Giáo trình kiến trúc máy tính phần 2 ths võ đức khánh

CHƯƠNG Bộ nhớ máy tính 4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH  Các đặc trưng hệ thống nhớ Các đặc trưng hệ thống nhớ máy tính bao gồm: - Vò trí (CPU, nội – chính, ngoại – phụ) - Dung lượng (kích thước word, số lượng word) - Đơn vò truyền (word, khối) - Phương thức truy cập (tuần tự, trực tiếp, ngẫu nhiên, liên kết) - Hiệu suất (thời gian truy cập, chu kỳ thời gian, tốc độ truyền) - Kiểu vật lý (bán dẫn, bề mặt từ hóa) - Đặc tính vật lý (khả biến/bất biến, xóa được/không xóa được) - Cách tổ chức Các mục tiếp sau trình bày cách chi tiết ý nghóa tầm quan trọng đặc trưng nói Vò trí Bộ nhớ máy tính bao gồm hai loại nhớ Bộ nhớ máy tính thường đề cập đến nhớ Bộ nhớ máy tính gồm thiết bò lưu trữ ngoại vi, đóa băng từ, vốn truy cập CPU thông qua điều khiển nhập/xuất 38 Dung lượng 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 có dung lượng biểu thò theo byte Đơn vò truyền Với nhớ trong, đơn vò truyền với số đường liệu vào/ra khỏi module nhớ Giá trò thường với độ dài word, không Để hiểu rõ khái niệm này, xem xét ba khái niệm có liên quan đến nhớ trong: - Word: Đơn vò tự nhiên tổ chức máy tính Kích thước word thường với số bit sử dụng để biểu diễn số hay độ dài thò Tuy nhiên có nhiều ngoại lệ Lấy ví dụ, máy CRAY-1 có độ dài word 64 bit có biểu diễn số nguyên 24 bit Máy VAX có nhiều loại độ dài thò dạng bội số byte, có kích thước word 32 bit - Các đơn vò khả đònh đòa chỉ: Trong nhiều hệ thống, đơn vò khả đònh đòa word Mặc dù vậy, có số hệ thống cho phép đònh đòa mức byte Trong trường hợp, mối quan hệ độ dài A đòa số N đơn vò khả đònh đòa 2A = N - Đơn vò truyền: Đối với nhớ chính, số bit đọc/ghi vào nhớ thời điểm Đơn vò truyền không thiết word hay đơn vò khả đònh đòa Với nhớ ngoài, liệu thường truyền theo đơn vò lớn nhiều so với word gọi khối Phương thức truy cập 39 Đây yếu tố rõ giúp phân biệt kiểu nhớ Có bốn loại phương thức truy cập: - Truy cập tuần tự: Bộ nhớ tổ chức thành đơn vò liệu gọi ghi Việc truy cập phải thực theo dãy tuyến tính cụ thể Thông tin đòa lưu trữ dùng để phân tách ghi hỗ trợ trình tìm kiếm lấy thông tin Một phận đọc/ghi dùng chung sử dụng Bộ phận phải di chuyển từ vò trí thời đến vò trí yêu cầu, quét qua từ chối ghi trung gian Do đó, thời gian để truy cập ghi tùy ý biến đổi cao Các đơn vò băng từ, thảo luận chương 5, đơn vò có dạng truy cập - Truy cập trực tiếp: Cũng với truy cập tuần tự, truy cập trực tiếp bao gồm việc dùng chung phận đọc/ghi Tuy nhiên, khối hay ghi riêng lẻ có đòa dựa vò trí vật lý Việc truy cập thực thông qua truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để đến vò trí cuối Một lần nữa, thời gian truy cập biến đổi Các đơn vò đóa trình bày chương đơn vò truy cập trực tiếp - Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vò trí khả đònh đòa nhớ có motä chế đònh đòa vật lý Thời gian truy cập vò trí cho trước độc lập với dãy truy cập trước không thay đổi Do đó, vò trí chọn ngẫu nhiên đònh đòa truy cập trực tiếp Các hệ thống nhớ truy cập ngẫu nhiên - Liên kết: Đây kiểu truy cập ngẫu nhiên nhớ cho phép thực việc so sánh vò trí bit