Noùi caùch khaùc, ñoù laø caùc thuoäc tính coù aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán vieäc thöïc thi moät chöông trình, ví duï nhö taäp chæ thò cuûa maùy tính, soá bit ñöôïc söû duïng ñeå bieåu [r]
(1)Chương
Giới thiệu chung
1.1 Tổ chức kiến trúc máy tính 1.2 Cấu trúc chức máy tính 1.3 Cách tiếp cận giáo trình
Mơn học kiến trúc máy tính mơn học khảo sát cấu trúc chức máy tính Mơn học giúp học viên hiểu rõ chất đặc trưng hệ thống máy tính đại Đây nhiệm vụ có tính thách đố do:
Tính đa dạng máy tính thể giá cả, kích thước, khả vận hành & ứng dụng Máy tính ngày gồm nhiều chủng loại - từ máy đơn chip giá vài đô la siêu máy tính giá hàng triệu la - với kích thước, hiệu suất ứng dụng thay đổi phạm vi rộng lớn
Sự thay đổi nhanh chóng cơng nghệ máy tính, từ kỹ thuật mạch tích hợp dùng để
xây dựng nên thành phần máy tính việc gia tăng sử dụng khái niệm tổ chức song song việc kết hợp thành phần
Mặc dù có diện tính đa dạng tốc độ thay đổi cơng nghệ lĩnh vực máy tính, nhiều khái niệm áp dụng rộng khắp Trong giáo trình này, yếu tố kiến trúc tổ chức máy tính, mối quan hệ chúng nhiều tốn gặp phải thiết kế máy tính thảo luận chi tiết Chương trình bày cách tiếp cận mơ tả việc khảo sát hệ thống máy tính, qua cung cấp cho học viên tranh chung tổ chức giáo trình sử dụng cho mơn học kiến trúc máy tính
(2)Hai thuật ngữ tổ chức máy tính kiến trúc máy tính hai thuật ngữ cần phân biệt mơ tả hệ thống máy tính
Kiến trúc máy tính đề cập đến thuộc tính hệ thống mà lập trình viêncó thể quan sát Nói cách khác, thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi chương trình, ví dụ tập thị máy tính, số bit sử dụng để biểu diễn liệu, chế nhập/xuất, kỹ thuật định địa nhớ, v.v
Tổ chức máy tính quan tâm đến đơn vịvận hành kết nối chúng nhằm
hiện thực hóa đặc tả kiến trúc, chẳng hạn tín hiệu điều khiển, giao diện máy tính với thiết bị ngoại vi, kỹ thuật nhớ sử dụng, v.v Để minh họa rõ hai khái niệm này, xét đến phép toán nhân Việc máy tính có trang bị phép tốn hay khơng vấn đề thuộc kiến trúc máy tính Trong đó, việc cài đặt phép tốn thơng qua đơn vị nhân đặc biệt hay qua chế sử dụng lập lập lại đơn vị cộng hệ thống vấn đề thuộc tổ chức máy tính Ở chọn lựa sử dụng chế phụ thuộc vào yếu tố tần số sử dụng phép toán, tốc độ tương đối hai cách tiếp cận, giá kích thước vật lý đơn vị nhân đặc biệt
Kể từ lúc ngành cơng nghiệp máy tính đời nay, phân biệt kiến trúc tổ chức máy tính yếu tố quan trọng Nhiều hãng sản xuất máy tính cho đời họ máy khác tổ chức kiến trúc hoàn toàn giống Kết kiểu máy họ có giá hiệu suất vận hành khác Hơn nữa, kiến trúc máy tồn qua nhiều năm liền tổ chức máy dựa thay đổi theo bước tiến công nghệ Ở lấy ví dụ trường hợp kiến trúc máy IBM System/370 Kiến trúc giới thiệu lần đầu vào năm 1970 với số kiểu máy khác Khách hàng với nhu cầu khiêm tốn mua kiểu máy rẻ hơn, chậm nâng cấp lên kiểu máy đắt tiền hơn, nhanh nhu cầu sử dụng tăng lên Điểm quan trọng việc nâng cấp khách hàng bỏ phần mềm sử dụng máy cũ họ Trải qua năm tháng, hãng IBM cho đời thêm nhiều kiểu máy dựa công nghệ cải tiến nhằm thay kiểu máy lỗi thời, mang lại cho khách hàng lợi ích tốc độ chi phí thấp, bảo tồn đầu tư họ phần mềm nhờ có dùng chung kiến trúc máy cho tất kiểu máy họ Bằng cách tổ chức định hướng người sử dụng vậy, kiến trúc IBM System/370, qua vài tinh chỉnh không đáng kể, tồn ngày với vai trò cờ đầu dòng sản phẩm IBM
