Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 5: Hệ thống nhớ

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 5: Hệ thống nhớ cung cấp cho học viên những kiến thức tổng quan về hệ thống nhớ, các đặc trưng của hệ thống nhớ, phân cấp hệ thống nhớ, bộ nhớ chính, bộ nhớ đệm, bộ nhớ ngoài,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chương 5

HỆ THỐNG NHỚ

5.1 Tổng quan về hệ thống nhớ

5.1 Tổng quan về hệ thống nhớ

1 Các đặc trưng của hệ thống nhớ

1 Các đặc trưng của hệ thống

nhớ

 Số lượng từ nhớ (Number of words)

 Số byte nhớ (Number of bytes)

0 1 2

Số lượng từ nhớ

Độ dài của một từ nhớ (1, 2 hoặc 3 bytes)

1 Các đặc trưng của hệ thống

nhớ

 Thời gian truy nhập (Access time):

 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (random-access memory): Access time

là thời gian từ khi phát ra địa chỉ ô nhớ cho tới khi dữ liệu được ghi/đọc vào/từ ô nhớ đó

 Bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên (non-random-access memory): Access time là khoảng thời gian cần thiết để định vị đầu đọc/ghi ở vị trí mong muốn

 Chu kỳ nhớ (Cycle time): Là khoảng thời gian ngắn nhất giữa 2 lần truy nhập kế tiếp

1 Các đặc trưng của hệ thống nhớ

 Đơn vị truyền (Unit of Transfer):

 Từ nhớ (Word)

 Khối nhớ (Block)

1 Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)

 Phương pháp truy nhập (Access Method):

 Tuần tự (Sequential)

 Trực tiếp (Direct)

 Ngẫu nhiên (Random)

 Kết hợp (Associative)

1 Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)

 Các đặc tính vật lý (Physical Characteristics)

 Khả biến/không khả biến (Volatile/nonvolatile)

 Xóa được/không xóa được (Erasable/nonerasable)

1 Các đặc trưng của hệ thống nhớ

(tiếp)

 Tổ chức (Organization)

 Đơn vị nhớ cơ bản của bộ nhớ bán dẫn là phần tử nhớ:

 Thông thường bộ nhớ được tổ chức thành module với dung

DinChọn

Phần tử

nhớ

Điều khiển đọc

DoutChọn

2 Phân cấp hệ thống nhớ

CPU

Tập thanh ghi

Bộ nhớ

Cache

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ ngoài

Nhanh hơn Chậm

Dung lượng lớn

Dung lượng

nhỏ

5.2 Bộ nhớ chính

1 Phân loại

ROM (Read Only Memory)

 Bộ nhớ chỉ đọc

 Bộ nhớ không khả biến (nonvolatile)

 Lưu trữ các thông tin sau:

 Thư viện các chương trình con

 Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)

 Vi chương trình

PROM (Programmable ROM)

 PROM (Programmable ROM)

 Tại những nơi giao nhau giữa dây từ và dây bit đều có các Tranzistor nối với các cầu trì (cầu trì được nối bit

nhớ có giá trị 1, cầu chì ngắt bit nhớ có giá trị 0)

 Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình 

chỉ ghi được một lần

+E

EPROM (Erasable PROM)

 Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình

 Ghi được nhiều lần

 Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím

N N

Floating Gate

EEPROM (Electrically Erasable PROM)

 Cửa nổi có thêm một kênh thoát

RAM (Random Access Memory)

 Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)

 Khả biến (volatile): Mất điện mất dữ liệu

 Lưu trữ thông tin tạm thời

 Có hai loại:

 SRAM (Static RAM)

 DRAM(Dynamic RAM)

WE: Write Enable

OE: Output Enable

Ai (i =0 ÷ n-1): Các đường địa chỉ

Dj (j =0 ÷ m-1): Các đường dữ liệu

2 Tổ chức của chip nhớ (tiếp)

 Có 2 phương pháp tổ chức

 Tổ chức bộ nhớ một chiều

 Tổ chức bộ nhớ hai chiều

Tổ chức bộ nhớ một chiều

Ví dụ

 Tổ chức bộ nhớ có dung lượng 256K x 8 bằng các phương pháp tổ chức bộ nhớ một chiều.

Ví dụ

Nhận xét

 Ưu điểm: Thời gian truy nhập ngắn

 Nhược điểm: Khi dung lượng bộ nhớ lớn thì kích thước bộ giải mã (số chân ra) cũng tăng theo

 Áp dụng cho những bộ nhớ có dung lượng nhỏ

Tổ chức bộ nhớ hai chiều

 mỗi từ nhớ có độ dài m-bit

 Dung lượng của chip nhớ:

[2n1 x (2n2 x m)] bit = (2n1+n2 x m) bit = (2n x m) bit

 Hoạt động giải mã địa chỉ:

 Bước 1: bộ giải mã hàng chọn 1 trong 2 n1 hàng.

Bước 2: bộ giải mã cột chọn 1 trong 2 n2 từ nhớ

Ví dụ

 Tổ chức bộ nhớ có dung lượng 256K x 8 bằng các phương pháp tổ chức bộ nhớ hai chiều.

