Silde bài giảng Hệ thống bộ nhớ

Trang 1

Chương VIII: Hệ thống bộ nhớ

8.1 Các cấp bộ nhớ

8.2 Bộ nhớ Cache (Cache memory)

8.2.1 Tổ chức

8.2.2 Kỹ thuật thay thế khối nhớ

8.2.3 Chiến thuật ghi

8.2.4 Các loại cache

8.3 Bộ nhớ trong (Main memory)

8.4 Bộ nhớ ảo (Virtual memory)

Trang 2

8.1 Các cấp bộ nhớ

Các cấp bộ nhớ bắt đầu từ bộ nhớ nhanh, dung lương

ít đến các bộ nhớ chậm với dung lượng lớn hơn nhiều

Trang 3

Khi bộ vi xử lý cần truy cập đến một từ nhớ (hay một câu lệnh), việc tìm kiếm từ nhớ được thực thi theo thứ tự:

B1 Tìm từ nhớ trong bộ nhớ mức cao nhất (cache)

 Xác suất tìm thấy từ nhớ ở đây là h1 (tỷ số thành công _ hit ratio)

 Xác suất không tìm thấy từ nhớ ở đây là (1-h1) (tỷ số thất bại _ miss ratio)

B2 Khi không tìm thấy từ nhớ trong bước 1 thì tìm ở cấp bộ nhớ thấp hơn

(trong cache L2, hoặc memory)

Tương tự như trên ta có các tỷ số h2, (1-h2)

Quá trình tiếp diễn cho đến khi tìm thấy từ nhớ cần thiết hoặc hết cấp bộ nhớ

Khi tìm thấy, từ nhớ sẽ được chuyển cho bộ xử lý và cập nhật lại dữ liệu trong các cấp bộ nhớ cần thiết.

Trang 4

Công thức tính thời gian trung bình tìm thấy một từ nhớ (giả sử cấp bộ nhớ có 3 cấp)

Trang 5

Dữ liệu nào nên được đưa vào cache?

Tổ chức sao cho các lệnh và dữ liệu thường dùng được nằm trong cache, làm tăng hiệu quả và tốc độ máy tính



Trang 6

8.2.1 Tổ chức

Trang 7

8.2 Bộ nhớ Cache (Cache memory)

Trang 8

8.2.1 Tổ chức

a) MMU (memory management unit)

Trang 9

8.2.1 Tổ chức

b) Các kỹ thuật ánh xạ giữa bộ nhớ chính và cache

Để máy tính chạy nhanh  các lệnh và dữ liệu thường dùng phải được đưa vào cache.

Nhưng dung lượng bộ nhớ cache nhỏ, nên chỉ chứa được một phần chương trình nằm trong bộ nhớ trong  như thế nào để biết khối dữ liệu nào đó của cache tương ứng với phần nào trong bộ nhớ chính (ánh xạ) và các khối nhớ của bộ nhớ chính đặt vào trong cache như thế nào?

Có 3 kỹ thuật ánh xạ:

 Kiểu tương ứng trực tiếp (Direct Mapping)

 Kiểu hoàn toàn phối hợp (Fully Associative Mapping)

 Kiểu phối hợp theo tập hợp (Set – Associative Mapping)

Trang 10

8.2.1 Tổ chức

Trang 12

8.2.1 Tổ chức

Trang 15

8.2.1 Tổ chức

Ưu điểm: rất đơn giản,không cần tốn thời gian tìm kiếm, cơ chế

thay thế khối nhớ đơn giản

Nhược điểm: sử dụng cache không hiệu quả.

Ví dụ: bộ vi xử lý chỉ yêu cầu các khối có thứ tự

0,128,256,384,3968 trong ví dụ 2 trên Như vậy vị trí 0 của

cache phải hoạt động xóa nạp liên tục, trong khi các vị trí khác trống

Trang 16

8.2.1 Tổ chức

Một khối trong bộ nhớ trong có thể được đặt vào vị trí trống bất

kì trong cache Nếu không còn vị trí nào trống, kỹ thuật thay thế khối sẽ được thực hiện (trình bày trong slide sau)

Trang 18

8.2.1 Tổ chức

b) Các kỹ thuật ánh xạ giữa bộ nhớ chính và cache

Trang 21

8.2.1 Tổ chức

Ưu điểm: sử dụng cache hiệu quả, khắc phục khuyết điểm của

Direct mapping

Khuyết điểm: đòi hỏi thiết kế phần cứng phức tạp nhằm tìm

kiếm khối nhanh hơn

Trang 22

8.2.1 Tổ chức

Có 3 kỹ thuật ánh xạ:

Ưu điểm: rất đơn giản,không cần tốn thời gian tìm kiếm, cơ chế thay thế khối nhớ

đơn giản

Nhược điểm: sử dụng cache không hiệu quả.