có yêu cầu word phục vụ cho việc đối sánh đặc biệt đó, 40 thực thao tác lúc cho tất word Do word trích dựa phần nội dung dựa đòa Tương tự với phương thức truy cập ngẫu nhiên thông thường, vò trí nhớ có chế đònh đòa riêng, thời gian lấy thông tin không đổi, độc lập với vò trí khuôn dạng truy cập trước Bộ nhớ cache, đề cập đến mục 4.3 tận dụng cách truy cập liên kết Đứng quan điểm người sử dụng, hai đặc trưng quan trọng nhớ dung lượng hiệu suất vận hành Có ba tham số hiệu suất sử dụng: - Thời gian truy cập: Đối với nhớ truy cập ngẫu nhiên, thời gian cần thiết để thực thao tác đọc hay ghi, tức thời gian từ lúc đòa có mặt nhớ lúc liệu lưu trữ xong sẵn sàng để sử dụng Với nhớ truy cập không ngẫu nhiên, thời gian truy cập thời gian cần để đònh vò phận đọc/ghi vò trí yêu cầu - Thời gian chu kỳ nhớ: Khái niệm chủ yếu áp dụng cho nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm thời gian truy cập cộng với thời gian phụ thêm yêu cầu trước truy cập thứ hai thực Phần thời gian phụ thêm yêu cầu nhằm phát sinh liệu chúng đọc cách không loại trừ - Tốc độ truyền: Đây tốc độ truyền liệu vào/ra đơn vò nhớ Với nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trò 1/(Thời gian Chu kỳ) Với nhớ truy cập không ngẫu nhiên, quan hệ sau trì: TN = TA + N/R 41 Trong đó: TN = thời gian trung bình để đọc/ghi N bit TA = thời gian truy cập trung bình N = số bit R = tốc độ truyền, theo đơn vò bit/giây (bps) Kiểu vật lý Hiện có hai kiểu vật lý phổ biến nhớ bán dẫn, sử dụng công nghệ LSI hay VLSI, nhớ với bề mặt từ hóa, dùng cho đóa băng từ Đặc tính vật lý Nhiều đặc tính vật lý lưu trữ liệu quan trọng Trong nhớ khả biến, thông tin phân rã cách tự nhiên bò nguồn điện bò tắt Trong nhớ bất biến, thông tin ghi lưu giữ mà không bò thoái hóa Các nhớ có bề mặt từ hóa thuộc loại bất biến Bộ nhớ bán dẫn khả biến bất biến Bộ nhớ xóa thay đổi được, ngoại trừ việc phá hủy đơn vò lưu trữ Bộ nhớ bán dẫn kiểu biết đến với tên gọi nhớ đọc (ROM) Cách tổ chức Ở cách xếp vật lý bit để tạo thành word Cách xếp hiển nhiên lúc sử dụng, đề cập đến phần  Sự phân cấp nhớ Một phân cấp nhớ kiểu mẫu hình 4.1 Khi từ xuống sơ đồ phân cấp này, kiện sau xảy ra: 42 a b c d Giảm phí tổn cho bit Tăng dung lượng Tăng thời gian truy cập Giảm tần số truy cập nhớ CPU Do nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, đắt tiền phụ trợ nhớ lớn hơn, chậm hơn, rẻ Chìa khóa cho thành công cách tổ chức yếu tố cuối cùng, tức giảm thiểu tần số truy cập 43 Hình 4.1 Sự phân cấp nhớ Nếu nhớ tổ chức theo mục từ a) đến c) trên, liệu với thò phân phối qua nhớ theo (d), cách trực quan cho thấy sơ đồ làm giảm phí tổn toàn thể trì mức độ hiệu suất cho trước Chúng ta đưa ví dụ đơn giản để minh họa cho điều 44 Hình 4.2 Sự vận hành nhớ hai cấp đơn giản Giả sử CPU có truy cập đến hai mức nhớ Mức gồm 1000 word thời gian truy cập 1s Mức gồm 100000 word có thời gian truy cập 10s Giả sử word truy cập mức CPU truy cập trực tiếp Nếu mức 2, word trước hết truyền sang mức sau truy cập CPU Để đơn giản, bỏ qua thời gian cần thiết để CPU xác đònh xem word mức hay Hình 4.2 cho thấy thời gian truy cập tổng cộng trung bình hàm phần trăm