chương 3 hệ thống nhớ máy tính

Trước khi khởi động lại hay tắt máy, dữ liệu đã thay đổi cần được ghi vào các thiết bị lưu trữ lâu dài – storage – thường là ổ đĩa cứng để sau này có thể nạp lại vào bộ nhớ... Tổng quan

KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ch¬ng 3-

Hệ thống nhớ máy tính

thuhienktv@gmail.com

1 Tổng quan về hệ thống nhớ

của bộ vi xử lý Đó là nơi cất giữ tạm thời các chương trình và dữ liệu đang được thao tác với

bộ vi xử lý Việc lưu trữ bộ nhớ được xem tạm thời vì dữ liệu chỉ tồn tại trong thời gian máy đang hoạt động và không bị khởi động lại Trước khi khởi động lại hay tắt máy, dữ liệu đã thay đổi cần được ghi vào các thiết bị lưu trữ lâu dài – storage – (thường là ổ đĩa cứng) để sau này có thể nạp lại vào bộ nhớ

Tổng quan về hệ thống nhớ

nhớ đó là: một file khi được nạp vào trong bộ nhớ, nó chỉ là bản sao của file đó, còn thực chất file đó vẫn tồn tại trong ổ đĩa Vì tính chất tạm thời của bộ nhớ cho nên file đã bị thay đổi cần được ghi lại vào đĩa cứng trước khi tắt máy, vì khi tắt máy dữ liệu trong bộ nhớ sẽ bị xoá

Tổng quan về hệ thống nhớ

nguồn điện, lưu trữ trong RAM sẽ bị mất Vì bản chất bất ổn định như vậy cho nên nhiều người

chương trình ứng dụng có thể ghi một cách tự động theo thời gian đã định)

Các đặc trng của hệ thống nhớ

 Đơn vị truyền (unit of transfer)

„ Truyền theo từ nhớ- Truyền tuần tự từng Word

„ Truyền theo khối nhớ- Truyền 1 khối gồm n Word

 Hiệu năng

„ Thời gian truy cập

„ Chu kỳ truy xuất bộ nhớ

„ Tốc độ truyền

Các đặc trng của hệ thống nhớ

 Phơng pháp truy nhập (access method)

„ Truy nhập tuần tự (băng từ)- Để đến đợc điểm n đầu từ phải duyệt qua n-1 vị trí trớc

„ Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang)- Đầu từ di chuyển trực tiếp đến vị trí cần đọc

„ Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ trong)- ô nhớ cần đọc sẽ

đợc giải mã để lấy thông tin ngay lập tức

„ Truy nhập liên kết (bộ nhớ cache)- Truy cập thông qua bản sao của ô nhớ cần đọc

10

3 M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí

Việc trao đổi dữ liệu giữa BVXL và BNC là một thao tác quan trọng, chiếm đa số trong các lệnh xử lý dữ liệu nên nó quyết định hiệu suất của hệ thống VXL nói chung và máy tính nói

tốc độ trao đổi dữ liệu chậm (chênh lệch) hơn so với tốc độ làm việc của CPU (kể cả việc vận chuyển dữ liệu trong BVXL) Để nâng cao tốc độ

xử lý dữ liệu chung của toàn hệ thống, người ta

lệnh) giữa BVXL và bộ nhớ Dựa trên nguyên lý cục bộ về không gian và thời gian mà người ta xây dựng hệ thống nhớ 5 cấp như sau:

prog./compiler 1-8 bytes

cache cntl 8-128 bytes

OS 512-4K bytes

user/operator Mbytes

Lower Level

faster

Larger

3 M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí

Cấp 0: Tập các thanh ghi nằm trong bộ

vi xử lý Thanh ghi là bộ nhớ kiểu SRAM

nên tác động nhanh và thông tin ổn định Đây là thành phần nhớ có tốc độ trao đổi

dữ liệu nhanh nhất trong hệ thống vì nó gần ALU và CU Tuy nhiên nó có dung lượng nhỏ

3 M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí

Cấp 1: Primary cache (cache sơ cấp): Là

bộ nhớ có tốc độ trao đổi dữ liệu rất nhanh (nhỏ hơn thanh ghi), có dung lượng nhỏ và được đặt trong bộ vi xử lý, nhưng cũng có thể nằm ngoài bộ vi xử lý Trong các bộ vi

xử lý tiên tiến, bộ nhớ cache thường được tách (chia) làm 2 với mục đích tránh xung đột trong xử lý song song (đại diện là pipeline) là Icache: dành cho lệnh và Dcache: dành cho dữ liệu

