Tiểu luận kiến trúc máy tính Đề tài Đặc trưng bộ nhớ máy tính

Điều này cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự liên tục và ổn định trong việc lưu trữ và truy xuất dữ liệu, như trong các hệ thống máy tính cao cấp và các thiết bị di độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VINH

TIỂU LUẬN: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

ĐỀ TÀI : ĐẶC TRƯNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH

SVTH: Nguyễn Hoàng Lê Na MSSV:

22001013

GVHD:HOÀNG THỊ VINH LỚP: K9DCNTT

Vinh,12/2023

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những đặc trưng quan trọng của bộ nhớ bán dẫn là tốc độ truy cập nhanh Bộ nhớ bán dẫn cho phép truy cập dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn so với các công nghệ lưu trữ khác như ổ cứng cơ Thời gian truy cập ngắn giúp tăng tốc độ hoạt động của hệ thống và giảm thời gian chờ đợi của người dùng

Một đặc trưng khác của bộ nhớ bán dẫn là khả năng lưu trữ không tự mất Trong khi các loại bộ nhớ khác như bộ nhớ RAM (Random Access Memory) cần nguồn điện liên tục để duy trì dữ liệu, bộ nhớ bán dẫn có khả năng lưu giữ dữ liệu mà không cần nguồn điện Điều này rất hữu ích trong trường hợp cúp điện hoặc khi thiết bị được tắt nguồn, vì dữ liệu vẫn được bảo tồn và có sẵn khi hệ thống được khởi động lại

Cuối cùng, bộ nhớ bán dẫn có khả năng chịu được số lần ghi/đọc lớn mà không gây ra sự suy giảm đáng kể về hiệu suất Điều này cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự liên tục và ổn định trong việc lưu trữ và truy xuất

dữ liệu, như trong các hệ thống máy tính cao cấp và các thiết bị di động Tóm lại, bộ nhớ bán dẫn có nhiều đặc trưng quan trọng bao gồm tốc độ truy cập nhanh, khả năng lưu trữ không tự mất, mật độ lưu trữ cao và khả năng chịu được số lần ghi/đọc lớn Sự tiến bộ trong công nghệ bán dẫn đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của các thiết bị điện tử hiện đại và mang lại lợi ích lớn cho người dùng

Sinh viên thực hiện!! Nguyễn hoàng lê na

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy/cô về sự hỗ trợ

và sự chỉ dẫn quý báu trong quá trình thực hiện đề tài “ĐẶC TRƯNG BỘ NHỚ BÁN DẪN “

Lời cảm ơn bộ nhớ bán dẫn vì khả năng lưu trữ không tự mất Bạn đã giúp chúng ta bảo vệ dữ liệu quan trọng ngay cả khi không có nguồn điện Khi máy tính bị tắt hoặc có một sự cố về điện, chúng ta vẫn có thể yên tâm rằng dữ liệu của mình sẽ không bị mất đi

Lời cảm ơn bộ nhớ bán dẫn vì tốc độ truy cập nhanh của nó Nhờ vào bộ nhớ bán dẫn, chúng ta có thể truy cập dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn Các ứng dụng và hệ thống của chúng ta hoạt động mượt mà và đáp ứng nhanh chóng nhờ vào khả năng truy xuất dữ liệu nhanh của bộ nhớ bán dẫn

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tất cả những người đã đọc và đánh giá khóa luận của em Sự đóng góp của các bạn đã giúp em nhận ra những điểm mạnh và yếu của khóa luận, từ đó hoàn thiện và nâng cao chất lượng tài liệu của mình

Xin chân thành cảm ơn thầy/cô đã dành thời gian và tâm huyết để hướng dẫn

em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này Những lời khuyên và sự hỗ trợ của các bạn đã giúp em hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VINH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

-

-&&&&& -NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN I Tính tương tác của nhóm trong quá trình làm đồ án/báo cáo:………

………

……… …… …

………….

