Tiểu luận bộ nhớ máy chi tiết, bộ nhớ đệm (cache memory)

BỘ CƠNG THƯƠNG TẬP ĐỒN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT VINATEX TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN BÀI TIỂU LUẬN MƠN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH ĐỀ TÀI:CACHE MEMORY TP.HCM 06/2011 LỜI MỞ ĐẦU -Chúng ta kỷ ngun thơng tin Ngày khơng cịn nghi ngờ vai trị thơng tin đời sống, khoa học kỹ thuật, kinh doanh mặt vận động xã hội, quy mơ, từ xí nghiệp cơng ty quốc gia quốc tế Việc nắm bắt thông tin thật nhanh, nhiều xác kịp thời ngày đóng vai trò cốt yếu quản lý, điều hành -Hẳn nhiều người biết máy tính hoạt động theo quy trình quy tắc nào, để giúp người biết hiểu thiết bị máy cách hoạt động sao, nhóm chúng tơi xin phép nói sâu nhớ máy chi tiết nhớ đệm (cache memory).Ta nghiên cứu thành phần chức nhớ đệm: - Computer system memory overview (bộ nhớ hệ thống máy tính tổng quan) - Cache memory principles (các nguyên tắc nhớ cache) - elements of cache design (các yếu tố thiết kế nhớ cache) Cuối ta xem ví dụ nghiên cứu tổ chức nhớ cache pentium II để hiểu rõ CACHE MEMORY I Computer sytem memory overview (Tổng quan nhớ máy tính) Bộ nhớ (memory) Các đặc trưng nhớ - Vị trí: nhớ thiết bị nhớ ghi chứa thông tin ROM, RAM, cache, đĩa cứng, đĩa mềm, CD gọi nhớ (vì chúng lưu trữ thơng tin) - Dung lượng: khả lưu trữ liệu thiết bị Với nhớ trong, dung lượng thường biểu diễn dạng byte (1 byte = bit) hay word Các độ dài word phổ biến 8, 16, 32 bit Bộ nhớ ngồi có dung lượng biểu thị theo byte.Ví dụ: CD chứa 700MB, đĩa mềm chứa 1.44MB, đĩa cứng chứa 40 GB, 60GB, cache L1 chứa 16KB, cache L2 chứa 256 KB - Đơn vị truyền: từ nhớ khối nhớ - Giao tiếp: cấu trúc bên nhớ Ví dụ, RAM có số chân cắm đặc tính khác - Phương pháp truy nhập:truy nhập (băng từ), truy nhập trực tiếp (các loại đĩa), truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn), truy nhập liên kết (cache) - Kiểu nhớ vật lý: nhớ bán dẫn, nhớ từ, nhớ quang - Các đặc tính vật lý: khả biến, khơng khả biến, xố được, khơng xố - Hiệu năng: thời gian truy nhập, chu kỳ truy xuất nhớ, tốc độ truyền Phân loại nhớ 2.1 Bộ nhớ : nhớ thường tổ chức từ nhiều vi mạch nhớ ghép lại để có độ rộng bus địa liệu cần thiết a Bộ nhớ đọc (ROM:Read Only Memory) -Ðây loại nhớ không khả biến dùng hãng sãn xuất chủ yếu Nó có đặc tính thơng tin lưu trữ ROM khơng thể xố khơng sửa được, thông tin lưu trữ mãi Nhưng ROM có bất lợi cài đặt thơng tin vào ROM khơng cịn tính đa dụng Ví dụ điển hình "chip" motherboard BIOS ROM để vận hành máy tính vừa khởi động Các kiểu ROM: - PROM (Programmable ROM) - EPROM (Erasable Programmable ROM) - EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) - Flash Memory b Bộ nhớ đọc ghi (RAM : Random Access Memory) -RAM hệ ROM, RAM ROM nhớ truy