3 M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí

Cấp 3: Main Memory (Bộ nhớ chính):

Chứa chương trình và dữ liệu đang hoạt động BN này được BVXL đánh địa chỉ trực tiếp và quản lý thông qua địa chỉ đó Một phần của chương trình đang được thi hành

có thể nằm trong cache (lệnh và dữ liệu) nhằm tăng tốc độ hoạt động của hệ thống Dung lượng của BN chính thường lớn hơn rất nhiều lần dung lượng BN cache Như

đã biết, trong các hệ thống máy tính hiện đại ngày nay thì BNC thường là DRAM

3 M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí

Cấp 4: Secondary memory (Bộ nhớ thứ cấp – bộ nhớ ngoài): Bộ nhớ này có dung

lượng rất lớn nhưng tốc độ trao đổi dữ liệu chậm Bộ nhớ này để lưu trữ chương trình

và dữ liệu một cách lâu dài, cho nhiều người sử dụng (ghi/đọc, mất nguồn điện vẫn còn thông tin) Đại diện cho các bộ nhớ loại này đó chính là các ổ đĩa cứng, mềm CD ROM, CD – WOM, CD WR, băng

từ, …

3 Mô hình phân cấp hệ thống nhớ

Từ trái sang phải:

„ Dung lợng tăng dần

„ Tốc độ trao đổi dữ liệu giảm dần

„ Giá thành /1 bit giảm dần

„ Tần suất BXL truy nhập giảm dần

„ Mức trái chứa một phần dữ liệu của mức phải

Tập

thanh

ghi

Cache L1

Cache L2

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ ngoài

Bộ xử lý

Bộ nhớ bán dẫn

Kiểu bộ nhớ Tiêu chuẩn Khả năng xóa Cơ chế ghi Tính

thay đổi Read Only Memory

(ROM) Bộ nhớ

chỉ đọc

Không xóa đợc

Mặt nạ

Không khả biến

Bằng tia cực tím, cả chip

Electrically Erasable PROM

(EEPROM)

Bằng điện, mức từng byte

Flash memory

Bộ nhớ

đọc - ghi

Bằng điện, từng khối

Random Access Memory

(RAM)

Bằng điện, từng byte

Khả biến

ROM (Read Only Memory)

Các kiểu ROM

 ROM mặt nạ (ROM cố định):

„ Thông tin đợc ghi ngay khi sản xuất

„ Rất đắt

 PROM (Programmble ROM):

„ Khi sản xuất cha ghi dữ liệu

„ Cần thiết bị chuyên dùng để ghi bằng chơng trình, chỉ ghi đợc một lần

 EPROM (Erasable PROM):

„ Khi sản xuất cha ghi dữ liệu

„ Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chơng trình, ghi

đ-ợc nhiều lần

„ Trớc khi ghi lại, phải xóa bằng tia cực tím

Các kiểu ROM

 EEPROM (Electrically Erasable PROM):

„ Có thể ghi theo từng byte

„ Xóa bằng điện

„ Ghi lâu hơn đọc

 Flash memory (bộ nhớ cực nhanh)

„ Ghi theo khối

„ Xóa bằng điện

RAM (Random Access Memory)

 Bộ nhớ đọc / ghi

 Khả biến

 Lu trữ thông tin tạm thời

 Có hai loại RAM:

„ SRAM (Static RAM)

„ DRAM (Dynamic RAM)

VÝ dô vÒ DRAM

Tổ chức ô nhớ

 Ô nhớ là phần tử nhớ đợc 1 bit thông tin

 Các tín hiệu:

„ Tín hiệu chọn đợc gửi đến để chọn ô nhớ

„ Tín hiệu điều khiển chỉ thị việc ghi hay đọc

„ Tín hiệu thứ ba là đờng dữ liệu

Tæ chøc cña chip nhí (SRAM)

29

Các tín hiệu của chip nhớ (SRAM)

 Các đờng địa chỉ: A0  An - 1  có 2n ngăn nhớ

 Các đờng dữ liệu: D0  Dm - 1  độ dài ngăn nhớ là m bit

 Dung lợng chip nhớ: 2n x m bit

 Các đờng điều khiển:

„ Tín hiệu chọn chip: CS (Chip Select)/CE

„ Tín hiệu điều khiển đọc: RD / OE

„ Tín hiệu điều khiển ghi: WR / WE

VÝ dô: chip 16Mb DRAM (4M x 4 bit)

C¸c chip nhí (nh×n bªn ngoµi)