(3)chức mà dẫn đến đời kiến trúc mạnh hơn, phong phú Nói chung địi hỏi tính tương thích từ hệ sang hệ khác gay gắt máy nhỏ Do vậy, định thiết kế có tính kiến trúc thiết kế có tính tổ chức thường có tương tác lẫn
1.2 Cấu trúc & chức máy tính
Máy tính hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử sở Chìa khóa để mơ tả máy tính rõ ràng nhận thức chất phân cấp hầu hết hệ thống phức tạp Một hệ thống phân cấp tập hợp gồm hệ thống có liên quan với nhau, hệ thống lại có tính phân cấp cấu trúc, tiếp tục cấp thấp chứa hệ thống sở
Bản chất phân cấp hệ thống phức tạp giữ vai trị việc thiết kế mơ tả Tại cấp, hệ thống bao gồm tập hợp thành phần với mối liên hệ chúng Ở có hai yếu tố quan tâm đến cấu trúc chức năng:
Cấu trúc: cách thức thành phần hệ thống liên hệ với
Chức năng: hoạt động thành phần riêng lẻ với tư cách phần cấu trúc
1.2.1 Chức
Một cách tổng qt, máy tính thực bốn chức sau, thể hình 1.1:
(4)Hình 1.1 Các chức máy tính
Lưu trữ liệu: máy tính cần phải có khả lưu trữ liệu Ngay máy tính xử lý liệu, phải lưu trữ tạm thời thời điểm phần liệu xử lý Do cần có chức lưu trữ ngắn hạn Tuy nhiên, chức lưu trữ dài hạn có tầm quan trọng tương đương, liệu cần lưu trữ máy cho lần cập nhật tìm kiếm
Di chuyển liệu: máy tính phải có khả di chuyển liệu giới bên ngồi Khả thể thông qua việc di chuyển liệu máy tính với thiết bị nối kết trực tiếp hay từ xa đến Tùy thuộc vào kiểu kết nối cự ly di chuyển liệu, có tiến trình nhập xuất liệu hay truyền liệu:
Tiến trình nhập xuất liệu: thực di chuyển liệu cự ly ngắn máy tính thiết bị nối kết trực tiếp
Tiến trình truyền liệu: thực di chuyển liệu cự ly xa máy tính thiết bị nối kết từ xa
Điều khiển: bên hệ thống máy tính, đơn vị điều khiển có nhiệm vụ quản lý
tài ngun máy tính điều phối vận hành thành phần chức phù hợp với yêu cầu nhận từ người sử dụng
Tương ứng với chức tổng quát nói trên, có bốn loại hoạt động xảy gồm:
Máy tính dùng thiết bị di chuyển liệu, có nhiệm vụ đơn giản chuyển liệu từ phận ngoại vi hay đường liên lạc sang phận ngoại vi hay đường liên lạc khác [Hình 1.2 (a)]
(5)Máy tính dùng để lưu trữ liệu, với liệu chuyển từ mơi trường ngồi vào lưu trữ máy (quá trình đọc liệu) ngược lại (quá trình ghi liệu) [Hình 1.2 (b)]
Hình 1.2 (b) Máy tính – Thiết bị lưu trữ liệu
Máy tính dùng để xử lý liệu thông qua thao tác liệu lưu trữ [Hình 1.2 (c)] kết hợp việc lưu trữ liên lạc với môi trường bên ngồi [Hình 1.2 (d)]
(6)Hình 1.2 (d) Máy tính – Thiết bị xử lý/ trao đổi liệu với mơi trường ngồi
1.2.2 Cấu trúc
Ở mức đơn giản nhất, máy tính xem thực thể tương tác theo cách thức với mơi trường bên Một cách tổng quát, mối quan hệ với mơi trường bên ngồi phân loại thành thiết bị ngoại vi hay đường liên lạc
Giáo trình tập trung khảo sát cấu trúc nội máy tính, thể mức tổng quát hình 1.3 Với hình vẽ này, máy tính có bốn cấu trúc chính:
Đơn vị xử lý trung tâm (CPU): điều khiển hoạt động máy tính thực
chức xử lý liệu CPU thường đề cập đến với tên gọi xử lý. Bộ nhớ chính: dùng để lưu trữ liệu
Các thành phần nhập xuất: dùng để di chuyển liệu máy tính mơi trường
bên ngồi
Các thành phần nối kết hệ thống: cung cấp chế liên lạc CPU, nhớ
(7)Hình 1.3 Cấu trúc tổng quát máy tính
Máy tính có nhiều thành phần nói trên, ví dụ CPU Trước đa phần máy tính có CPU, gần có gia tăng sử dụng nhiều CPU hệ thống máy đơn CPU đối tượng quan trọng cần khảo sát thành phần phức tạp hệ thống Hình 1.4 thể cấu trúc CPU với thành phần gồm:
Đơn vị điều khiển: điều khiển hoạt động CPU hoạt động máy tính
Đơn vị luận lý số học (ALU): thực chức xử lý liệu máy tính
Tập ghi: cung cấp nơi lưu trữ bên CPU
Thành phần nối kết nội CPU: cơ chế cung cấp khả liên lạc đơn vị điều
(8)máy tính Đó khái niệm vi lập trình Hình 1.5 mô tả tổ chức bên đơn vị điều khiển với ba thành phần gồm:
Bộ luận lý lập dãy
Bộ giải mã tập ghi điều khiển Bộ nhớ điều khiển
Ứng với cách tổ chức vừa trình bày máy tính, chia tốn khảo sát máy tính thành bốn phần sau:
Phần 1: Tổng quan kiến trúc máy tính Phần 2: Hệ thống máy tính
(9)(10)Hình 1.5 Đơn vị điều khiển CPU
1.3 Cách tiếp cận giáo trình
Trong giáo trình tìm hiểu hai phần kiến trúc máy tính với nội dung cụ thể sau:
Phần 1: Tổng quan kiến trúc máy tính Phần 2: Hệ thống máy tính
Nội dung chi tiết phần liệt kê tiếp sau
Phaàn 1: Tổng quan kiến trúc máy tính
Chương1 giới thiệu chung môn học tổ chức giáo trình
(11)Phần 2: Hệ thống máy tính
Chương3 khảo sát kỹ thuật đường truyền hệ thống, cách tiếp cận phổ biến toán liên kết thành phần bên máy tính
Chương4 giới thiệu tính phân cấp nhớ, sau tập trung vào vấn đề thiết kế liên quan đến nhớ Các chủ đề thảo luận bao gồm chất tổ chức nhớ bán dẫn, thiết kế cache
Chương5tìm hiểu tham số hiệu suất thiết kế khác có liên quan đến nhớ đĩa Ngoài ra, lược đồ RAID vốn trở nên phổ biến thị trường trình bày chương
chương 2
Lịch sử máy tính
2.1 Máy tính hệ thứ (1945 – 1958)
2.2 Máy tính hệ thứ hai (1958 – 1964)
2.3 Máy tính hệ thứ ba (1964 – 1974)
2.4 Máy tính hệ thứ tư (1974 – nay)
2.5 Bài tập câu hỏi củng cố học
Máy tính thường phân loại dựa công nghệ phần cứng sở sử dụng trình chế tạo Lịch sử phát triển máy tính chia làm bốn giai đoạn sau:
(12)Giai đoạn 2: từ 1958 đến 1964, với máy tính hệ thứ hai sử dụng công nghệ chất bán dẫn
Giai đoạn 3: từ 1964 đến 1974, với máy tính hệ thứ ba sử dụng cơng nghệ mạch
tích hợp
Giai đoạn 4: từ 1974 đến nay, với máy tính hệ thứ tư sử dụng cơng nghệ mạch tích
hợp vô lớn/siêu lớn (VLSI/ULSI)
Các mục trình bày chi tiết hệ máy tính với cơng nghệ sử dụng đại diện tiêu biểu hệ
2.1 MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ NHẤT (1945 – 1958)
Máy tính ENIAC
Máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), John Mauchly John Presper Eckert (đại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế chế tạo, máy số hoá điện tử đa giới
Nguồn gốc
Dự án chế tạo máy ENIAC bắt đầu vào năm 1943 Đây nỗ lực nhằm đáp ứng yêu cầu thời chiến BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu đạn đạo cho loại vũ khí