………

………….………

……… … …….….………

… II Đánh giá hình thức và nội dung thuyết minh:

III Đánh giá sản phẩm:

IV Kết luận:

Ngày … tháng…… năm …… Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên

CHƯƠNG 1: 5

1.1.Khái niệm về bộ nhớ bán dẫn: 5

1.2.Đặc điểm và phân cấp hệ thống nhớ trong máy tính 6

1.3.Phân loại bộ bán dẫn 9

II.Thiết kế modul nhớ bán dẫn 2.1.Bộ nhớ ảo 10

2.2 Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ 11

2.3.Mở rộng bộ nhớ bán dẫn 12

2.3.Đặc trưng của bộ nhớ bán dẫn 13

CHƯƠNG 1:

ĐẶC TRƯNG CỦA BỘ NHỚ BÁN DẪN

1.1.Khái niệm về bộ nhớ bán dẫn:

Bộ nhớ bán dẫn là một loại bộ nhớ điện tử không bay hơi (non-volatile) được

sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động và các thiết bị lưu trữ dữ liệu khác Nó được gọi là "bán dẫn" vì các thiết bị lưu trữ dữ liệu sử dụng các vật liệu bán dẫn để lưu trữ và truy xuất thông tin

Bộ nhớ bán dẫn thường được chia thành hai loại chính là bộ nhớ chỉ đọc (ROM -Read-Only Memory) và bộ nhớ đọc ghi (RAM - Random Access Memory)

Bộ nhớ chỉ đọc (ROM): Đây là loại bộ nhớ không thể ghi dữ liệu mới và chỉ có thể đọc dữ liệu từ nó ROM thường được sử dụng để lưu trữ các hệ điều hành và các chương trình phần mềm cố định khác mà không thay đổi Ví dụ điển hình của ROM là ROM BIOS trên máy tính

Bộ nhớ đọc ghi (RAM): Đây là loại bộ nhớ có thể ghi và đọc dữ liệu từ nó RAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời mà máy tính cần để thực hiện các tác vụ

Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất khi thiết bị bị tắt hoặc khởi động lại RAM được chia thành nhiều loại khác nhau như RAM động (DRAM) và RAM tĩnh (SRAM), với mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng

So với các công nghệ lưu trữ khác như đĩa cứng (HDD) hoặc đĩa rắn (SSD), bộ nhớ bán dẫn có thời gian truy cập nhanh hơn và tiêu thụ năng lượng ít hơn Tuy nhiên, giá thành của bộ nhớ bán dẫn thường cao hơn so với các công nghệ lưu trữ khác, vì vậy nó thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và hiệu suất cao, như trong máy tính cá nhân, điện thoại di động và các thiết bị di động khác

1.2.Đặc điểm và phân cấp hệ thống nhớ trong máy tính

Hệ thống nhớ trong máy tính được phân cấp thành các cấp độ khác nhau dựa trên tốc độ truy cập, dung lượng và khoảng cách với bộ xử lý Dưới đây là một phân cấp thông thường của hệ thống nhớ trong máy tính, từ nhanh nhất và nhỏ nhất đến chậm hơn và lớn hơn:

Bộ nhớ Cache:

 Đặc điểm: Cache là một bộ nhớ tạm thời nằm gần bộ xử lý (CPU)

 Chức năng: Cache được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu và hướng dẫn mà CPU sử dụng thường xuyên nhất Nó giúp tăng tốc độ truy xuất dữ liệu bởi CPU bằng cách lưu trữ các dữ liệu đã được truy cập gần đây nhất

 Phân cấp: Có thể có nhiều cấp độ cache khác nhau, bao gồm cache cấp 1 (L1), cache cấp 2 (L2) và cache cấp 3 (L3) Các cấp độ cache này thường tăng kích thước và giảm tốc độ truy cập từ L1 đến L3

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory):

 Đặc điểm: RAM là bộ nhớ trung gian giữa bộ xử lý và bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn

 Chức năng: RAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình đang hoạt động tạm thời trong quá trình thực thi của máy tính Nó cho phép CPU nhanh chóng truy cập và ghi dữ liệu

 Phân cấp: RAM có thể được phân cấp thành các kênh bộ nhớ đôi (dual-channel) hoặc bốn kênh (quad-(dual-channel), tùy thuộc vào kiến trúc và bo mạch chủ của hệ thống

Bộ nhớ ổ cứng (HDD) và ổ đĩa thể rắn (SSD):

 Đặc điểm: HDD và SSD là các loại bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn trong máy tính

 Chức năng: HDD và SSD được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu và chương trình lâu dài của máy tính Dữ liệu được ghi và đọc từ các ổ đĩa này theo yêu cầu