Tăng độ dài ngăn nhớ

 Ví dụ 1:

„ Cho chip nhớ SRAM: 8K x 4 bit

„ Hãy thiết kế modul nhớ 8K x 8 bit

H×nh vÏ (vÝ dô 1)

A0  A12 8K x 4 bit

Tăng độ dài ngăn nhớ

Bài toán tăng độ dài tổng quát:

 Cho chip nhớ 2n x m bit

 Cần thiết kế modul nhớ 2n x (k.m) bit

 Cần ghép nối k chip nhớ (k>=1)

T¨ng sè lîng ng¨n nhí

 VÝ dô 2:

„ Cho chip nhí SRAM: 4K x 4 bit

„ H·y thiÕt kÕ modul nhí 8K x 4 bit

T¨ng sè lîng ng¨n nhí

 Bµi to¸n t¨ng sè lîng tæng qu¸t:

 Cho chip nhí 2n x m bit

 CÇn ghÐp nèi modul nhí: 2k+n x m bit

 CÇn ghÐp nèi 2k chip

vµ ph¶i dïng bé gi¶i m· k: 2k (k  2k)

Tăng số lợng và độ dài ngăn nhớ

 Ví dụ 3:

„ Cho chip nhớ SRAM: 8K x 4 bit

„ Hãy thiết kế modul nhớ 16K x 8 bit

Tăng số lợng và độ dài ngăn nhớ

 Bài toán tăng số lợng và độ dài tổng quát:

 Cho chip nhớ 2n x m bit

 Cần ghép nối modul nhớ: 2p+n x (q.m) bit

 Cần ghép nối q.2p chip thành 2p bộ, mỗi bộ q

chip và phải dùng bộ giải mã p: 2p (p  2p)

5 Bộ nhớ chính

 Các đặc trng cơ bản

„ Chứa các chơng trình đang thực hiện và các dữ liệu đang đợc sử dụng

„ Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính

„ Đợc đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU: có nhiều ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ đợc gán một địa chỉ xác

định

„ Việc quản lý lôgic BNC tùy thuộc vào từng HĐH

„ Về nguyên tắc, ngời lập trình có thể can thiệp trực tiếp vào toàn bộ BNC của máy tính

6 Bộ nhớ cache

 Nguyên tắc chung

 Các kỹ thuật ánh xạ địa chỉ

 Các thuật toán thay thế

 Hoạt động của cache

 Bài tập

Nguyên tắc chung

 Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính

 Cache đợc đặt giữa CPU và bộ nhớ chính

nhằm tăng tốc độ truy nhập bộ nhớ của CPU

 Cache có thể đợc đặt trên chip CPU

Các khái niệm

 Cache hit, cache miss:

mà từ nhớ đó đang có trong cache

mà từ nhớ đó không có trong cache

 Nguyên lý định vị tham số bộ nhớ:

„ Định vị về thời gian : Một mục thông tin vừa đợc truy nhập thì có xác suất lớn là ngay sau đó nó đợc truy nhập lại

„ Định vị về không gian : Một mục thông tin vừa đợc truy nhập thì có xác suất lớn là ngay sau đó các mục lân cận

sẽ đợc truy nhập

 Mỗi Line trong cache đợc gắn thêm một Tag

để xác định Block nào (của BNC) đang ở

trong Line

.

Các kỹ thuật ánh xạ địa chỉ

 Ánh xạ trực tiếp (direct mapping)

 Ánh xạ liên kết hoàn toàn

(fully associative mapping)

 Ánh xạ liên kết tập hợp

(set associative mapping)

Ánh xạ trực tiếp

 Mỗi Block của BNC chỉ đợc ánh xạ vào một

Line duy nhất:

i = j mod m

„ i: số hiệu Line trong cache

„ j: số hiệu Block trong BNC

„ m: số lợng Line trong cache

 Cụ thể: B0  L0 Bm  L0

B1  L1 Bm+1  L1

Ánh xạ trực tiếp

 Khi đó, địa chỉ do CPU phát ra gồm 3 trờng:

„ Word: xác định số hiệu ngăn nhớ trong Block

 Block (Line) có 2w ngăn nhớ

„ Line: xác định số hiệu Line trong cache

 Cache có 2r Line, cache chứa 2r + w ngăn nhớ

„ Tag: xác định Block nào đang ở trong Line

 BNC chứa 2(s - r) + r + w = 2s + w ngăn nhớ

Ví dụ 1

 Cho máy tính có dung lợng:

„ BNC = 128 MB, cache = 256 KB, line = 32 byte,

„ Độ dài ngăn nhớ = 1 byte

Tìm dạng địa chỉ do BXL phát ra?