Ví dụ

Nhận xét

 Tổ chức bộ nhớ hai chiều:

 Thời gian truy nhập lâu hơn

 Kích thước bộ giải mã địa chỉ giảm

 Áp dụng cho bộ nhớ có dung lượng lớn

Tổ chức của DRAM

 RAS: Row Address Select

Ví dụ chip nhớ DRAM

Dung lượng của chip nhớ DRAM?

3 Thiết kế module nhớ bán dẫn

 Dung lượng chip nhớ 2n x m bit

 Cần thiết kế để tăng dung lượng:

 Thiết kế tăng độ dài từ nhớ

 Thiết kế tăng số lượng từ nhớ

 Thiết kế kết hợp

Tăng độ dài từ nhớ

Ví dụ 1:

 Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit

 Thiết kế module nhớ 4K x 8 bit

Tăng độ dài từ nhớ

Ví dụ 1:

Bài toán tăng độ dài từ nhớ tổng quát

 Cho chip nhớ 2n x m bit

 Thiết kế module nhớ 2n x (k.m) bit

 Dùng k chip nhớ

Tăng số lượng từ nhớ

Ví dụ 2:

 Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit

 Thiết kế module nhớ 8K x 8 bit

Tăng số lượng từ nhớ

Ví dụ 2:

Thiết kế kết hợp

Ví dụ 3:

 Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit

 Thiết kế module nhớ 8K x 8 bit

Thiết kế kết hợp

Ví dụ 3:

 Bước 1: Tăng độ dài từ nhớ

 2 chip 4K x 4 bit  4K x 8 bit

Thiết kế kết hợp (tiếp)

Bước 2: Tăng số lượng từ nhớ

 2 module 4K x 8 bit  8K x 8 bit

Bài tập áp dụng

 Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit

 Thiết kế module nhớ 16K x 16 bit

Bài tập áp dụng

 Bước 1: Tăng độ dài từ nhớ

 2 chip 4K x 8 bit  4K x 16 bit

Bài tập áp dụng

 Bước 2: Tăng số lượng từ nhớ

 4 module 4K x 16 bit  16K x 16 bit

5.3 Bộ nhớ đệm (Cache memory)

1 Sự cần thiết của bộ nhớ Cache

 Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ (Principle of locality):

 Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU thường chỉ tham chiếu các thông tin trong một khối nhớ cục bộ

 Cục bộ liên quan đến:

 Thời gian: CPU có xu hướng truy xuất lại block vừa mới sử dụng

 Không gian: CPU có xu hướng truy xuất đến các word gần với word vừa được truy xuất (thường trong cùng 1 block)

5.3 Bộ nhớ đệm (Cache memory)

1 Sự cần thiết của bộ nhớ Cache (tiếp)

2 Hoạt động của Cache

 Khi CPU tìm một từ nhớ

 CPU sẽ tìm trong Cache đầu tiên

 Nếu có  Cache hit, CPU nhận từ nhớ từ cache (nhanh)

 Nếu không có  Cache miss, đọc Block nhớ chứa từ nhớ cần tìm

2 n -1

4 Các phương pháp ánh xạ

 Phương pháp xác định Block nào được đưa vào trong

Cache được gọi là phương pháp ánh xạ

 Các phương pháp ánh xạ:

 Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping)

 Ánh xạ liên kết toàn phần (Fully associative mapping)

 Ánh xạ liên kết tập hợp (Set associative mapping)

Ánh xạ trực tiếp

 Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được

nạp vào một Line của cache:

Minh hoạ ánh xạ trực tiếp

Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp

 Mỗi một địa chỉ N bit của bộ nhớ chính gồm ba trường:

 Trường Word gồm W bit xác định một từ nhớ trong Block hay

Line:

2 W = kích thước của Block hay Line

 Trường Line gồm L bit xác định một trong số các Line trong

cache:

2 L = số Line trong cache

Trường Tag gồm T bit:

T = N - (W+L)

 Bộ so sánh đơn giản

 Xác suất cache hit thấp

 Khi thay thế không cần thuật toán

 Các block phải chờ nhau khi ánh xạ vào một line

Ví dụ về ánh xạ trực tiếp

 Dung lượng bộ nhớ chính 1 Mbytes

 Dung lượng bộ nhớ cache là 16 Kbytes

 Kích thước Line ( Block ) = 4 bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp tổ chức ánh xạ trực tiếp

Bài tập áp dụng

 Dung lượng bộ nhớ chính 4GB

 Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB

 Kích thước Line ( Block ) = 32bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp ánh xạ trực tiếp

Ánh xạ liên kết toàn phần

 Mỗi Block có thể nạp vào bất kỳ Line nào của

cache

 Địa chỉ của bộ nhớ chính bao gồm hai trường:

 Trường Word giống như trường hợp ở trên

 Trường Tag dùng để xác định Block của bộ nhớ chính

 Tag xác định Block đang nằm ở Line đó

Minh hoạ ánh xạ liên kết toàn phần

Đặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phần

 So sánh đồng thời với tất cả các Tag  mất

nhiều thời gian

 Xác suất cache hit cao

 Bộ so sánh phức tạp.