 Phân cấp: Có thể có nhiều ổ đĩa HDD hoặc SSD trong một hệ thống, với dung lượng và tốc độ truy cập khác nhau

Bộ nhớ ngoại vi:

 Đặc điểm: Bộ nhớ ngoại vi bao gồm các thiết bị lưu trữ ngoài như ổ đĩa cứng di động, thẻ nhớ, đĩa CD/DVD

 Chức năng: Bộ nhớ ngoại vi được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình

mà không cần phải nằm trong máy tính chính

 Phân cấp: Bộ nhớ ngoại vi có thể có nhiều loại và kích thước khác nhau, tùy thuộc vào thiết bị cụ thể

Phân cấp hệ thống nhớ trong máy tính cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tốc độ truy xuất dữ liệu Các bộ nhớ gần bộ xử lý như cache và RAM có tốc độ truy cCấp hệ thống nhớ trong máy tính đã được phân cấp theo tốc độ truy cập, dung lượng và khoảng cách với bộ xử lý Dưới đây là một phân cấp thông thường của hệ thống nhớ trong máy tính, từ nhanh nhất và nhỏ nhất đến chậm hơn và lớn hơn:

Register (Bộ đăng ký):

 Đặc điểm: Register là một phần của bộ xử lý và nằm gần nhất với nó

 Chức năng: Register lưu trữ các giá trị và dữ liệu trung gian trong quá trình thực thi các lệnh xử lý

 Đặc điểm khác: Register là loại bộ nhớ nhanh nhất và nhỏ nhất, nhưng cũng

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory):

 Đặc điểm: RAM là bộ nhớ trung gian giữa bộ xử lý và bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn

 Chức năng: RAM lưu trữ dữ liệu và chương trình đang hoạt động trong quá trình thực thi của máy tính

 Phân cấp: RAM có thể được phân thành các cấp độ khác nhau, chẳng hạn như DDR4 (Double Data Rate 4) hoặc DDR5, với tốc độ truy cập và dung lượng khác nhau

Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn:

1 Đặc điểm: Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn bao gồm ổ cứng (HDD) và ổ đĩa thể rắn (SSD)

2 Chức năng: Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn lưu trữ các dữ liệu và chương trình dài hạn của máy tính

3 Phân cấp: Có thể có nhiều ổ đĩa HDD hoặc SSD trong một hệ thống, với dung lượng và tốc độ truy cập khác nhau

Phân cấp hệ thống nhớ trong máy tính cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tốc độ truy xuất dữ liệu Các bộ nhớ gần bộ xử lý như register và cache có tốc độ truy cập nhanh nhất, trong khi bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn như HDD và SSD có dung lượng lớn nhưng tốc độ truy cập chậm hơn

1.3.Phân loại bộ bán dẫn.

Bộ nhớ bán dẫn là loại bộ nhớ sử dụng công nghệ bán dẫn để lưu trữ và truy

xuất dữ liệu trong máy tính và các thiết bị điện tử khác Dưới đây là phân loại chính của bộ nhớ bán dẫn:

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory):

 DRAM (Dynamic RAM): DRAM là loại RAM phổ biến nhất trong máy tính

và các thiết bị điện tử Nó lưu trữ dữ liệu theo cách sử dụng các capacitor để giữ các bit dữ liệu Tuy nhanh và có thể ghi dữ liệu, nhưng cần được làm mới định kỳ vì capacitor sẽ mất điện theo thời gian

 SRAM (Static RAM): SRAM là loại RAM nhanh hơn và ít tốn điện năng hơn so với DRAM Nó sử dụng các flip-flop để lưu trữ dữ liệu và không cần làm mới như DRAM Tuy nhiên, SRAM có chi phí cao hơn và không có dung lượng lưu trữ lớn như DRAM

Bộ nhớ Flash:

 NAND Flash: NAND Flash được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị lưu trữ

dữ liệu như ổ đĩa SSD, thẻ nhớ và điện thoại di động Nó có khả năng lưu

trữ dữ liệu lâu dài mà không cần nguồn điện duy trì Tuy nhiên, tốc độ ghi và xóa dữ liệu của NAND Flash chậm hơn so với RAM

 NOR Flash: NOR Flash cũng được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu

và có tốc độ truy xuất nhanh hơn so với NAND Flash Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu truy xuất dữ liệu ngẫu nhiên, như hệ thống nhúng và vi xử lý