 Giải: Ta có:

„ BNC = 128 MB = 27 * 220 byte = 227 byte

„ Cache = 256 KB = 28 * 210 byte = 218 byte

„ Line = 32 byte = 25 byte  w = 5

„ Số lợng Line trong cache: 218/25 = 213  r = 13

„ Số bit của phần Tag: 27 - 13 - 5 = 9, s - r = 9

5

13

9

VÝ dô 2

 Cho m¸y tÝnh cã dung lîng:

„ BNC = 256 MB, cache = 64 KB, line = 16 byte,

„ Sè lîng Line trong cache: 214/22 = 212  r = 12

„ Sè bit cña phÇn Tag: 26 - 12 - 2 = 12, s - r = 12

2

12

12

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 Ưu điểm:

„ Dễ thực hiện, vì một Block đợc ánh xạ cố định

vào một Line  không cần thuật toán chọn Line

„ Thiết kế mạch đơn giản

 Nhợc điểm:

„ Tỉ lệ cache hit thấp

Ánh xạ liên kết hoàn toàn

 Mỗi Block trong BNC đợc ánh xạ vào một Line bất

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 Ưu điểm:

„ Tỉ lệ cache hit cao hơn ánh xạ trực tiếp vì một

Block đợc phép vào một Line bất kỳ

 Nhợc điểm:

„ Thiết kế mạch tơng đối phức tạp, thể hiện ở

mạch so sánh

Ánh xạ liên kết tập hợp

 Cache đợc chia thành nhiều Set , mỗi Set gồm nhiều Line liên tiếp

 Một Block của BNC chỉ đợc ánh xạ vào một

vào Line bất kỳ trong set đó:

i = j mod v

„ i: số hiệu Set trong cache

„ j: số hiệu Block trong BNC

„ v: số lợng Set trong cache

Ví dụ 1

 Cho máy tính có dung lợng:

„ BNC = 512 MB, cache = 128 KB, line = 32 byte,

„ Set = 8 Line, độ dài ngăn nhớ = 1 byte

Tìm dạng địa chỉ do BXL phát ra?

 Giải: Ta có:

„ BNC = 512 MB = 229 byte; Cache = 128 KB = 217 byte

„ Line = 2 5 byte  w = 5

„ Dung lợng Set: 23 * 25 = 28 byte

„ Số bit của phần Tag: 29 - 9 - 5 = 15, s - d = 15

5

9

15

Ví dụ 2

 Cho máy tính có dung lợng:

„ BNC = 256 MB, cache = 128 KB, line = 64 byte,

„ Set = 4 Line, độ dài ngăn nhớ = 4 byte

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 Ưu điểm:

„ Tỉ lệ cache hit cao vì một Block đợc phép vào

một Line bất kỳ trong Set, và dễ so sánh

„ Đây là kỹ thuật ánh xạ tốt nhất trong 3 kỹ thuật

 Nhợc điểm:

„ Thiết kế mạch phức tạp

Các thuật toán thay thế

 Kỹ thuật ánh xạ trực tiếp: Không thay đợc

 Hai kỹ thuật ánh xạ liên kết: có 4 thuật toán

 Dễ thực hiện, nhanh nhất, tỉ lệ cache hit thấp

„ FIFO (First In - First Out): thay Block ở đầu tiên trong số các Block đang có trong cache

 tỉ lệ cache hit không cao

„ LFU (Least Frequently Used): thay Block đợc dùng với tần suất ít nhất  tỉ lệ cache hit tơng đối cao

„ LRU (Least Recently Used): thay Block đợc dùng gần

đây ít nhất  tỉ lệ cache hit cao

Hoạt động của cache

 Đọc:

„ Nếu cache hit: đọc ngăn nhớ từ cache

„ Nếu cache miss: thay Block  cache hit

 Ghi:

„ Nếu cache hit: có 2 phơng pháp:

 Write through: ghi dữ liệu vào cả cache và cả BNC

Hoạt động của cache

a) Write Through

b) Write Back

Ví dụ cache trên các bộ xử lý Intel

 80386: không có cache trên chip

 80486: „ 8KB, kích thớc Line: 16 byte

„ ánh xạ liên kết tập hợp 4 đờng

 Pentium: có hai cache L1 trên chip

„ Cache lệnh: 8KB, cache dữ liệu: 8KB:

 Petium 4: cache L1 (2 loại) và L2 trên chip:

„ Cache L1: + Mỗi cache: 8KB, kích thớc Line: 64 byte

+ ánh xạ liên kết tập hợp 4 đờng

„ Cache L2: + 256KB, kích thớc Line: 128 byte

+ ánh xạ liên kết tập hợp 8 đờng

Các đặc tính của đĩa từ

 Đầu từ cố định hay chuyển động

 Đĩa cố định hay thay đổi

Mặt đĩa

Khu«n d¹ng cña mét r·nh (track)

Nhiều đĩa

Cylinders

 Thời gian trễ

„ Chờ đến khi dữ liệu nằm ngay dới đầu từ

Đĩa mềm

ổ đĩa mềm

§Üa cøng

§Üa

Trôc quay CÇn mang ®Çu tõ

RAID

 Redundant Array of Independent Disks

 Có 7 loại RAID (RAID 0  RAID 6)

 Không phân cấp RAID

 Tập hợp nhiều đĩa vật lý đợc HĐH coi nh một đĩa (logic) duy nhất

 Dữ liệu đợc phân bố trên nhiều đĩa vật lý khác nhau

 Dung lợng RAID lên tới hàng nghìn GB

 Do dung lợng lớn  cần có một phần đĩa dùng để

lu trữ thông tin an toàn

RAID 0

 Không có phần d thừa (thông tin an toàn)

 Dữ liệu đợc chứa trong các strip

 Tăng tốc độ:

„ Dữ liệu không chứa trên cùng một đĩa

„ Các đĩa tìm kiếm theo cơ chế song song

ánh xạ dữ liệu đối với RAID 0

RAID 1

 Dùng kỹ thuật mirroring (n + n đĩa)

 Dữ liệu đợc chứa trong các strip, đợc nhân thành 2 bản chứa trên 2 đĩa khác nhau

 Khi đọc: bất kỳ bản nào; Khi ghi: ghi vào cả hai bản

 Khi bị lỗi: đọc từ bản kia và nhân bản lại

 Giá thành đắt

RAID 2

 Dùng (n + m) đĩa: n đĩa dữ liệu, m đĩa mã Hamming

 Các strip rất bé: khoảng 1 hoặc 2 byte

 Việc sửa lỗi đợc tính dựa theo các bit tơng ứng trên các đĩa

 Nhiều đĩa chứa mã Hamming để sửa lỗi ở các vị trí tơng ứng

 Nhiều phần d thừa: đắt; không phổ dụng

RAID 3

 Tơng tự RAID 2, nhng phần thông tin an toàn chỉ dùng

1 đĩa

 Chỉ dùng 1 bit parity cho tập các bit dữ liệu tơng ứng

 Dữ liệu bị lỗi đợc khôi phục lại nhờ phần dữ liệu “còn sống” và thông tin parity:

1 + 3 + 8 + ? = 20  ? = 7

 Tốc độ truyền dữ liệu nhanh

RAID 4

 Mỗi đĩa hoạt động độc lập

 Thích hợp với truyền dữ liệu tốc độ cao

§Üa quang CD-ROM

Hoạt động của đĩa CD

Nhãn đĩa Tầng bảo vệ (axit acrylic)

Tầng phản xạ (nhôm) Lớp polycarbonate (plastic)

Đĩa CD-ROM, dung l-ợng 682 MB

Các tiêu điểm laser trên các hốc polycarbonate ở phía tr-ớc tầng phản xạ

Axit acrylic bảo vệ

„ Rãnh (xoáy ốc) dài khoảng 5,27 km

„ Thời gian đọc cần 4391giây = 73,2 phút

„ Tốc độ đọc cơ sở: 150KB/s

 Các tốc độ khác là bội số, ví dụ: 48x, 52x,

Khu«n d¹ng CD-ROM

 Mode 0: trêng d÷ liÖu trèng

 Mode 1: 2048 byte d÷ liÖu + söa lçi

 Mode 2: 2336 byte d÷ liÖu

„ Hầu hết tơng thích với ổ đĩa CD-ROM

„ Thay đổi pha

 Dùng vật liệu có hai hệ số phản xạ khác nhau thuộc hai pha khác nhau

Các bộ nhớ quang khác

 DVD

„ Digital Video Disk: chỉ dùng trên ổ đĩa xem video

„ Digital Versatile Disk: dùng trên ổ máy tính

„ Ghi một hoặc hai mặt

Đĩa DVD, hai mặt, hai tầng, dung l-ợng: 17 GB