Bài giảng kiến trúc máy tính chương 5 phan trung kiên

Các đặc trưng của hệ thống nhớ Đơn vị truyền unit of transfer • Truyền theo từ nhớ • Truyền theo khối nhớ  Phương pháp truy nhập access method • Truy nhập tuần tự băng từ • Truy nhập

Kiến trúc máy tính

Chương 5

TÍNH

Nội dung chương 5

Phan Trung Kiên 3

 Dung lượng (capacity)

• Độ dài ngăn nhớ (đơn vị là bit)

• Số lượng ngăn nhớ

Các đặc trưng của hệ thống nhớ

 Đơn vị truyền (unit of transfer)

• Truyền theo từ nhớ

• Truyền theo khối nhớ

 Phương pháp truy nhập (access

method)

• Truy nhập tuần tự (băng từ)

• Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang)

• Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ trong)

• Bộ nhớ khả biến / không khả biến

• Bộ nhớ xóa được / không xóa được

Phân cấp hệ thống nhớ

Từ trái sang phải:

Tập

thanh

ghi

Cache L1

Cache L2

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ ngoài

Bộ xử lý

Bộ nhớ bán dẫn

 Phân loại

 Tổ chức chip nhớ bán dẫn

 Thiết kế các modul nhớ bán dẫn

Bộ nhớ bán dẫn

Khả biến Bằng điện,

Random Access

Bằng điện, từng khối

Bộ nhớ đọc - ghi

Flash memory

Bằng điện, mức từng byte

Electrically Erasable

PROM (EEPROM)

Bằng tia cực tím, cả chip

Bộ nhớ hầu như chỉ đọc

Mặt nạ

Không xóa được

Bộ nhớ chỉ đọc

Read Only Memory

(ROM)

Tính thay đổi

Cơ chế ghi

Khả năng xóa

Tiêu chuẩn Kiểu bộ nhớ

ROM (Read Only Memory)

 Là loại bộ nhớ không khả biến

 Lưu trữ các thông tin:

• Thư viện các chương trình con

• Các chương trình hệ thống (BIOS)

• Các bảng chức năng

• Vi chương trình

Các kiểu ROM

 ROM mặt nạ (ROM cố định):

 PROM (Programmble ROM):

trình, chỉ ghi được một lần

 EPROM (Erasable PROM):

trình, ghi được nhiều lần

• Ghi lâu hơn đọc

 Flash memory (bộ nhớ cực nhanh)

• Ghi theo khối

• Xóa bằng điện

RAM (Random Access Memory)

 Bộ nhớ đọc / ghi

 Lưu trữ thông tin tạm thời

 Có hai loại RAM:

• SRAM (Static RAM)

• DRAM (Dynamic RAM)

Ví dụ về DRAM

Tổ chức ô nhớ

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

 Các tín hiệu:

.

Các tín hiệu của chip nhớ

 Các đường địa chỉ: A0  An - 1  có 2n

ngăn nhớ.

 Các đường dữ liệu: D0  Dm - 1  độ

dài ngăn nhớ là m bit.

 Dung lượng chip nhớ: 2n x m bit

 Các đường điều khiển:

• Tín hiệu chọn chip: CS (Chip Select)

• Tín hiệu điều khiển đọc: RD / OE

• Tín hiệu điều khiển ghi: WR / WE

Tổ chức của DRAM

 Dùng n đường địa chỉ dồn kênh 

cho phép truyền 2n bit địa chỉ

 Tín hiệu chọn địa chỉ hàng RAS (Row

Address Select)

 Tín hiệu chọn địa chỉ cột CAS

(Column Address Select)

 Dung lượng của DRAM: 22n x m bit

Ví dụ: chip 16Mb DRAM (4M x 4 bit)

Các chip nhớ (nhìn bên ngoài)

Thiết kế modul nhớ bán dẫn

 Dung lượng chip nhớ là 2n x m bit

 Cần thiết kế để tăng dung lượng:

• Tăng độ dài ngăn nhớ (tăng m)

• Tăng số lượng ngăn nhớ (tăng n)