Bộ nhớ Cache:

 Cache L1, L2, L3: Các cấp độ cache trong máy tính thường sử dụng bộ nhớ bán dẫn để lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn mà bộ xử lý sử dụng thường xuyên nhất Các cấp độ cache như L1, L2 và L3 có kích thước và tốc độ truy xuất

dữ liệu khác nhau, với L1 là nhanh nhất và nhỏ nhất, trong khi L3 là chậm hơn và lớn hơn

Bộ nhớ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory):

 EEPROM là loại bộ nhớ bán dẫn có thể xóa và ghi lại dữ liệu điện tử Nó được sử dụng trong các thiết bị như máy tính cá nhân, điện thoại di động và thiết bị điều khiển để lưu trữ các cài đặt và dữ liệu không thay đổi

Bộ nhớ GPU (Graphics Processing Unit):

 GPU có thể có bộ nhớ bán dẫn riêng để lưu trữ dữ liệu và hình ảnh liên quan đến xử lý đồ họa Bộ nhớ này thường được gọi là VRAM (Video RAM) và cung cấp tốc độ truy xuất cao cho các tác vụ xử lý đồ họa

Đây chỉ là một số phân loại chính của bộ nhớ bán dẫn Có nhiều loại bộ nhớ bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các thiết bị và ứng dụngPhân loại bộ nhớ bán dẫn có thể được chia thành các loại chính như sau:

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory):

 DRAM (Dynamic RAM): Là loại bộ nhớ mất điện năng và cần được làm mới định kỳ để duy trì dữ liệu

 SRAM (Static RAM): Là loại bộ nhớ nhanh hơn DRAM và không cần làm mới, nhưng đòi hỏi nhiều transistor hơn và tốn nhiều diện tích

Bộ nhớ ROM (Read-Only Memory):

 PROM (Programmable ROM): Là loại bộ nhớ mà dữ liệu có thể được ghi một lần và không thể thay đổi sau đó

 EPROM (Erasable Programmable ROM): Là loại bộ nhớ mà dữ liệu có thể được xóa và ghi lại bằng cách sử dụng ánh sáng tử ngoại

EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Tương tự như EPROM, nhưng dữ liệu có thể được xóa và ghi lại điện tử mà không cần sử dụng ánh sáng tử ngoại

 Flash memory: Là loại bộ nhớ không mất điện năng và có thể xóa và ghi lại điện tử Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị lưu trữ như ổ đĩa SSD, thẻ nhớ và USB

 Bộ nhớ Cache: Là loại bộ nhớ tạm thời nhanh và gần bộ xử lý, được sử dụng

để lưu trữ các dữ liệu và hướng dẫn mà bộ xử lý thường truy cập gần đây nhất

 Bộ nhớ đệm (Buffer memory): Là loại bộ nhớ được sử dụng để tạm thời lưu trữ dữ liệu khi chuyển đổi giữa các thiết bị hoặc giao diện có tốc độ truyền

dữ liệu khác nhau

 Bộ nhớ đồ họa: Là bộ nhớ được sử dụng trong các card đồ họa để lưu trữ dữ liệu hình ảnh và video trong quá trình xử lý đồ họa

Lưu ý rằng công nghệ và phân loại bộ nhớ bán dẫn có thể thay đổi theo thời gian

và tiến bộ công nghệ Các loại bộ nhớ bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các

ứng dụng và thiết bị khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng II.Thiết kế modul nhớ bán dẫn.

Có nhiều loại modul nhớ bán dẫn khác nhau được sử dụng trong các thiết bị

điện tử hiện đại như máy tính, điện thoại di động và máy chụp hình Dưới đây là một số modul nhớ bán dẫn phổ biến:

 Modul bộ nhớ flash: Flash là một loại bộ nhớ không bay hơi (non-volatile memory) phổ biến được sử dụng trong nhiều thiết bị Nó được sử dụng để lưu trữ dữ liệu lâu dài mà không yêu cầu nguồn điện liên tục để giữ nó Flash được sử dụng như bộ nhớ trong trong ổ đĩa USB, thẻ nhớ SD và ổ cứng chất rắn (SSD)