Số liệu kỹ thuật
ENIAC máy khổng lồ với 18000 bóng đèn chân khơng, nặng 30 tấn, tiêu thụ lượng điện vào khoảng 140kW chiếm diện tích xấp xỉ 1393 m2 Mặc dù vậy, làm việc nhanh nhiều so với loại máy tính điện
cùng thời với khả thực 5000 phép cộng giây đồng hồ
Điểm khác biệt ENIAC & máy tính khác
(13)ENIAC công việc vất vả phải thực nối dây tay qua việc đóng/mở cơng tắc cắm vào rút dây cáp điện
Hoạt động thực tế
Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945 với nhiệm vụ khơng phải tính tốn đạn đạo (vì chiến tranh giới lần thứ hai kết thúc) mà để thực tính tốn phức tạp dùng việc xác định tính khả thi bom H Việc sử dụng máy vào mục đích khác với mục đích chế tạo ban đầu cho thấy tính đa ENIAC Máy tiếp tục hoạt động quản lý BRL tháo rời vào năm 1955
Với đời thành công máy ENIAC, năm 1946 xem năm mở đầu cho kỷ nguyên máy tính điện tử, kết thúc nỗ lực nghiên cứu nhà khoa học kéo dài nhiều năm liền trước
Máy tính von Neumann
Khái niệm chương trình lưu trữ
Như đề cập trên, việc lập trình máy ENIAC cơng việc tẻ nhạt tốn nhiều thời gian Công việc có lẻ đơn giản chương trình biểu diễn dạng thích hợp cho việc lưu trữ nhớ với liệu cần xử lý Khi máy tính cần lấy thị cách đọc từ nhớ, chương trình thiết lập hay thay đổi thông qua chỉnh sửa giá trị lưu phần nhớ
Ý tưởng này, biết đến với tên gọi "khái niệm chương trình lưu trữ", nhà tốn học John von Neumann, cố vấn dự án ENIAC, đưa ngày 8/11/1945, đề xuất loại máy tính có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) Máy tính cho phép nhiều thuật tốn khác tiến hành máy tính mà khơng cần phải nối dây lại máy ENIAC
Maùy IAS
(14)Một nhớ chính để lưu trữ liệu chương trình
Một đơn vị số học – luận lyù (ALU – Arithmetic and Logic Unit) có khả thao taùc
trên liệu nhị phân
Một đơn vị điều khiển có nhiệm vụ thơng dịch thị nhớ làm cho
chúng thực thi
Thiết bị nhập/xuất vận hành đơn vị điều khiển
Hình 2.1 Cấu trúc máy IAS
Hầu hết máy tính có chung cấu trúc chức tổng quát Do chúng có tên gọi chung máy von Neumann
Do vai trò quan trọng máy IAS ngành cơng nghiệp máy tính, tìm hiểu cách ngắn gọn hoạt động
(15)Hình 2.2 Các dạng thức nhớ máy IAS
Đơn vị điều khiển vận hành máy IAS cách lấy thị từ nhớ thực thi lần thị Để giải thích cách hoạt động này, cần đến sơ đồ cấu trúc chi tiết hình 2.3 Hình vẽ cho thấy đơn vị điều khiển ALU chứa vị trí lưu trữ , gọi thanh ghi, xác định sau:
Thanh ghi vùng đệm nhớ (MBR): chứa word lưu trữ nhớ,
hay dùng để nhận word từ nhớ
Thanh ghi địa nhớ (MAR): đặc tả địa nhớ ghi/đọc từ/vào
MBR
Thanh ghi thị (IR): chứa mã thao tác (op code) bit thị thực thi
Thanh ghi vùng đệm thị (IBR): được tận dụng để lưu tạm thời thị bên phải
trong word nhớ
Bộ đếm chương trình (PC): chứa địa cặp thị lấy từ nhớ
Bộ tích lũy (AC) Bộ nhân –thương số (MQ): được tận dụng để lưu tạm thời
(16)Hình 2.3 Cấu trúc mở rộng máy tính IAS
(17)Hình 2.4 Sơ đồ phần hoạt động máy IAS
Khi mã thao tác IR, chu thi lệnh thực Mạch điều khiển thông dịch mã thao tác thực thi thị cách gửi tín hiệu điều khiển thích hợp khiến cho liệu di chuyển hay thao tác tiến hành ALU Máy IAS có tất 21 thị chia thành nhóm sau:
Truyền liệu: di chuyển liệu nhớ ghi ALU hai ghi ALU
Rẽ nhánh khơng điều kiện: thơng thường đơn vị điều khiển thực thi thị theo dãy đến từ nhớ Dãy thị thay đổi thị rẽ nhánh Việc làm giúp ích cho thao tác lặp
Rẽ nhánh có điều kiện: nhánh rẽ phụ thuộc vào điều kiện, cho phép đặt điểm định
Số học:các thao tác ALU đảm nhận
Chỉnh sửa địa chỉ: cho phép địa tính tốn ALU sau chèn vào thị lưu nhớ Việc làm cho phép chương trình có khả định địa linh hoạt
Hình 2.4 nhiều ví dụ thực thi thị đơn vị điều khiển Chúng ta cần ý thao tác đòi hỏi nhiều bước Một số chúng tỉ mỉ, ví dụ thao tác nhân cần 39 thao tác cho 39 vị trí bit, ngoại trừ bit dấu
2.2 MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ HAI (1958 – 1964)
(18)Đèn bán dẫn phát minh lớn phòng thí nghiệm Bell Labs năm 1947 Nó tạo cách mạng điện tử năm 50 kỷ 20 Dù vậy, đến cuối năm 50, máy tính bán dẫn hóa hồn toàn bắt đầu xuất thị trường máy tính Việc sử dụng đèn bán dẫn chế tạo máy tính xác định hệ máy tính thứ hai, với đại diện tiêu biểu máy PDP-1 công ty DEC (Digital Equipment Corporation) IBM 7094 IBM DEC thành lập vào năm 1957 năm cho đời sản phẩm máy PDP-1 đề cập Đây máy mở đầu cho dòng máy tính mini DEC, vốn phổ biến máy tính hệ thứ ba
Hình 2.5 mơ tả cấu hình với nhiều thiết bị ngoại vi máy IBM 7094 Ở có nhiều điểm khác biệt so với máy IAS mà cần lưu ý Điểm quan trọng số việc sử dụng kênh liệu Một kênh liệu module nhập/xuất độc lập có xử lý tập lệnh riêng Trên hệ thống máy tính với thiết bị thế, CPU không thực thi thị nhập/xuất chi tiết Những thị lưu nhớ thực thi xử lý chuyên dụng kênh liệu CPU khởi động kiện truyền nhập/xuất cách gửi tín hiệu điều khiển đến kênh liệu, lệnh cho thực thi dãy thị máy tính Kênh liệu thực nhiệm vụ độc lập với CPU cần gửi tín hiệu báo cho CPU thao tác hoàn tất Cách xếp làm giảm nhẹ công việc cho CPU nhiều Một đặc trưng khác bộ đa công, điểm kết thúc trung tâm cho kênh liệu, CPU nhớ Bộ đa công lập lịch truy cập đến nhớ từ CPU kênh liệu, cho phép thiết bị hoạt động độc lập với
2.3 MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ BA (1964 – 1974)
(19)Hình 2.5 Một cấu hình máy IBM 7094
Sự phát minh mạch tích hợp vào năm 1958 cách mạng hóa điện tử bắt đầu cho kỷ nguyên vi điện tử với nhiều thành tựu rực rỡ Mạch tích hợp yếu tố xác định hệ thứ ba máy tính Trong mục tiếp sau tìm hiểu cách ngắn gọn cơng nghệ mạch tích hợp Sau đó, hai thành viên quan trọng máy tính hệ thứ ba, máy IBM System/360 máy DEC PDP-8, giới thiệu với tính bật chúng
Vi điện tử
Kể từ buổi ban đầu điện tử số cơng nghiệp máy tính, người có khuynh hướng quán vững việc thu nhỏ kích thước mạch điện tử số Trước xem xét lợi ích khuynh hướng mang lại, cần tìm hiểu đơi chút chất điện tử số
(20)Hình 2.6 Các phần tử máy tính
Cổng thiết bị cài đặt hàm luận lý hay Boolean đơn giản, chẳng hạn
NẾU A VÀ B LÀ ĐÚNG THÌ C LAØ ĐÚNG (cổng AND) Những thiết bị gọi cổng chúng điều khiển luồng liệu gần giống với cách hoạt động cổâng kênh đào
Ô nhớ thiết bị lưu trữ bit liệu; tức hai trạng thái thời điểm
Bằng cách liên kết lượng lớn thiết bị sở này, xây dựng máy tính Chúng ta liên hệ điều với bốn chức máy tính sau:
Lưu trữ liệu: ô nhớ cung cấp
Xử lý liệu: do cổng cung cấp
Di chuyển liệu: đường thành phần sử dụng để di chuyển liệu từ ô nhớ sang ô nhớ khác từ ô nhớ qua cổng đến ô nhớ khác
Điều khiển: đường thành phần sử dụng để mang chuyển tín
(21)ơ nhớ lưu bit nhập vào tín hiệu điều khiển ghi WRITE BẬT đặt bit xuất tín hiệu đọc READ BẬT
Do đó, máy tính bao gồm cổng, ô nhớ, thành phần liên kết chúng Cổng ô nhớ lại tạo nên từ thành phần điện tử số đơn giản
Mặc dù công nghệ bán dẫn giới thiệu máy tính hệ thứ hai, nhiều tốn cịn tồn Các đèn bán dẫn đặt riêng lẻ gói liên kết lại bảng mạch in thông qua dây rời rạc Đây trình phức tạp, tốn thời gian dễ có lỗi
Cơng nghệ mạch tích hợp khai thác kiện thành phần (đèn bán dẫn, điện trở, chất dẫn điện) làm hàng loạt từ chất bán dẫn silicon Hàng trăm, chí hàng ngàn đèn bán dẫn tạo lúc vỉ silicon Ngoài ra, đèn bán dẫn kết nối với q trình kim loại hóa để tạo thành mạch khác Hình vẽ 2.7 minh họa khái niệm then chốt mạch tích hợp Chúng ta có vỉ silicon mỏng chia thành ma trận vùng có kích thước độ vài milimet vuông Một mẫu mạch đồng tạo vùng sau vỉ cắt thành chip Mỗi chip có nhiều cổng số điểm tiếp xúc nhập/xuất Chip đóng gói gắn thêm chân để gắn vào thiết bị khác Một số gói chip nối kết lại bảng mạch in để sản xuất mạch phức tạp
(22)Hình 2.7 Mối quan hệ vỉ silicon, chip cổng
Hình 2.8 Sự phát triển mật độ transistor chip
(23)Giá chip gần không thay đổi q trình phát triển nhanh chóng độ trù mật thành phần chip Điều có nghĩa giá cho mạch nhớ luận lý giảm cách đáng kể
Vì thành phần luận lý ô nhớ đặt gần chip đóng gói dày đặc, đường điện tử ngắn dẫn đến việc gia tăng tốc độ vận hành
Máy tính trở nên nhỏ hơn, tiện lợi để bố trí vào loại mơi trường khác Có giảm thiểu yêu cầu nguồn thiết bị làm mát hệ thống Sự liên kết mạch tích hợp đáng tin cậy nối kết hàn Với nhiều mạch chip, có nối kết liên chip
Maùy IBM System/360
Máy IBM System/360 IBM đưa vào năm 1964 họ máy tính cơng nghiệp sản xuất cách có kế hoạch Khái niệm họ máy tính bao gồm máy tính tương thích khái niệm thành công Các đặc điểm họ máy gồm:
Tập thị đồng hay tương tự: Trong nhiều trường hợp, tập thị máy
chung sử dụng cho toàn thành viên họ máy Do vậy, chương trình thực thi máy thực thi máy khác họ với Trong số trường hợp, thành viên mức thấp họ máy có tập thị tập tập thị có thành viên mức cao nhất, chương trình tương thích lên khơng tương thích xuống
Hệ điều hành đồng hay tương tự: Một hệ điều hành chung sử dụng cho
tất thành viên họ máy Trong số trường hợp, số chức phụ đưa vào thành viên mức cao
Gia tăng tốc độ: Tốc độ thực thi thị gia tăng từ thành viên mức thấp đến thành viên mức cao họ
Gia tăng số cổng nhập/xuất: Đi từ thành viên mức thấp đến thành viên mức cao
trong họ
Gia tăng kích thước nhớ: Đi từ thành viên mức thấp đến thành viên mức cao
(24)Gia tăng chi phí: Đi từ thành viên mức thấp đến thành viên mức cao họ
Họ máy IBM System/360 định tương lai sau IBM mà cịn có ảnh hưởng sâu sắc đến tồn ngành cơng nghiệp máy tính Nhiều đặc trưng họ máy trở thành tiêu chuẩn cho máy tính lớn khác
Maùy DEC PDP-8
