Cấu trúc máy tính Chương 4

Cấu trúc máy tính Chương 4

TỔ CHỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ

Chương 3

BỘ NHỚ

Nội dung chương 4

1. Tổ chức thứ bậc của bộ nhớ

2. Bộ nhớ trong

3. Giới thiệu bộ nhớ ảo

I Tổ chức thứ bậc của bộ nhớ

Sự thay đổi tính chất theo thứ bậc

 Giá thành giảm

 Dung lượng tăng

 Thời gian truy xuất tăng

 Bộ xử lý giảm truy xuất

Nguyên lý địa phương

Có 3 dạng truy xuất địa phương:

 Phần tử đã truy xuất trong quá khứ gần thường được truy xuất trong tương lai gần

 Việc truy xuất thường được thực hiện trên một vùng nhớ liên tục

 Các lệnh thường được truy xuất tuần tự

Nguyên lý điạ phương

1 Bit nhớ

Bit nhớ dạng mạch cài D

 Trạng thái ghi:

CK = 1  Q = D

2 Thanh ghi

Thanh ghi (tt)

 Thanh ghi là ô nhớ đặt trong CPU

 Lưu các giá trị trung gian, thông tin điều khiển

3 Tổ chức bộ nhớ

 Bộ nhớ gồm các ô nhớ

 Mỗi ô nhớ có một địa chỉ

 Ô nhớ là đơn vị hoạt động của bộ nhớ

 Hai trạng thái hoạt động:

• Đọc

• Ghi

Yêu cầu tổ chức bộ nhớ

 Số tín hiệu không tăng tuyến tính theo dung lượng bộ nhớ

 Có thể ghép các vi mạch nhớ tạo bộ nhớ lớn hơn

Ví dụ

 có m tín hiệu nếu ô nhớ có m bit

• là ngõ vào (trạng thái ghi),

là ngõ ra (trạng thái đọc)

Các nhóm tín hiệu (tt)

 Điều khiển

• CS (Chip select): chọn vi mạch

• WE (Write Enable): phân biệt đọc và ghi

• OE (Output Enable): cho phép ngõ ra

4 Phân loại linh kiện nhớ

 ROM (Read Only Memory)

 RAM (Random Access Memory)

 Bộ nhớ chỉ đọc (dữ liệu đã có)

 Không mất dữ liệu khi không cấp điện

 Dùng cho ROM BIOS, ROM Extensions,

vi chương trình

 Phân loại theo cách ghi dữ liệu

 FIRMWARE = Hard software

 EPROM – Erasable PROM

• Người sử dụng có thể xoá toàn bộ dữ liệu với thiết

bị xoá dùng tia cực tím

 EEPROM – Electrically EPROM

• Người sử dụng có thể xoá từng byte dữ liệu bằng

Các loại ROM (tt)

 Flash memory

• là dạng EEPROM

• có thể ghi, xoá theo khối dữ liệu

• nhanh hơn EEPROM

 Bộ nhớ có thể đọc, ghi

 Mất dữ liệu khi không cấp điện

 Có 2 dạng chính

• SRAM – Static RAM: RAM tĩnh

• DRAM – Dynamic RAM: RAM động

RAM tĩnh

 Cấu tạo từ các bit nhớ dạng tương tự mạch cài D

 So sánh với RAM động:

• Truy xuất nhanh hơn

• Giá thành cao hơn

• Tiêu thụ nhiều năng lượng hơn

• Mật độ tích hợp (số bits/chip) ít hơn

RAM động

 Cấu tạo từ mạch dạng tụ điện

 Mất dữ liệu sau một khoảng thời gian xác định dù vẫn được cấp điện

 cần phải ghi lại dữ liệu đang lưu trữ

 dùng mạch làm tươi (refresh) trên

vi mạch nhớ

 Dùng làm bộ nhớ chính (main memory),

bộ nhớ màn hình (video memory)

RAM động

Phân loại RAM động

 Theo hình thức

• SIMM (Single Inline Memory Module)

• DIMM (Dual Inline Memory Module)

• RIMM (Rambus Inline Memory Module)

SIMM và DIMM

SIMM DIMM

SIMM, DIMM và SO (Small Outline) DIMM

RIMM

Các loại RAM động

 RAMDAC (RAM Digital-Analog Converter)

• Dùng cho video RAM

 SDRAM (Synchronous DRAM)

• Đồng bộ với system clock

• Truyền dữ liệu theo khối

 DDR-SDRAM (Double Data Rate-SDRAM)

• Gởi dữ liệu 2 lần trong 1 chu kỳ clock

 DDR2 – Dual-Channel DDR

• Dùng hai kênh bộ nhớ

Các loại RAM động (tt)

 RDRAM (Rambus DRAM)

• Dùng với Pentium-4, Itanium

Memory Controller (thuộc về ChipSet)

Dual-Channel memory (DDR2)

Dual-Channel memory (DDR2) (tt)

Băng thông

5 Tính chất bộ nhớ

 Dung lượng bộ nhớ là lũy thừa của 2

 Thông số chính:

• Thời gian truy xuất (access time)

Thời gian từ khi có địa chỉ đến khi dữ liệu

ổn định

• Tốc độ truy xuất (transfer rate)