 Modul RAM (Random Access Memory): RAM là một loại bộ nhớ tạm thời được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình đang được thực thi trong quá trình hoạt động của thiết bị Nó cung cấp khả năng truy cập ngẫu nhiên nhanh chóng đến dữ liệu, nhưng nó chỉ lưu trữ thông tin trong khi nguồn điện vẫn được cấp cho modul RAM được sử dụng trong máy tính để bàn, máy tính xách tay và các thiết bị di động

 Modul bộ nhớ ROM (Read-Only Memory): ROM là một loại bộ nhớ chỉ đọc

và không thể ghi đè Dữ liệu được lưu trữ trong ROM từ khi nó được sản xuất và không thể thay đổi hay xóa bỏ ROM được sử dụng để lưu trữ những thông tin quan trọng như BIOS (Basic Input/Output System) trong máy tính

 Modul bộ nhớ cache: Cache là một loại bộ nhớ nhanh được sử dụng để tăng tốc độ truy cập dữ liệu Nó hoạt động bằng cách lưu trữ các dữ liệu và chỉ thị thường xuyên được sử dụng gần CPU, giúp giảm thời gian truy cập vào bộ nhớ chính chậm hơn Có nhiều loại cache khác nhau như cache L1, L2 và L3 trong vi xử lý

Các modul nhớ bán dẫn được thiết kế và sản xuất bởi các công ty chuyên về công nghệ bán dẫn như Samsung, Intel, Micron, Toshiba và Hynix Quá trình thiết kế modul nhớ bán dẫn liên quan đến việc tối ưu hóa hiệu suất, mật độ lưu trữ và tiêu thụ năng lượng Các yếu tố quan trọng bao gồm kiến trúc bộ nhớ, công nghệ sản

xuất, kích thước vật lý và giao tiếp điện tử.

2.1.Bộ nhớ ảo

Bộ nhớ ảo (virtual memory) là một kỹ thuật trong hệ điều hành và kiến trúc máy tính cho phép các chương trình chạy lớn hơn kích thước bộ nhớ vật lý có sẵn trên

hệ thống Nó tạo ra một lớp bộ nhớ ảo ảo giữa bộ nhớ vật lý và không gian địa chỉ của chương trình

Khi một chương trình chạy, nó cần một phạm vi địa chỉ liên tục để lưu trữ mã máy

và dữ liệu Tuy nhiên, kích thước bộ nhớ vật lý trên hệ thống có thể bị hạn chế Bằng cách sử dụng bộ nhớ ảo, hệ điều hành có thể tạo ra một không gian địa chỉ ảo lớn hơn so với bộ nhớ vật lý có sẵn

Khi chương trình thực thi và yêu cầu truy cập vào một vùng nhớ không có sẵn trong bộ nhớ vật lý, hệ điều hành sẽ chuyển các phần dữ liệu không sử dụng tạm thời từ bộ nhớ vật lý sang đĩa cứng trong một kỹ thuật gọi là trang trí (paging) Điều này giải phóng bộ nhớ vật lý để sử dụng cho các mục đích khác và tạo ra một không gian trống để tải các phần dữ liệu cần thiết từ đĩa cứng vào bộ nhớ vật lý

Bộ nhớ ảo cho phép chương trình chạy mượt mà hơn và cho phép chạy nhiều chương trình cùng một lúc mà không cần có đủ bộ nhớ vật lý cho tất cả chúng Tuy nhiên, việc sử dụng bộ nhớ ảo cũng có thể làm giảm hiệu suất do tốn thời gian truy cập đĩa cứng và có thể dẫn đến hiện tượng trễ (latency) trong việc truy cập dữ liệu Quản lý bộ nhớ ảo được thực hiện bởi hệ điều hành, và nó đòi hỏi sự tương tác giữa phần cứng (bộ nhớ vật lý và đĩa cứng) và phần mềm (hệ điều hành và chương trình)

2.2 Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ.

Dưới đây là một số thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ bán dẫn:

 Transistor: Transistor là thành phần cơ bản trong các mạch điện tử và được

sử dụng để kiểm soát dòng điện Trong các bộ nhớ bán dẫn, transistor được

sử dụng để lưu trữ và đọc dữ liệu

 Bit (Binary Digit): Bit là đơn vị nhỏ nhất của thông tin trong máy tính và có thể có giá trị 0 hoặc 1 Bộ nhớ bán dẫn là nơi lưu trữ các bit, cho phép lưu trữ và truy xuất dữ liệu