TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN TOÁN ỨNG DỤNG VÀ TIN HỌC Kiến Trúc Máy Tính BÁO CÁO MÔN HỌC Ngành HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ Giảng viên Cô Phạm Huyền Linh Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Thiện Lớp[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN TOÁN ỨNG DỤNG VÀ TIN HỌC Kiến Trúc Máy Tính BÁO CÁO MÔN HỌC Ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ Giảng viên: Cô Phạm Huyền Linh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thiện Lớp: HTTTQL– K62 HÀ NỘI – 2022 i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Mục tiêu (a) (b) (c) Nội dung (a) (b) (c) Đánh giá kết đạt (a) (b) (c) Hà Nội, ngày 06 tháng 02 năm 2022 Giảng viên Cô Phạm Huyền Linh ii Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Huyền Linh Trong trình học tập tìm hiểu mơn Kiến Trúc Máy Tính, em nhận quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tận tình tâm huyết Cơ giúp em tích luỹ thêm nhiều kiến thức hữu ích thơng qua mơn học Mơn Kiến Trúc Máy Tính mơn học thú vị, vơ bổ ích có tính thực tế cao Và để ứng dụng mơn học cách thành thục sống địi hỏi q trình học tập, rèn luyện tích luỹ kinh nghiệm ngồi giảng đường Em mong nhận lời góp ý để giúp hồn thiện báo cáo nắm vững kiến thức môn học Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 02 năm 2022 Sinh viên Nguyễn Đức Thiện i i Tóm tắt nội dung Báo cáo Hiệu máy tính ln vấn đề quan tâm người dùng nhà thiết kế Một thành phần giúp tăng hiệu máy tính Bộ nhớ đệm (Cache memory) Bài báo em phân tích thành phần nhớ đệm cách thức triển khai nhớ đệm hệ thống máy tính iv Mục lục Mở đầu …………………… ……………………………………………………… Chương 1: Tổng quan nhớ máy tính………………………… Đặc điểm nhớ……………………………… ……………………….3 Hệ thống phân cấp nhớ…………………… ……………………………3 Chương 2: Nguyên lý nhớ đệm………………………………… Chương 3: Các thành phần thiết kế nhớ đệm………… 11 Địa nhớ đệm ……………………………… …………………… 11 Kích thước nhớ đệm…………………………………………………….12 Chức ánh xạ………………………………………………………… 13 Thuật tốn thay thế…………………………………………………………18 Chính sách ghi………………………………………………………………19 Kích thước line…………………………………………………………… 20 Số lượng cache………………………………………………………………20 Tài liệu tham khảo: …………………….…………………………………… 22 Mở đầu Mặc dù nhớ phần cấu trúc máy tính, nhiên nhớ máy tính lại thể phạm vi tương đối rộng chủng loại, cơng nghệ, cách tổ chức, hiệu chi phí tính hệ thống máy tính Khơng cơng nghệ riêng biệt tối ưu để thoả mãn yêu cầu nhớ cho hệ thống Do đó, hệ thống máy tính đặc trưng trang bị hệ thống phân cấp hệ thống nhớ, ngồi máy tính Báo cáo tập trung vào thành phần bên nhớ cụ thể nhớ đệm Báo cáo bắt đầu việc phân tính đặc điểm nhớ máy tính Chương 1: Tổng quan nhớ máy tính Đặc điểm nhớ Để dễ theo dõi hơn, phân loại nhớ theo đặc điểm chúng Các thành phần quan trọng liệt kê theo hình Thuật ngữ location (vị trí) hình biểu thị cho nhớ ngồi (external) hay (internal) máy tính Bộ nhớ máy