Tính theo bytes/giây

III Giới thiệu bộ nhớ ảo

1. Khái niệm bộ nhớ ảo

2. Bộ nhớ ảo dạng phân trang

3. Bộ nhớ ảo dạng phân đoạn

4. Bộ nhớ ảo dạng phân đoạn có phân

trang

1 Khái niệm bộ nhớ ảo

Bộ nhớ ảo (virtual memory):

 Kỹ thuật do hệ điều hành, có hỗ trợ của phần cứng

 Cho phép thực hiện chương trình lớn hơn

bộ nhớ trong bằng cách sử dụng bộ nhớ ngoài

 Hoạt động dạng overlay tự động

 Bộ nhớ ảo = bộ nhớ trên đĩa

Hoạt động bộ nhớ ảo

 Chương trình được viết trên không gian địa chỉ ảo, là thông số của CPU và hệ điều hành

 Khi thực thi, hệ điều hành:

• nạp chương trình vào bộ nhớ

• chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý

• truy xuất trên bộ nhớ vật lý

Các dạng bộ nhớ ảo

 Dạng phân trang (paging)

 Dạng phân đoạn (segmentation)

 Dạng phân đoạn có phân trang

(Paged segmentation /

Segmentation with paging)

2 Bộ nhớ ảo dạng phân trang

a. Tổ chức phân trang

b. Chuyển đổi địa chỉ

c. Nạp trang

d. Thay thế trang

 Valid = 0 nếu trang chưa có trên bộ nhớ

 Valid = 1 nếu trang đang có trên bộ nhớ

• Frame Number (Frame #)

Ví dụ

Bộ nhớ ảo có 8 trang, bộ nhớ vật lý có 4 khung

b Chuyển đổi địa chỉ

 Địa chỉ ảo theo phân trang

• Page Number: số thứ tự trang

• Offset: địa chỉ trong trang

 Địa chỉ vật lý

• Page Number: số thứ tự khung trang

• Offset: địa chỉ trong khung trang

Offset Page Number

Sơ đồ chuyển đổi địa chỉ

Truy xuất dữ liệu theo địa chỉ ảo

 Tách page # và offset từ địa chỉ ảo

 Chuyển page # thành frame # bằng cách

truy xuất bảng trang

Truy xuất dữ liệu theo địa chỉ ảo (tt)

2 Valid = 0  lỗi trang

a Tìm trang trên đĩa

b Tìm một khung trống (có thể phải thay thế

trang nếu các khung đầy)

c Sao chép trang vào khung trống

d Cập nhật bảng trang (valid = 1, frame # mới)

e Thực hiện truy xuất như bước 1

Phần cứng hỗ trợ chuyển đổi địa chỉ ảo

 TLB (Translation Look-aside Buffer)

• Ở trong CPU

• Cache các phần tử trên bảng trang

 Khi chuyển đổi địa chỉ, tìm phần tử quản

lý trang trên TLB trước, nếu không có thì tìm trên bảng trang

Sơ đồ chuyển đổi địa chỉ với TLB

c Nạp trang

Có 2 phương pháp:

 Nạp theo yêu cầu

• Nạp trang khi có lỗi trang

 Nạp trước

• Nạp trước các trang theo các điều kiện xác định

d Thay thế trang

 Khi các khung đã đầy mà cần nạp thêm trang thì phải thay thế một trang đang có trên khung

• Nếu trang bị thay thế có thay đổi nội dung thì phải đưa ra đĩa

 Có các phương pháp chọn phần tử thay thế: Optimal, FIFO, LRU (thông dụng)

 Least Recently Used (LRU): chọn trang không được truy xuất trong khoảng thời

3 Bộ nhớ ảo dạng phân đoạn

Nhận xét về phân trang, phân đoạn

 Trang trong suốt đối với người lập trình

 Phân trang tránh được phân mảnh bên ngoài

 Người lập trình sử dụng được đoạn

 Phân đoạn phù hợp với lập trình theo khối, cấu trúc dữ liệu thay đổi, dùng chung và bảo vệ bộ nhớ

4 Bộ nhớ ảo dạng phân đoạn có phân trang

Kết hợp các ưu điểm của phân đoạn và phân trang

Tổ chức:

 Bộ nhớ ảo bao gồm các đoạn

 Trong mỗi đoạn thực hiện phân trang

Ví dụ: bộ nhớ ảo trên Pentium

 Đơn vị quản lý bộ nhớ

(Memory Management Unit, MMU)

• Đơn vị phân đoạn, (đoạn đến 2 32 bytes)

• Đơn vị phân trang

 Các mô hình bộ nhớ

• Không phân đoạn, không phân trang

• Không phân đoạn, có phân trang

• Có phân đoạn, không phân trang

• Có phân đoạn, có phân trang

Chuyển đổi địa chỉ

 Địa chỉ ảo dạng phân đoạn:

• Selector – 16 bit

• Offset – 32 bit

Địa chỉ tuyến tính (linear address)

Địa chỉ vật lý

Cấu trúc selector

GDT (Global Descriptor Table): dùng cho HDH

LDT (Local Descriptor Table): dùng cho các chương

trình

Privilege level: mức đặc quyền

Chuyển đổi địa chỉ đoạn  địa chỉ tuyến tính

Chuyển đổi địa chỉ tuyến tính  địa chỉ vật lý

Ứng dụng mức đặc quyền