Ưu điểm: sử dụng cache hiệu quả, khắc phục khuyết điểm của Direct mapping

Khuyết điểm: đòi hỏi thiết kế phần cứng phức tạp nhằm tìm kiếm khối nhanh hơn

Kiểu phối hợp theo tập hợp (Set – Associative Mapping)

Dung hòa ưu, khuyết điểm của hai cách trên Cache được chia ra làm các tập hợp, mỗi tập hợp chứa các khối trong đó Số lượng các khối trong mỗi tập hợp bằng nhau Một khối trong bộ nhớ trong thuộc tập hợp nào của cache được xác định theo công thức mod giống Direct Mapping; và trong mỗi tập hợp các khối được đặt ở vị trí bất kì như trong Fully Associative Mapping.

Trang 23

8.2.1 Tổ chức

 Kiểu phối hợp theo tập hợp (Set – Associative Mapping)

s: số thứ tự của tập hợp mà khối được đặt vào

i: số thứ tự của khối trong bộ nhớ trong

S: số tập hợp cache có

Trang 24

12 mod 4 = 0

Trang 25

8.2.1 Tổ chức

 Kiểu phối hợp theo tập hợp (Set – Associative Mapping)

Trang 28

8.2.1 Tổ chức

Trang 29

Như vậy, khi cần lấy dữ liệu, vi xử lý đưa địa chỉ tới MMU, MMU phân tích (theo

3 kỹ thuật ánh xạ), để xem xét xem dữ liệu có trong cache hay không

 Nếu có: dữ liệu được đưa cho vi xử lý

 Nếu không: vào bộ nhớ trong lấy khối dữ liệu mà bộ xử lý cần đưa vào cache Như vậy, nếu các vị trí trong cache đều không trống thì khối nào sẽ nhường chỗ cho khối mới này?

 Đối với Direct Mapping: khối mới luôn viết vào đúng vị trí theo công thức

 Đối với Fully Associative Mapping và Associative Mapping như thế nào?

Trang 30

Đối với Fully Associative Mapping và Associative Mapping:

Trang 31

8.2.1 Tổ chức

Trang 32

1 Ghi đồng thời (Write-through): Thông tin được ghi đồng thời vào khối của cache và

khối của bộ nhớ trong

Cách này làm chậm tốc độ chung của hệ thống

2 Ghi lại (Write-back): Để đảm bảo tốc độ xử lý, thông tin cần ghi chỉ được ghi vào khối

trong của cache, Dirty bit hay Update bit được thiết lập Việc ghi vào bộ nhớ trong sẽ bị hoãn lại cho đến khi cần có thay thế khối Khi một khối bị thay thế, khối này sẽ được ghi lại bộ nhớ trong chỉ khi Dirty bit hay Update bit được thiết lập

Cách làm này tăng tốc độ hệ thống lên rất nhiều; tuy nhiên việc đồng nhất dữ liệu giữa cache và bộ nhớ trong chỉ được đảm bảo vào thời gian thay thế khối.

Nếu khối cần khi không có trong cache:

• Ghi có nạp (write-allocate): khối cần ghi từ bộ nhớ trong được nạp vào trong cache

• Ghi không nạp (write-no-allocate): khối được thay đổi ở bộ nhớ trong không được đưa vào cache

Trang 33

8.2.1 Tổ chức

Trang 34

Trang 35

8.2 BỘ NHỚ CACHE (CACHE MEMORY)

Một số máy tính dùng một cache duy nhất để chứa đồng thời cả lệnh và dữ liệu

Một số máy sử dụng cache lệnh riêng, cache dữ liệu riêng

(Pentium, Pentium 4, Itanium, PowerPC 620, IBM SP, …)

Ưu khuyết điểm là gì?

Trang 36

8.2.1 Tổ chức

8.3 Bộ nhớ trong (Main memory) (tự đọc)

Trang 37

8.4 BỘ NHỚ ẢO (VIRTUAL MEMORY)

Trang 38

http://www.mediafire.com/?64ec2ohb86ym2ym

Tiêu đề	Hệ thống bộ nhớ
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	1,17 MB