tính thường hiểu nhớ chính, loại nhớ Bộ xử lý cần có nhớ cục nó, hay cịn gọi ghi Thêm vào đó, điều khiển xử lý cần nhớ ngồi Cache loại nhớ Bộ nhớ bao gồm thiết bị lưu trữ ngoại vi đĩa cứng /mềm kết nối với xử lý thông qua điều khiển I/O Một đặc điểm dễ thấy nhớ dung lượng (capacity) Với nhớ trong, biểu diễn thơng qua bytes words Đ ộ dài thông thường word 8, 16 hay 32 bits Một thuật ngữ cần biết đến unit of transfer (đơn vị truyền) Với nhớ trong, unit of transfer với số đường điện vào khỏi module nhớ Nó với độ dài word, thường lớn hơn, 64, 128 hay 256 bits Để làm rõ điểm này, phân tích ba phần nhớ trong: Word: Đơn vị mặc định tổ chức nhớ Kích thước word thường với số bits sử dụng để đại diện cho số nguyên cho độ dài câu lệnh Tuy nhiên, có vài ngoại lệ Ví dụ, CRAY C90 có đ ộ dài word 64 bits sử dụng 46 bits đại diện số nguyên Intel x86 sử dụng đa dạng độ dài câu lệnh với nhiều bytes, kích thước word 32 bits Đơn vị địa (Addressable unit): Trong vài hệ thống, đơn vị địa word, nhiều hệ thống cho phép đánh địa cấp độ byte Bất trường hợp nào, mối quan độ dài bits A địa số lượng N đơn vị địa 2A =N Đơn vị truyền (Unit of transfer): Với nhớ chính, số lượng bits đọc hay ghi vào nhớ thời điểm Đơn vị truyền không word hay đơn vị địa Với nhớ ngoài, liệu thường truyền lớn word, gọi blocks Một cách phân biệt khác loại nhớ phương thức truy cập đơn vị liệu Truy cập tuần tự: Bộ nhớ tổ chức thành đơn vị liệu, gọi ghi Truy cập cần thực theo trình tự tuyến tính cụ thể Thơng tin địa lưu trữ sử dụng để tách ghi hỗ trợ trình truy xuất Một chế đọc ghi chia sẻ sử dụng, phải chuyển từ vị trí đến vị trí mong muốn, chuyển từ chối ghi trung gian Do đó, thời gian để truy cập ghi khác Truy cập trực tiếp: Như với truy cập tuần tự, truy cập trực tiếp sử dụng chế đọc ghi chia sẻ Tuy nhiên, block hay ghi có đ ịa riêng biệt dựa vị trí vật lý Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi địa nhớ nhất, sử dụng chế địa wired-in Thời gian để truy cập vị trí khơng phụ thuộc lần truy cập trước khơng đổi Do đó, vị trí chọn cách ngẫu nhiên đánh địa truy cập trực tiếp Bộ nhớ vài hệ thống đệm sử dụng truy cập ngẫu nhiên Liên kết: Đây loại truy cập ngẫu nhiên nhớ mà cho phép người ta so sánh vị trí bit mong muốn word thực điều cho tất word đồng thời Do đó, word truy xuất dựa phần nội dung khơng phải địa Như với nhớ truy cập ngẫu nhiên thơng thường, vị trí có chế định địa riêng thời gian truy xuất không đổi, khơng phụ thuộc vào vị trí kiểu truy cập trước Bộ nhớ cache sử dụng truy cập liên kết Với góc nhìn người dùng, hai đặc điểm quan tronng nhớ dung lượng hiệu Ba thông số hiệu sử dụng là: Thời gian truy cập (độ trễ): Với nhớ truy cập ngẫu nhiên, thời gian cần thiết để thực thao tác đọc ghi, là, thời gian từ thời điểm địa hiển thị nhớ đến thời điểm liệu lưu trữ sẵn sàng để sử dụng Đối với nhớ truy cập không ngẫu nhiên, thời gian truy cập thời gian cần thiết để định vị chế