Kiến trúc máy tính là bộ môn trong nhiều ngành về phần cứng, slide bài giảng của Gv Nguyễn Thanh Đăng hy vọng sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ về môn Học kiến trúc máy tính, cũng như giúp các bạn sinh viên có tài liệu tham khảo từ đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh
CHƯƠNG : HỆ THỐNG BỘ NHỚ PHÂN CẤP GV.Ths : Nguyễn Thanh Đăng 5.1 Giới Thiệu : 5.2 Bộ nhớ Phân Cấp Và Các Khái Niệm : - Khả hiệu suất nhớ đại nhớ phân cấp Không phải tất nhớ tạo ngang nhau, số hiệu - Để giải chênh lệch này, ngày kết hợp kiểu nhớ để cung cấp hiệu suất cao với giá thành Cách tiếp cận gọi nhớ phân cấp Bộ nhớ nhanh giá thành cao - Việc sử dụng nhớ chia sẻ, với tốc độ truy cập dung lượng khác nhau, hệ thống máy tính nâng cao hiệu suất khả chúng khơng kết hợp loại khác lại Hệ thống nhớ phân cấp bao gồm: - Các ghi - Cache - Bộ nhớ nhớ phụ 1.DRAM : • DRAM cấu tạo từ tụ điện nhỏ , đòi hỏi cung cấp điện liên tục vài mili giây để trì liệu • Các loại DRAM: Multibank DRAM (MDRAM) : Fast-Page Mode (FPM) DRAM : Extended Data Out (EDO) DRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM) Burst EDO DRAM (BEDO DRAM) Synchronous-Link (SL) DRAM Double Data Rate (DDR) SDRAM Direct Rambus (DR) DRAM 2.SRAM : • SRAM bao gồm mạch tương tự nhanh đắt DRAM trì nội dung chừng có điện • Các loại SRAM: SRAM đồng SRAM khơng đồng pipeline burst SRAM • Tuy nhiên người thiết kế sử dụng DRAM lưu trữ nhiều bit chip, tiêu tốn điện năng, tỏa nhiệt SRAM • Vì lý đó, hai cơng nghệ kết hợp sử dụng: DRAM cho nhớ SRAM cho nhớ cache • Hoạt động tất nhớ DRAM tương tự nhau, có nhiều đặc thù 3.Flash : • Về mặt kỹ thuật nhớ flash dùng loại EEPROM mà đọc/ghi điện khơng liệu ngừng cung cấp điện Có kiểu nhớ flash tạo NAND NOR cấu thành từ cổng logic Bộ nhớ flash cấu thành từ phần tử (cell) nhớ riêng rẽ với đặc tính bên giống cổng logic tương ứng tạo nó; đó, ta thực thao tác đọc/ ghi, lưu trữ liệu theo phần tử (cell) nhớ • Khác với nhớ EPROMs phải xóa trước ghi lại, nhớ flash kiểu cổng NAND ghi đọc theo khối (block) trang (page) nhớ, nhớ flash kiểu cổng NOR đọc ghi cách độc lập theo từ (word) byte nhớ máy.[2] 5.5.1 Bộ nhớ ảo khái niệm(tt) • Xử lí lỗi trang: • Truy xuất đến trang đánh dấu bất hợp lệ làm phát sinh lỗi trang (page fault) Khi dò tìm bảng trang để lấy thơng tin cần thiết cho việc chuyển đổi địa chỉ, nhận thấy trang yêu cầu truy xuất bất hợp lệ, chế phần cứng phát sinh ngắt để báo cho hệ điều hành Hệ điều hành xử lý lỗi trang sau : Kiểm tra truy xuất đến nhớ hợp lệ hay bất hợp lệ Nếu truy xuất bất hợp lệ : kết thúc tiến trình Ngược lại : đến bước Tìm vị trí chứa trang muốn truy xuất đĩa Tìm khung trang trống nhớ : Nếu tìm thấy : đến bước 5.5.2 Tích hợp nhớ ảo, TLB nhớ đệm • Tổng quan nhớ ảo: • Bộ nhớ bao gồm: đệm, nhớ nhớ ảo đĩa cứng Bộ đệm lưu trữ thông tin thường xuyên sử dụng vùng nhớ để CPU xử lý Bộ đệm dùng nhiều cách ánh xạ, theo chế FIFO, LRU(rất tốt cho ứng dụng khó bổ sung) Một biện pháp thành công khác dùng nhớ ảo, nhớ ảo cho phép chạy chương trình mà địa ảo cần thiết lớn địa thật Cho phép nhiều tiến trình chạy lúc Trong TLB dùng để lưu trữ cặp địa ảo/thật sử dụng Bộ nhớ ảo chuyển đổi từ địa ảo sang địa thật, xử lý trang lỗi đĩa thay nhớ Ví dụ TLB 5.5.2 Tích hợp nhớ ảo, TLB nhớ đệm(tt) • Mối quan hệ nhớ nhớ ảo gần giống với quan hệ nhớ đệm Thực tế TLB đệm Một điều quan trọng để nhận thấy địa ảo phải chuyển dịch sang địa vật lý trước làm việc việc mà TLB làm Mặc dù đệm phân trang vùng nhớ gần giống đối tượng lại khác Bộ đệm tăng khả truy suất nhớ nhớ ngồi tăng kích cỡ nhớ 5.5.2 Tích hợp nhớ ảo, TLB nhớ đệm(tt) • Bộ nhớ đệm: Bộ xử lý máy tính nhanh liên tục đọc thơng tin từ nhớ có nghĩa phải chờ thơng tin đến thời gian truy cập nhớ chậm tốc độ xử lý Một nhớ đệm nhớ nhỏ, tạm thời nhanh, mà xử lý sử dụng để lấy thơng tin mà cần khơảng thời gian ngắn Có nhiều ví dụ xung quanh • Mục đích vùng đệm tăng tốc độ truy cập nhớ cách lưu trữ liệu cần sử dụng với CPU thay lưu nhớ Dù kích cỡ nhớ đệm khơng lớn nhớ nhanh VÍ DỤ TỔNG KẾT Các kỹ thuật hỗ trợ mơ hình tổ chức nhớ đại: - Swapping: sử dụng thêm nhớ phụ để lưu trữ tạm tiến trình bị khóa, nhờ tăng mức độ đa chương hệ thống với cấu hình máy có dung lượng nhớ thấp - Bộ nhớ ảo: sử dụng kỹ thuật phân trang theo yêu cầu, kết hợp thêm kỹ thuật swapping để mở rộng nhớ Tách biệt khơng gian địa khơng gian vật lý, nhờ xử lý chương trình có kích thước lớn nhớ vật lý thật • Khi cài đặt nhớ ảo, phải sử dụng thuật toán thay trang thích hợp để chọn trang bị chuyển tạm thời nhớ phụ, dành chỗ nhớ cho trang Các thuật tốn thay thường sử dụng FIFO, LRU thuật toán xấp xỉ LRU, thuật toán thống kê NFU, MFU • Khi mức độ đa chương tăng cao đến chừng mực đó, hệ thống lâm vào tình trạng trì trệ tất tiến trình thiếu khung trang Có thể áp dụng mơ hình working set để dành cho tiến trình đủ khung trang cần thiết thời điểm, từ ngăn chặn tình trạng trì trệ xảy BÀI TẬP 1/ Tính thời gian đọc ghi sector 512 byte đĩa cứng tiêu chuẩn có tốc độ 15.000 vòng/phút (RPM)? Biết theo thơng số từ nhà sản xuất thời gian tìm kiếm 5ms, tốc độ truyền liệu (transfer rate) 100MB/giây, thời gian phí tổn điều khiển 0.3 ms Giả sử đĩa trạng thái nghỉ, tức không cần phải chờ truy xuất khác • Thời gian truy cập sector tổng thời gian tìm kiếm, thời gian trễ xoay TB, thời gian chuyển liệu thời gian phí tổn điểu khiển • Thời gian tìm kiếm : 5ms • Thời gian trễ xoay trung bình(là thời gian đĩa xoay vòng): • Thời gian truyền liệu : 60s 103 ms 2ms 15000rpm 512byte 10 ms 0.0512ms 100 10 byte / s • Thời gian điều khiển : 0.3 ms • =>> Thời gian truy xuất sector trung bình: + + 0.0512 + 0.3 = 7.3512 ms 2/Tính độ tăng tốc (speed-up) xử lý với nhớ đệm hoàn hảo với xử lý sử dụng nhớ đệm mô tả Giả sử nhớ đệm lệnh có tỉ lệ trật 2.5% nhớ đệm liệu có tỉ lệ trật 6% CPI xử lý trường hợp tất truy xuất nhớ đệm trúng 2.0 lần chép khối từ nhớ đến nhớ đệm cần 100 chu kỳ Giả sử tỉ lệ đọc ghi nhớ 40% Ta có: Tỉ lệ trật nhớ đệm lệnh 2.5%.Và xảy lần trật xử lý cần tạm dừng 100 chu kỳ cho việc xử lý trật =>> số chu kỳ cần chờ việc thực chép liệu từ nhớ lên là: IC*2.5%*100 Ta có: Tỉ lệnh đọc ghi nhớ 40% tỉ lệ trật nhớ đệm liêu 6% =>> số chu kỳ chờ cho việc thực chép liệu từ nhớ lên là:IC*6%*40%*100 Vậy tổng số thời gian xử lý trường thời đệm khơng hồn hảo là: CPU time with stalls(**) = CPU time without stalls + Memory stalls time = IC* CPI prefect *clock cycle + clock cycle*Memory stall cycles =IC*2*clock cycle + clock cycle(IC*2.5%*100 + IC*6%*40%*100) =IC(2+2.5+2.4)* clock cycle =IC(6.9)*clock cycle Vậy tổng số thời gian xử lý chương trình trường thời đệm hoàn hảo là: CPU time with perfect cache (*)= IC* CPI prefect*clock cycle =IC* CPI prefect *2 Vậy độ tăng tốc là: CPU (**) 3.45 Speed-up = CPU (*) ... dụng máy tính Những hư hỏng thiết bị khác hệ thống máy tính sửa chữa thay được, liệu bị yếu tố hư hỏng phần cứng ổ đĩa cứng thường khó lấy lại 5. 4 Bộ nhớ đệm cách tổ chức nhớ đệm 5. 4.1 Bộ nhớ. . .5. 1 Giới Thiệu : 5. 2 Bộ nhớ Phân Cấp Và Các Khái Niệm : - Khả hiệu suất nhớ đại nhớ phân cấp Không phải tất nhớ tạo ngang nhau, số hiệu - Để giải chênh lệch này, ngày kết hợp kiểu nhớ để... nhớ để cung cấp hiệu suất cao với giá thành Cách tiếp cận gọi nhớ phân cấp Bộ nhớ nhanh giá thành cao - Việc sử dụng nhớ chia sẻ, với tốc độ truy cập dung lượng khác nhau, hệ thống máy tính nâng