

giải thích lý do

• Câu 2: Tìm hiểu về cơ chế làm mới (refresh) của DRAM.

• Câu 3: Xác định bộ nhớ mà máy tính đang sử dụng, xác định thông tin của nhà sản xuất,

kiểu bộ nhớ và tốc độ.

• Câu 4: Theo anh/chị thì bộ nhớ của con người có phải là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

(random access memory) hay không? Đưa ra lập luận và dẫn chứng cho câu trả lời của mình.

Trang 44

THANK YOU FOR YOUR ATTENTIONS

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	1,09 MB