Trong lúc IBM giới thiệu máy System/360 DEC cho đời tượng khác ngành cơng nghiệp máy tính Đó máy PDP-8 Vào lúc máy tính cỡ trung địi hỏi phịng có điều hịa khơng khí, máy PDP-8 đủ nhỏ để đặt ghế dài vốn thường gặp phịng thí nghiệm để kết hợp vào thiết bị khác Nó thực cơng việc máy tính lớn với giá có 16000 la Mỹ, so với số tiền lên đến hàng trăm ngàn đô la để mua máy System/360 IBM Tương phản với kiến trúc chuyển trung tâm IBM sử dụng cho hệ thống 700/7000 360, kiểu sau máy PDP-8 sử dụng cấu trúc phổ dụng cho máy mini vi tính: cấu trúc đường truyền Hình 2.9 minh họa cấu trúc Đường truyền PDP-8, gọi Omnibus, gồm 96 đường tín hiệu riêng biệt, sử dụng để mang chuyển tín hiệu điều khiển, địa liệu Do tất thành phần hệ thống dùng chung tập hợp đường tín hiệu, việc sử dụng chúng phải CPU điều khiển Kiến trúc có độ linh hoạt cao, cho phép module gắn vào đường truyền để tạo nhiều cấu hình khác Hình 2.10 cấu hình PDP-8/E lớn
Hình 2.9 Cấu trúc đường truyền PDP-8
(25)Với tốc độ phát triển nhanh chóng cơng nghệ, mức độ cho đời sản phẩm mức cao, tầm quan trọng phần mềm, truyền thông phần cứng, việc phân loại máy tính theo hệ trở nên rõ ràng có ý nghĩa trước Trong phần tiếp theo, hai thành tựu tiêu biểu cơng nghệ máy tính hệ thứ tư giới thiệu cách tóm lược
Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống PDP-8/E Bộ nhớ bán dẫn
(26)Năm 1970, Fairchild chế tạo nhớ bán dẫn có dung lượng tương đối Chip có kích thước lõi đơn, lưu 256 bit nhớ, hoạt động không theo chế loại trừ nhanh nhớ lõi từ Nó cần 70 phần tỉ giây để đọc bit liệu nhớ Tuy nhiên giá thành cho bit cao so với lõi từ
Kể từ năm 1970, nhớ bán dẫn qua tám hệ: 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M bit chip đơn (1K = 210, 1M = 220) Mỗi hệ cung
cấp khả lưu trữ nhiều gấp bốn lần so với hệ trước, với giảm thiểu giá thành bit thời gian truy cập
Bộ vi xử lý
Vào năm 1971, hãng Intel cho đời chip 4004, chip có chứa tất thành phần CPU chip đơn Kỷ nguyên vi xử lý khai sinh từ Chip 4004 cộng hai số bit nhân cách lập lại phép cộng Theo tiêu chuẩn ngày nay, chip 4004 rõ ràng đơn giản, đánh dấu bắt đầu q trình tiến hóa liên tục dung lượng sức mạnh vi xử lý Bước chuyển biến q trình tiến hóa nói giới thiệu chip Intel 8008 vào năm 1972 Đây vi xử lý bit có độ phức tạp gấp đơi chip 4004
Đến năm 1974, Intel đưa chip 8080, vi xử lý đa dụng thiết kế để trở thành CPU máy vi tính đa dụng So với chip 8008, chip 8080 nhanh hơn, có tập thị phong phú có khả định địa lớn
Cũng thời gian đó, vi xử lý 16 bit bắt đầu phát triển Mặc dù vậy, đến cuối năm 70, vi xử lý 16 bit đa dụng xuất thị trường Sau đến năm 1981, Bell Lab Hewlett-packard phát triển vi xử lý đơn chip 32 bit Trong đó, Intel giới thiệu vi xử lý 32 bit riêng chip 80386 vào năm 1985
2.5 BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI HỌC
Bài tập số 1: Cho A = A(1), A(2), …, A(1000) vaø B = B(1), B(2), …, B(1000) laø hai
(27)Bài tập số 2: Từ sơ đồ hình 2.4, thêm vào khả logic cho phần thị IAS lại, ngoại trừ thị có liên quan đến nhân chia
Bài tập số 3: Trong máy IBM 360 kiểu 65 75, địa lưu hai
đơn vị nhớ (tức word chẵn đơn vị word lẻ đơn vị cịn lại) Mục đích kỹ thuật gì?