thời gian trường hợp word yêu cầu mức Như quan sát thấy, với phần trăm cao truy cập mức 1, thời gian truy cập tổng cộng trung bình gần nhiều so với mức 45 4.2 BỘ NHỚ CHÍNH BÁN DẪN  Các kiểu nhớ bán dẫn truy cập ngẫu nhiên Tất kiểu nhớ khảo sát phần thuộc loại truy cập ngẫu nhiên Tức word nhớ truy cập trực tiếp qua luận lý đònh đòa Các kiểu nhớ bán dẫn gồm có: - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) - Bộ nhớ đọc (ROM) - Bộ nhớ đọc khả trình (PROM) - Bộ nhớ đọc khả trình xóa (EPROM) - Bộ nhớ flash - Bộ nhớ đọc khả trình xóa mặt điện tử (EEPROM) Trong số kiểu nhớ nói trên, RAM loại nhớ phổ biến Một đặc tính bật RAM đọc liệu từ nhớ dễ dàng, nhanh chóng ghi liệu vào nhớ Cả việc đọc ghi thực thông quaviệc sử dụng tín hiệu điện tử Một đặc tính bật khác RAM khả biến Bộ nhớ RAM phải cung cấp nguồn điện không đổi Nếu nguồn điện bò ngắt, liệu Vì lý đó, RAM dùng làm nơi lưu trữ liệu tạm thời Công nghệ RAM chia thành hai nhóm: tónh động Một RAM động chế tạo với ô lưu trữ liệu cách tích điện tụ điện Sự tồn hay biến điện tích tụ điện thông dòch thành giá trò nhò phân Do tụ điện có khuynh hướng tự nhiên giải điện, RAM động cần làm tươi điện tích theo chu kỳ để trì liệu Trong RAM tónh, 46 giá trò nhò phân lưu trữ cách sử dụng cấu hình cổng luận lý mạch lật truyền thống Một RAM tónh lưu giữ liệu nguồn điện cung cấp cho Cả RAM tónh động khả biến Một ô nhớ động đơn giản ô nhớ tónh Do vậy, RAM động trù mật tiền RAM tónh tương ứng Mặt khác, RAM động đòi hỏi hỗ trợ làm tươi mạch Với lượng nhớ lớn hơn, phí tổn cố đònh cho việc làm tươi mạch đền bù nhiều phí tổn giành cho DRAM Như RAM động có khuynh hướng thích hợp cho yêu cầu nhớ lớn Điểm cuối cần lưu ý RAM tónh nói chung nhanh RAM động Trong mối tương phản rõ nét với RAM nhớ đọc (ROM) ROM bao gồm khuôn mẫu bền vững liệu thay đổi Trong đọc liệu từ ROM, việc ghi vào ROM liệu thực Một ứng dụng ROM vi lập trình Ngoài ứng dụng khác ROM gồm: - Các chương trình thư viện cho hàm thường xuyên sử dụng - Các chương trình hệ thống - Các bảng hàm Với yêu cầu có kích thước khiêm tốn, lợi điểm ROM liệu lưu trữ bền vững nhớ không cần phải tải lên từ thiết bò lưu trữ phụ Một ROM tạo chip mạch tích hợp thông thường với liệu đưa vào chip trình in mạch Điều dẫn đến hai toán: 47 Một dạng nhớ đọc khác lý thú nhớ đọc khả trình xóa điện tử (EEPROM) Với nhớ này, liệu ghi vào mà không cần phải tiến hành trình xóa trước Thao tác ghi nhiều thời gian so với thao tác đọc, vào khoảng vài trăm micro giây cho byte Bộ nhớ EEPROM kết hợp lợi điểm tính bất biến linh hoạt việc cập nhật chỗ cách sử dụng đường điều khiển, đường đòa chỉ, đường liệu thông thường EEPROM đắt nhiều so với EPROM trù mật hơn, hỗ trợ bit chip Dạng nhớ bán dẫn nhớ chớp (bộ nhớ đặt tên tốc độ tái lập trình cao nó) Được giới thiệu lần vào thập niên 80, nhớ chớp đóng vai trò trung gian EPROM EEPROM giá lẫn chức Giống EEPROM, nhớ chớp sử dụng công nghệ xóa điện tử Một nhớ chớp xóa vài giây, nhanh nhiều so với EPROM Ngoài ra, xóa khối nhớ cần thiết toàn chip Tuy nhiên, nhớ chớp không cung cấp khả xóa mức byte Giống EPROM, nhớ chớp sử dụng transistor cho bit, đạt độ trù