độc ghi vị trí mong muốn Chu kì nhớ: Khái niệm chủ yếu áp dụng cho nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm thời gian truy cập cộng với thời gian bổ sung cần thiết trước bắt đầu truy cập lần thứ hai Lưu ý thời gian chu kỳ nhớ liên quan đến bus hệ thống, xử lý Tốc độ truyền tải: tốc độ mà liệu chuyển vào khỏi đơn vị nhớ Đối với nhớ truy cập ngẫu nhiên, 1/ (chu kì nhớ) Đối với nhớ truy cập không ngẫu nhiên, công thức sau giữ nguyên: Tn = TA + n/R Trong đó: Tn = thời gian trung bình để đọc ghi N bits TA = thời gian truy cập trung bình n = Số lượng bits R = tốc độ truyền tải, bits giây Có nhiều loại nhớ vật lý sử dụng Phổ biến nhớ bán dẫn, nhớ bề mặt từ tính, sử dụng cho đĩa băng, quang học quang từ Hệ thống phân cấp nhớ Có hạn chế thiết kế nhớ máy tính tóm gọn ba câu hỏi: Dung lượng ? Nhanh nào? Chi phí sao? Câu hỏi phần giải đáp Nếu với dung lượng tương ứng, ứng dụng phát triển để sử dụng Câu hỏi tiếp theo, Theo cách dễ dàng trả lời Để đạt hiệu cao nhất, nhớ phải có khả theo kịp xử lý Có nghĩa là, xử lý thực lệnh, khơng muốn phải tạm dừng lệnh khác Câu hỏi cuối phải xem xét Đối với hệ thống thực tế, chi phí nhớ phải hợp lý tương xứng với thành phần khác Như dự đốn, có đánh đổi ba đặc điểm nhớ: dung lượng, thời gian truy cập chi phí Nhiều công nghệ khác sử dụng để triển khai hệ thống nhớ, toàn công nghệ mối quan hệ sau giữ nguyên: - Thời gian truy cập nhanh hơn, chi phí tăng bit; - Dung lượng lớn hơn, chi phí bit nhỏ hơn; - Dung lượng lớn hơn, thời gian truy cập chậm Một vài tình mà nhà thiết kế cần phải đối mặt kể đến rõ ràng Nhà thiết kế muốn sử dụng công nghệ cung cấp cho nhớ dung lượng lớn, dung lượng cần thiết chi phí cho bit thấp Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu hiệu năng, nhà thiết kế cần sử dụng nhớ đắt tiền, dung lượng tương đối thấp với thời gian truy cập ngắn Hình mơ tả cấu trúc hệ thống nhớ đệm nhớ Bộ nhớ bao gồm tối đa 2n word định địa chỉ, với word có địa n bit Đối với mục đích ánh xạ, nhớ coi bao gồm số block có độ dài cố định gồm K word block Tức có M = 2n / K block nhớ Bộ nhớ đệm bao gồm m block, gọi line Mỗi line chứa K word, cộng thêm vài bit tag Mỗi line bao gồm bit điều khiển, bit để xác định liệu line có thay đổi từ ghi vào nhớ đệm Độ dài line, không bao gồm bit điều khiển gọi kích thước line Kích thước line 32 bit, với word byte; trường hợp kích thước line byte Số lượng line cho nhỏ nhiều so với số lượng block nhớ Ở thời điểm nào, vài block nhớ truyền tới line nhớ đệm Bởi có nhiều block line, line độc lập định cho block cụ thể vĩnh viễn Do đó, line bao gồm tag nhằm phân biệt block lưu trữ Tag thường phần địa nhớ Hình miêu tả thao tác đọc Bộ xử lý tạo địa đọc word Nếu word lưu trữ đệm, chuyển đến xử lý Nếu khơng, block chưa word lưu vào đệm, word chuyển tới xử lý Hin Hình cho thấy hai thao tác cuối diễn đồng thời t ương ứng với cách tổ chức hình 1 Trong cách tổ chưc này, nhớ đệm kết nối với xử lý thông qua line liệu, điều khiển, địa Line liệu địa gắn với liệu địa đệm gắn với bus hệ thống từ nhớ Khi nhớ đệm truy cập, liệu địa đệm gọi đến nhớ nhớ đệm Khi nhớ đệm truy cập liệu bị thiếu, địa lưu vào bus hệ thống trả ngược thông qua liệu đệm đến nhớ đệm bọ xử lý Trong cách tổ chức khác, nhớ đệm thêm vào xử lý nhớ để dùng với line địa chỉ, liệu điều khiển Ở trường hợp cuối cùng, với lần thiếu liệu nhớ đệm, word ghi vào đệm chuyển tới xử lý Chương 3: Các thành phần thiết kế nhớ đệm Địa nhớ đệm Hầu hết xử lý khơng mã hố xử lý nhúng hỗ trợ nhớ ảo Về chất, nhớ ảo nơi cho phép chương trình định địa cho nhớ cách logic mà không quan tâm đến dung lượng nhớ Khi nhớ ảo sử dụng, trường địa câu lệnh máy tính chứa địa ảo Để đọc ghi từ nhớ chính, đơn vị tổ chức phần cứng nhớ (hardware memory management unit - MMU) dịch địa ảo thành địa vật lý nhớ Khi nhớ ảo sử dụng, nhà thiết kế hệ thống chọn đ ặt b ộ nh đệm xử lý đơn vị quản lý phần cứng nh (MMU) ho ặc gi ữa MMU nhớ Một nhớ đệm logic, hay còn nhớ đệm ảo, lưu liệu địa ảo Bộ xử lý truy cập nhớ đệm trực tiếp không cần thông qua MMU Một nhớ đệm vật lý lưu liệu sử dụng địa vật lý nhớ Một lợi dễ thấy nhớ logic tốc độ truy cập nhớ đệm nhanh nhớ vật lý, nhớ đệm phản hồi trước MMU thực dịch địa Nhược điểm thực tế hầu hết hệ thống nhớ ảo cung cấp cho ứng dụng không gian địa nhớ ảo Tức ứng dụng có nhớ ảo địa Do đó, với địa ảo hai ứng dụng khác lại trỏ đến hai địa vật lý khác Bộ nhớ đệm cần phải xố hồn tồn chuyển đổi ứng dụng bit bổ sung phải thêm vào line đệm để xác định không gian địa ảo tương ứng Kích thước nhớ đệm Thành phần thứ nhớ đệm kích thước nhớ Chúng ta muốn kích thước nhớ đệm nhỏ để chi phí trung bình bit gần với nhớ đủ lớn để thời truy cập trung bình tiệm cận với nhớ đệm Có nhiều lý để giảm kích thước nhớ đệm Bộ nhớ đệm lớn số lượng cổng gia tăng định địa nhớ đệm Kết với nhớ đệm lớn tốc độ chậm với nhớ nhỏ Chức ánh xạ Bởi line nhớ đệm block nhớ chính, thuật toán sử dụng để map block nhớ với line nhớ đệm Hơn nữa, cần phương tiện để xác định block nhớ chiếm line nhớ đệm Lựa chọn chức ánh xạ định cách tổ chức nhớ đệm Ba kỹ thuật sử dụng là: Trực tiếp, liên kết liên kết tập hợp Trong trường hợp, xem xét cấu trúc chung sau ví dụ cụ thể Ánh xạ trực tiếp Đây kỹ thuật đơn giản nhất, ánh xạ block nhớ tới line nhớ đệm Hình biểu diễn ánh xạ cho m blcok nhớ Mỗi block ánh xạ đến line nhớ đệm M block nhớ ánh xạ tới nhớ đệm theo cách tương tự; tức là, block Bm nhớ ánh xạ tớ line L0 nhớ đệm, block Bm+1 ánh xạ tới line L1… Chức ánh xạ dễ dàng thực nhớ địa nhớ Hình miêu tả chế chung Với mục đích truy cập nhớ đệm, địa nhớ bao gồm ba phần Các bit w quan trọng nhật xác định word byte block nhớ chính; hầu hết máy tính đại, địa mức byte Các bit lại định block 2s nhớ Logic nhớ đệm diễn giải bit tag bit – r bit (phần quan trọng nhất) trường gồm r bit Trường thứ hai xác định m = 2r line nhớ đệm