Ví dụ về ánh xạ liên kết toàn phần

 Dung lượng bộ nhớ chính 1 Mbytes

 Dung lượng bộ nhớ cache là 16 Kbytes

 Kích thước Line ( Block ) = 4 bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp tổ chức ánh xạ liên kết toàn phần

Bài tập áp dụng

 Dung lượng bộ nhớ chính 4GB

 Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB

 Kích thước Line ( Block ) = 32bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp ánh xạ liên kết toàn phần

Ánh xạ liên kết tập hợp

 Cache được chia thành các Tập (Set)

 Mỗi một Set chứa một số Line

 Ví dụ:

 4 Line/Set  Liên kết tập hợp 4 đường

 Ánh xạ theo nguyên tắc sau:

 B0  S0

 B1  S1

 B2  S2



Minh hoạ ánh xạ liên kết tập hợp

Đặc điểm của ánh xạ liên kết tập hợp

trong Block hay Line:

trong số V = 2S Set

 Tổng quát cho cả hai phương pháp trên

 Thông thường 2,4,8,16 Lines/Set

Ví dụ về ánh xạ liên kết tập hợp

 Dung lượng bộ nhớ chính 1 Mbytes

 Dung lượng bộ nhớ cache là 16 Kbytes

 Kích thước Line ( Block ) = 4 bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp tổ chức ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường

Bài tập áp dụng

 Dung lượng bộ nhớ chính 4GB

 Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB

 Kích thước Line ( Block ) = 32bytes

 Xác định số bit của các trường địa chỉ cho trường hợp ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường

4 Các thuật toán thay thế

 Ánh xạ trực tiếp:

 Mỗi Block chỉ ánh xạ vào một Line xác định

 Thay thế Block ở Line đó

 không cần thuật toán thay thế

 Ánh xạ liên kết:

 Thay thế ngẫu nhiên

 FIFO (First In First Out): Thay thế Block đã ở trong

Cache trong khoảng thời gian dài nhất

 LRU (Least Recently Used): Thay thế Block ở trong

5 Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit

 Ghi xuyên qua (Write-through):

5.4 Bộ nhớ ngoài (External memory)

 Đĩa từ

 Đĩa quang

 Flash Disk

1 Đĩa từ

 Cấu tạo của một đĩa cứng

Nhiều đĩa

 Tốc độ quay của đĩa (vòng/phút): 3 600-15 000

 Tốc độ truyền dữ liệu: Có thể đạt tới 900Mb/s

 Redundant Array of Independent Disks: Tập các đĩa

cứng vật lý được OS coi như một ổ đĩa duy nhất 

hệ thống nhớ dung lượng lớn

 Dữ liệu được phân bố đều trên các ổ đĩa vật lý 

truy cập song song (nhanh)

 Đĩa dự phòng dùng để lưu trữ các thông tin mã lỗi

cho phép khôi phục lại thông tin trong trường hợp

đĩa bị hỏng  an toàn thông tin

2 Đĩa quang

 CD-ROM (Compact Disk ROM): ghi sẵn thông tin (âm

thanh được số hóa, không xóa được, chỉ đọc, dung lượng 640-700 MB

 CD-R (CD - Recordable): đĩa mới chưa có thông tin, chỉ ghi một lần và đọc nhiều lần

 CD-RW (CD - Rewriteable): đĩa mới chưa có thông tin, có thể ghi nhiều lần

 Ổ đĩa CD:

 Ổ CD-Writer

 Ổ CD-RW

 Tốc độ đọc chuẩn 150KByte/s

2 Đĩa quang (tiếp)

 DVD

 Digital Video Disk: chứa các hình ảnh video được số hóa

 Digital Versatile Disk: ổ trên máy tính

 Ghi một hoặc hai mặt

 Dung lượng: có thể đạt tới 17GB

3 Flash Disk

 Thường kết nối qua cổng USB

 Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory)

 Dung lượng tăng nhanh

 Thuận tiện

Hết chương 5

5.5 Hệ thống nhớ trên PC

• Bộ nhớ cache: tích hợp trên chip vi xử lý

• Bộ nhớ chính: Tồn tại dưới dạng các mô-đun nhớ

– SIMM – Single Inline Memory Module

• 30 chân: 8 đường dữ liệu

• 72 chân: 32 đường dữ liệu

– DIMM – Dual Inline Memory Module

• 168 chân

– DRAM - DIMM

• 184 chân

Hệ thống nhớ trên PC (tiếp)

• ROM BIOS chứa các chương trình sau:

– Chương trình POST (Power On Self Test)

– Chương trình CMOS Setup

– Chương trình Bootstrap loader

– Các trình điều khiển vào-ra cơ bản (BIOS)

DRAM tiên tiến thông dụng

• Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc

được đồng bộ bởi xung clock

• DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

• DDR3, DDR4

80

Ổ đĩa cứng HDD

chuẩn giao diện IDE)

 RAID