mật cao (so với EEPROM) EPROM  Tổ chức Phần tử sở nhớ bán dẫn ô nhớ Mặc dù có nhiều công nghệ điện tử sử dụng, tất cảc ô nhớ bán dẫn có chung số tính chất sau: - Chúng thể hai trạng thái ổn đònh (hay bán ổn đònh) dùng để biểu thò hai giá trò - Chúng có khả cho phép ghi (ít lần) để thiết lập trạng thái 49 - Chúng có khả cho phép đọc để lấy trạng thái Một cách phổ biến, ô nhớ có ba phận cuối có khả mang tín hiệu điện tử Bộ phận chọn chọn ô nhớ cho thao tác đọc/ghi Bộ phận điều khiển thao tác đọc hay ghi Đối với thao tác ghi, phận cuối khác cung cấp tín hiệu điện tử cho phép thiết lập trạng thái ô nhớ thành hay Đối với thao tác đọc, phận cuối sử dụng trạng thái ô nhớ Các chi tiết tổ chức bên trong, chức năng, đònh thời ô nhớ phụ thuộc vào công nghệ mạch tích hợp cụ thể sử dụng vượt phạm vi giáo trình Chúng ta cần biết ô nhớ riêng lẻ chọn cho thao tác đọc ghi 4.3 BỘ NHỚ CACHE  Nguyên lý Bộ nhớ cache thiết kế với ý đònh 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 Khái niệm nhớ cache trình bày hình 4.3 Bộ nhớ cache chứa phần nhớ Khi CPU cố gắng đọc word từ nhớ, word kiểm tra xem có cache hay không Nếu có, word cung cấp cho CPU Trong trường hợp ngược lại, khối nhớ chính, bao gồm lượng cố đònh word đọc vào cache sau word 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 word khác khối 50 Hình 4.3 Cache nhớ Hình 4.4 thể cấu trúc hệ thống cache/bộ nhớ Bộ nhớ gồm đến 2n word khả đònh đòa chỉ, với word có đòa n bit Do yêu cầu ánh xạ, nhớ xem gồm số khối có độ dài cố đònh K word Tức có M = 2n/K khối Bộ nhớ cache gồm C khe K word, số khe, hay đường, nhỏ đáng kể so với số khối nhớ (C [...]... thường là một phần của đòa chỉ bộ nhớ chính của khối đang được giữ trong khe 51 Hình 4.4 Cấu trúc cache/bộ nhớ chính Hình 4.5 minh họa thao tác đọc CPU sinh ra đòa chỉ, RA, của một word cần đọc Nếu word có trong cache, nó sẽ được giao cho CPU Ngược lại, khối chứa word sẽ được tải vào trong cache, và word được giao cho CPU 52 Hình 4.5 Thao tác đọc cache 53 CHƯƠNG 5 BỘ NHỚ NGOÀI CỦA MÁY TÍNH 5.1 ĐĨA TỪ... chuyển dưới đầu đọc 5 .2 RAID Như đã thảo luận ở các phần trước, tốc độ cải tiến hiệu suất lưu trữ trên thiết bò ngoài kém hơn so với tốc độ cải tiến cho bộ xử lý và bộ nhớ chính Sự không đồng bộ này dẫn đến việc hệ thống lưu trữ đóa trở thành chủ đề chính trong sự cải tiến hiệu suất vận hành của toàn bộ hệ thống máy tính Cũng như với các yếu tố khác có ảnh hưởng đến sự vận hành của máy, các nhà thiết... bằng một ổ đóa khác Lợi ích của loại đóa có thể tháo rời là khả năng cung cấp một lượng dữ liệu không có giới hạn trên một hệ thống giới hạn các ổ đóa Hơn nữa đóa đó còn có thể di chuyển từ máy tính n ày sang máy tính khác Các mặt đóa Hầu hết các đóa đều có hai mặt trừ một số đóa loại cũ chỉ có một mặt Số các tấm đóa Một số ổ đóa cho phép xếp chồng nhiều đóa theo chiều thẳng đứng với nhiều tay đòn được... hệ phân cấp nhưng đònh ra những kiến trúc khác nhau có chung các đặc điểm sau: 1 RAID là tập hợp các ổ đóa vật lý được nhìn từ hệ điều hành như một ổ đóa logic đơn 2 Dữ liệu được phân bố trên mảng các ổ đóa vật lý 3 Dung lượng đóa dư thừa được sử dụng để lưu