xuất ngẫu nhiên, tức liệu truy xuất không cần theo thứ tự Tuy nhiên ROM chạy chậm RAM nhiều Thông thường ROM cần 50ns để xử lý liệu RAM cần 10ns Có loại chính: RAM tĩnh(SRAM:Static RAM) RAM động (DRAM: Dynamic RAM): - SRAM (RAM tĩnh) loại RAM lưu trữ liệu khơng cần cập nhật thường xun DSRAM (RAM động) loại RAM cần cập nhật liệu thường xuyên Thông thường liệu DRAM làm tươi (refresh) nhiều lần giây để giữ lại thơng tin lưu trữ, khơng liệu DRAM bị tượng rị rỉ điện tích tụ điện Các khác biệt SRAM so với DRAM: - Tốc độ SRAM lớn DRAM tốn thời gian refresh - Chế tạo SRAM tốn DRAM nên thông thường sử dụng DRAM để hạ giá thành sản phẩm Các kiểu RAM : - FPM - DRAM (Fast Page Mode DRAM) - EDO - DRAM (Extended Data Out DRAM) - BDEO-DRAM (Burst Extended Data Out DRAM) - SDRAM (Synchronous DRAM) - DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - DRDRAM (Direct Rambus DRAM) - SLDRAM (Synchronous - Link DRAM) - VRAM (Video RAM) - SGRAM (Synchronous Graphic RAM) 2.2 Bộ nhớ cache (cache memory) a Cache : chế lưu trữ tốc độ cao đặc biệt Nó vùng lưu trữ nhớ hay thiết bị lưu trữ tốc độ cao độc lập.Có hai dạng lưu trữ cache dùng phổ biến máy tính cá nhân memory cache (bộ nhớ cache hay nhớ truy xuất nhanh) disk cache (bộ nhớ đệm đĩa) b Memory cache : Đây khu vực nhớ tạo nhớ tĩnh (SRAM) có tốc độ cao đắt tiền thay nhớ động (DRAM) có tốc độ thấp rẻ hơn, dùng cho nhớ Cơ chế lưu trữ nhớ cache có hiệu Bởi lẽ, hầu hết chương trình thực tế truy xuất lặp lặp lại liệu hay lệnh y chang Nhờ lưu trữ thơng tin SRAM, máy tính khỏi phải truy xuất vào DRAM vốn chậm chạp c Disk cache : Bộ nhớ đệm đĩa hoạt động nguyên tắc với nhớ cache, thay dùng SRAM tốc độ cao, lại sử dụng nhớ Các liệu truy xuất gần từ đĩa cứng lưu trữ buffer (phần đệm) nhớ Khi chương trình cần truy xuất liệu từ ổ đĩa, kiểm tra trước tiên nhớ đệm đĩa xem liệu cần có sẵn khơng Cơ chế nhớ đệm đĩa có công dụng cải thiện cách đáng ngạc nhiên sức mạnh tốc độ hệ thống Bởi lẽ, việc truy xuất byte liệu nhớ RAM nhanh hàng ngàn lần truy xuất từ ổ đĩa cứng Và hiệu cache tính hit rate (tốc độ tìm thấy liệu cache) 2.3 Bộ nhớ -Bộ nhớ vật liệu bán dẫn khơng thể lưu trữ khối lượng lớn liệu nên cần phải có thêm thiết bị nhớ bên ngồi đĩa từ, đĩa mềm, đĩa cứng, đĩa quang, băng giấy đục lỗ, băng cassette, trống từ… a Đĩa từ đĩa tròn, mỏng làm chất dẻo, thủy tinh cứng hay kim loại cứng, có phủ lớp bột từ tính oxide sắt từ Đĩa từ sử dụng kỹ thuật ghi từ để lưu trữ liệu Khi ghi liệu đĩa, liệu tồn khơng cịn nguồn cung cấp có khả xóa đi, thay liệu b Đĩa mềm gồm đĩa từ nhựa dẻo bảo vệ bao giấy hay nhựa cứng Trên bao có khoét lỗ dài cho phép đầu đọc ổ đĩa tiếp xúc với mặt đĩa để đọc / ghi liệu Có loại đĩa mềm: đường kính 5.25 inch (hầu khơng cịn sử dụng) đường kính 3.5 inch (chỉ dùng dung