• Kết hợp cả hai loại (tăng m và n)

Tăng độ dài ngăn nhớ

 Ví dụ 1:

D0  D3

D4  D7

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

Tăng số lượng ngăn nhớ

 Ví dụ 2:

Hình vẽ (ví dụ 2)

A0  A11

D0  D3CS

WE OE

A0  A11

D0  D3CS

WE OE

1 1

X

1

1 0

0 1

A Y0

G Y1

A12

D0  D3CS

Tăng số lượng ngăn nhớ

 Bài toán tăng số lượng tổng quát:

 Cho chip nhớ 2n x m bit

 Cần ghép nối modul nhớ: 2k+n x m bit

 Cần ghép nối 2k chip và phải dùng

bộ giải mã k: 2k (k  2k)

Tăng số lượng và độ dài ngăn nhớ

 Ví dụ 3:

Hình vẽ (ví dụ 3)

A0A12

D0D3CS

WE OE

A0A12

D0D3CS

WE OE

A0A12

D0D3CS

WE OE

A0A12

D0D3CS

Tăng số lượng và độ dài ngăn nhớ

 Bài toán tăng số lượng 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)

Bộ nhớ chính

 Các đặc trưng cơ bản

nhiều ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ được gán một

HĐH

.

.

Bank 3

3 7 11 15

4n+3 Địa chỉ

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 được đặt giữa CPU và bộ nhớ

chính nhằm tăng tốc độ truy nhập bộ nhớ

của CPU

 Cache có thể được đặt trên chip CPU

Các khái niệm

• Cache hit (trúng cache): khi CPU truy nhập một từ

• Cache miss (trượt cache): khi CPU truy nhập một từ

• Định vị về thời gian : Một mục thông tin vừa được truy

nhập lại.

lân cận sẽ được truy nhập.

Các khái niệm

 Trao đổi thông tin giữa cache và BNC:

• Cache được chia thành các Line nhớ

 Mỗi Line trong cache được 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

Line duy nhất:

i = j mod m

• i: số hiệu Line trong cache

Bm-1  Lm-1 B2m-1  Lm-1

Ánh xạ trực tiếp

• Line : xác định số hiệu Line trong cache

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

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

Ví dụ 1

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

• Độ dài ngăn nhớ = 1 byte.

 Giải: Ta có:

• BNC = 128 MB = 2 7 * 2 20 byte = 2 27 byte

• Cache = 256 KB = 2 8 * 2 10 byte = 2 18 byte

• Số lượng Line trong cache: 2 18 /2 5 = 2 13  r = 13

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

513

9

Ví dụ 2

210

14

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 Ưu điểm:

• Dễ thực hiện, vì một Block được ánh xạ

thuật toán chọn Line.

• Thiết kế mạch đơn giản

 Nhược điểm:

• Tỉ lệ cache hit thấp

ánh xạ liên kết hoàn toàn

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 Ưu điểm:

• Tỉ lệ cache hit cao hơn ánh xạ trực tiếp

vì một Block được phép vào một Line

 Nhược điểm:

• Thiết kế mạch tương đối phức tạp, thể

hiện ở mạch so sánh

i = j mod v

Ánh xạ liên kết tập hợp

 Khi đó, địa chỉ do BXL phát ra gồm:

Ví dụ 1

• Line = 2 5 byte  w = 5

• Dung lượng Set: 2 3 * 2 5 = 2 8 byte

 số lượng Set trong Cache: 2 17 /2 8 = 2 9  d = 9

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

59

15

Ví dụ 2

Sơ đồ thực hiện

Nhận xét

 ưu điểm:

• Tỉ lệ cache hit cao vì một Block được

phép vào một Line bất kỳ trong Set, và

Phan Trung Kiên 59

Các thuật toán thay thế

 Kỹ thuật ánh xạ trực tiếp: Không thay được

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

• Random: thay ngẫu nhiên một Block cũ nào đó

Hoạt động của cache

 Đọc:

 Ghi:

BNC

(trong cache) được ghi bị thay đi  ghi vào BNC

Hoạt động của cache

a) Write Through

b) Write Back

Ví dụ cache trên các bộ xử lý Intel

Các đặc tính của đĩa từ

 Đầu từ cố định hay chuyển động

 Đĩa cố định hay thay đổi

Mặt đĩa

Khuôn dạng của một rãnh (track)

Nhiều đĩa

Cylinders

Đĩa mềm

Ổ đĩa mềm

Đĩa cứng

Đĩa

Trục quay Cần mang đầu từ

Cơ cấu chuyển động

 Re dundant Ar ray of In dependent Di sks

 Có 7 loại RAID (RAID 0  RAID 6)

 Không phân cấp RAID

 Tập hợp nhiều đĩa vật lý được HĐH coi như một đĩa (logic) duy nhất

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

 Dung lượng RAID lên tới hàng nghìn GB

 Do dung lượng lớn  cần có một phần

ánh xạ dữ liệu đối với RAID 0

RAID 1

bản

RAID 2

RAID 4

RAID 5

 Tương tự RAID 4, nhưng parity được phân bố đều trên các đĩa  tránh được tắc nghẽn trên đĩa parity.

 Thường được dùng trong các server mạng

Đĩa quang CD-ROM

 Dung lượng thông dụng: 650MB 

700MB

polycarbonate, bên dưới tráng lớp có khả

năng phản xạ cao, thường là nhôm

 Dữ liệu được lưu trữ nhờ các hốc (pit) và

phần bằng (land)

 Đọc dữ liệu dựa vào sự phản xạ tia laser

Hoạt động của đĩa CD

Nhãn đĩa Tầng bảo vệ (axit acrylic)

Gửi/nhận tia laser

Vận tốc đĩa CD-ROM

 Đĩa nhạc có vận tốc đơn

-Constant Linier Velocity)

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

Khuôn dạng CD-ROM

 Mode 0: trường dữ liệu trống

 Mode 1: 2048 byte dữ liệu + sửa lỗi

 Mode 2: 2336 byte dữ liệu

• Hầu hết tương thích với ổ đĩa CD-ROM

• Thay đổi pha

nhau thuộc hai pha khác nhau

Các bộ nhớ quang khác

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

• Digital Versatile Disk: dùng trên ổ máy tính

Flash disk

 Kết nối qua cổng USB

 Không phải dạng đĩa

 Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory)

 Dung lượng tăng nhanh

 Thuận tiện

 Băng audio số (DAT)

Phan Trung Kiên 91

Hệ thống nhớ trên PC hiện nay

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

 Bộ nhớ chính: tồn tại dưới dạng các

mô-đun nhớ RAM

• SIMM – Single Inline Memory Module

• DIMM - Dual Inline Memory Module

• RIMM – Rambus DRAM

Hệ thống nhớ trên PC (tiếp)

 ROM BIOS chứa các chương trình sau:

 CMOS RAM:

 Video RAM: quản lý thông tin của màn hình

 Các loại bộ nhớ ngoài

Kiến trúc máy tính

HẾT CHƯƠNG 5

Bài tập

bit

bit

bit

Bài tập

 Bài 5: Cho IC nhớ có dung lượng 4K x 8 bit Chỉ dùng Bộ giải mã 3: 8, hãy thiết kế

modul nhớ có dung lượng 8K x 8 bit

 Bài 6: Cho IC nhớ có dung lượng 2K x 8 bit Chỉ dung Bộ giải mã 3:8, hãy thiết kế

modul nhớ có dung lượng 8K x 8 bit

 Bài 7: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x 8 bit Chỉ dùng Bộ giải mã 1:2, hãy thiết kế

modul nhớ có dung lượng 32K x 8bit

Bài tập

 Bài 8: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x 8 bit Chỉ dùng Bộ giải mã 1:2, hãy thiết kế

modul nhớ có dung lượng 64K x 32 bit

 Bài 9: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x 4

bit Chỉ dùng Bộ giải mã 2:4, hãy thiết kế

modul nhớ có dung lượng 64K x 4 bit