trữ thông tin chẵn lẻ nhằm bảo đảm khả năng phục hồi dữ liệu trong trường hợp có hư hỏng về đóa Các đặc điểm 2 và 3 thay đổi theo mức RAID RAID... 5 .2 và 5.3 cho thấy sáu sơ đồ RAID hỗ trợ yêu cầu về dữ liệu với bốn đóa và không triển khai tính dư thừa dữ liệu Nó chỉ ra sự khái quát về dữ liệu của người sử dụng và dữ liệu thừa, cũng như các yêu cầu lưu trữ quan hệ của nhiều mức khác nhau 61 Hình 5 .2 Các mức RAID 62 Hình 5.3 Các mức RAID (tiếp theo hình 5 .2) 63 ... sao của một ROM cụ thể sẽ được in ra Lỗi trong quá trình sản xuất là không thể chấp nhận được Chỉ cần một bit bò sai, toàn bộ lô ROM phải bò hủy bỏ Khi chỉ cần một lượng tương đối nhỏ ROM với nội dung bộ nhớ đặc biệt, một lựa chọn ít tốn kém hơn là ROM khả trình (PROM) Giống như ROM, PROM không khả biến và chỉ có thể ghi được đúng một lần Với PROM, quá trình ghi được thực hiện một cách điện tử và do một... EEPROM và bộ nhớ flash Bộ nhớ chỉ đọc khả trình xóa được bằng quang học (EPROM) được đọc/ghi một cách điện tử như với PROM Tuy nhiên, trước một thao tác ghi, tất cả các ô lưu trữ phải được xóa về trạng thái khởi động ban đầu bằng cách đưa chip đã đóng gói qua nguồn bức xạ tia cực tím Quá trình xóa này có thể được thực hiện lập đi lập lại, mỗi lần xóa mất khoảng 20 phút Do vậy, EPROM có thể thay đổi được... Một dạng bộ nhớ hầu như chỉ đọc khác lý thú hơn là bộ nhớ chỉ đọc khả trình xóa được bằng điện tử (EEPROM) Với bộ nhớ này, dữ liệu có thể được ghi vào mà không cần phải tiến hành quá trình xóa trước Thao tác ghi mất nhiều thời gian hơn so với thao tác đọc, vào khoảng vài trăm micro giây cho một byte Bộ nhớ EEPROM kết hợp lợi điểm của tính bất biến và sự linh hoạt trong việc cập nhật tại chỗ bằng cách... vượt quá phạm vi của giáo trình này Chúng ta chỉ cần biết các ô nhớ riêng lẻ có thể được chọn cho các thao tác đọc và ghi 4.3 BỘ NHỚ CACHE  Nguyên lý Bộ nhớ cache được thiết kế với ý đònh mang lại bộ nhớ có tốc độ xấp xỉ tốc độ của bộ nhớ nhanh nhất hiện có, đồng thời cung cấp một kích thước bộ nhớ lớn với phí tổn ít hơn so với các loại bộ nhớ bán dẫn Khái niệm về bộ nhớ cache được trình bày trên hình... khác trong cùng một khối 50 Hình 4.3 Cache và bộ nhớ chính Hình 4.4 thể hiện cấu trúc của một hệ thống cache/bộ nhớ chính Bộ nhớ chính gồm đến 2n word khả đònh đòa chỉ, với mỗi word có một đòa chỉ duy nhất n bit Do yêu cầu ánh xạ, bộ nhớ này được xem như gồm một số các khối có độ dài cố đònh K word Tức là chúng ta có M = 2n/K khối Bộ nhớ cache gồm C khe K word, và số các khe, hay đường, nhỏ hơn đáng ... chức máy tính Kích thước word thường với số bit sử dụng để biểu diễn số hay độ dài thò Tuy nhiên có nhiều ngoại lệ Lấy ví dụ, máy CRAY-1 có độ dài word 64 bit có biểu diễn số nguyên 24 bit Máy. .. nhớ đọc khả trình (PROM) - Bộ nhớ đọc khả trình xóa (EPROM) - Bộ nhớ flash - Bộ nhớ đọc khả trình xóa mặt điện tử (EEPROM) Trong số kiểu nhớ nói trên, RAM loại nhớ phổ biến Một đặc tính bật RAM... vào cache, word giao cho CPU 52 Hình 4.5 Thao tác đọc cache 53 CHƯƠNG BỘ NHỚ NGOÀI CỦA MÁY TÍNH 5.1 ĐĨA TỪ Đóa từ kim loại/nhựa hình tròn có bề mặt phủ vật liệu từ tính Dữ liệu ghi lên/đọc từ đóa