lượng 1.44 MB) c Đĩa cứng (HDD: Hard Disk Driver) thành phần quan trọng lưu trữ hệ điều hành phần mềm tiện ích máy tính Một máy tính đĩa nhiều đĩa, dung lượng đĩa lớn từ 200MB đến 120GB Tốc độ đọc ghi nhanh so nhớ khác Dữ liệu lưu trữ phân tán tất đĩa Có thể tạo lưu trữ thơng tin dư thừa nhằm mục đích cho việc phục hồi đĩa bị hỏng Độ tin cậy lưu trữ thông tin cao Được sử dụng nhớ cho hệ thống máy chủ d Đĩa quang (CD-ROM, DVD) gồm CD-ROM (Compact Disk ROM), CD-R (Recordable CD), CD-RW (Rewriteable CD) dung lượng phổ biến 650MB, Ổ đĩa CD, ổ CD ROM: đọc liệu từ đĩa CD , ổ CD RW : Có thể vừa ổ đọc đĩa CD ghi liệu lên đĩa CD-R, CD-RW Tốc độ đọc sở 150KB/s Tốc độ bội lần : 40x, 50x, 60x,…DVD(Digital Video Disk): dùng đầu đọc, DVD (Digital Versatile Disk): dùng ổ đĩa máy tính dung lượng thông dụng 4.7GB e Bộ nhớ Flash thường kết nối qua cổng USB, dạng đĩa nhớ bán dẫn cực nhanh, dung lượng phát triển nhanh, gọn nhẹ tiện lợi, đặc điểm đĩa Flash f RAID cấu trúc đa đĩa vật lý để tạo nên đĩa logic có kích thước lớn, độ tin cậy khả vận hành cao Các cấp nhớ máy tính: II Cache Memory Principles (nguyên tắc nhớ cache) Nguyên tắc - Cache có tốc độ truy xuất nhanh nhiều nhớ - Cache đặt CPU nhớ nhằm tăng tốc độ trao đổi thơng tin CPU nhớ - Cache thường đặt chip vi xử lý -Bộ nhớ cache thiết kế với ý định mang lại nhớ có tốc độ xấp xỉ tốc độ nhớ nhanh có, đồng thời cung cấp kích thước nhớ lớn với phí tổn so với loại nhớ bán dẫn Bộ nhớ cache chứa phần nhớ Khi CPU cố gắng đọc từ nhớ, từ kiểm tra xem có cache hay khơng Nếu có, từ cung cấp cho CPU Trong trường hợp ngược lại, khối nhớ chính, bao gồm lượng cố định từ đọc vào cache sau từ cung cấp cho CPU Do có tượng tham chiếu cục bộ, khối liệu lấy vào cache để đáp ứng tham chiếu đơn lẻ, có nhiều khả tham chiếu từ khác khối -Cache gắn trực tiếp thiết bị ngoại vi Các đĩa cứng đại gắn nhớ truy cập nhanh, khoảng 512 KB Máy tính không trực tiếp sử dụng nhớ mà chương trình điều khiển ổ cứng Đối với máy tính, chip có nhớ coi đĩa Khi máy tính yêu cầu liệu từ ổ cứng, chương trình quản lý đĩa kiểm tra nhớ trước di chuyển phận khí đĩa cứng (tốc độ chậm so với nhớ) Nếu tìm thấy liệu mà máy tính u cầu cache, cung cấp thơng tin khơng thực truy cập vào ổ đĩa, tiết kiệm nhiều thời gian Sơ đồ Cache nhớ Thao tác Cache -CPU yêu cầu lấy nội dung ngăn nhớ việc đưa địa xác định ô nhớ -CPU kiểm tra xem có nội dung cần tìm Cache -Nếu có: CPU nhận liệu từ nhớ Cache -Nếu khơng có: Bộ điều khiển Cache đọc Block nhớ chứa liệu CPU cần vào Cache -Tiếp chuyển liệu từ Cache đến CPU -Sơ đồ thao tác cache, nhớ CPU Sơ đồ thao tác đọc cache Tổ chức Cache - Giả sử nhớ gồm đến 2n từ nhớ đánh địa (với từ nhớ có địa rộng n bit) Bộ nhớ chia thành M khối, khối có K từ nhớ M=2n/K Bộ nhớ Cache có C khe khe có K từ nhớ.(C