Bài tập số 4: Cho biết ưu khuyết điểm việc lưu chương trình liệu nhớ
Bài tập số 5: Cho biết lợi ích kiến trúc chuyển trung tâm kiến trúc đường truyền
Chương 3
Đường truyền hệ thống
3.1 Các thành phần máy tính
3.2 Chức máy tính
3.3 Các cấu trúc liên kết
3.4 Liên kết đường truyền
3.5 Bài tập câu hỏi củng cố học
3.1 Các thành phần máy tính
(28)Nội dung nhớ định địa theo vị trí Sự định địa không phụ thuộc kiểu liệu vị trí nhớ
Việc thực thi xuất theo kiểu từ thị sang thị khác
Theo khái niệm trên, có tập hợp nhỏ thành phần luận lý kết hợp theo nhiều cách khác để lưu trữ liệu nhị phân thực thao tác luận lý số học liệu Nếu có tính tốn cụ thể thực hiện, xây dựng cấu hình gồm thành phần luận lý thiết kế đặc biệt cho tính tốn Chúng ta liên hệ trình kết nối thành phần khác thành cấu hình mong muốn dạng lập trình "Chương trình" thu dạng phần cứng gọi chương trình đấu dây chết.
(29)Hình 3.1 Các tiếp cận phần cứng phần mềm
Với cách tổ chức vậy, việc lập trình dễ nhiều Thay phải đấu dây lại phần cứng cho chương trình mới, tất việc cần làm cung cấp dãy mã Mỗi mã thị phần cứng thơng dịch thành tín hiệu điều khiển Để phân biệt phương thức lập trình so với trước đó, dãy mã hay thị gọi phần mềm
Hình 3.1 (b) hai thành phần hệ thống: thông dịch thị module gồm chức luận lý số học đa dụng Hai thành phần hợp thành CPU Nhiều thành phần khác cần phải có để tạo thành máy tính với đầy đủ chức Dữ liệu thị phải nhập vào hệ thống thông qua module chứa thành phần cho việc tiếp nhận liệu thị dạng thức Sau module chuyển đổi thông tin nhận thành dạng nội gồm tín hiệu mà hệ thống hiểu Một phương tiện để báo cáo kết thiếu được, dạng module xuất Kết hợp hai module lại với nhau, có thành phần nhập/xuất.
(30)thể yêu cầu truy xuất đến nhiều phần tử thời điểm dãy xác định trước Do cần phải có chỗ để lưu tạm thời thị liệu Module gọi bộ nhớ, hay bộ nhớ chính để phân biệt với thiết bị ngoại vi hay lưu trữ bên ngồi máy tính Von Neumann nhớ dùng để lưu thị liệu Dữ liệu thứ tính tốn thực cịn thị thứ thông dịch với tư cách mã sinh tín hiệu điều khiển
Hình 3.2 minh họa ba thành phần mức cao máy tính với tương tác chúng CPU chủ yếu làm nhiệm vụ điều khiển Nó trao đổi liệu với nhớ thơng qua việc sử dụng hai ghi nội CPU ghi địa nhớ (MAR), dùng để đặc tả địa nhớ cho thao tác đọc/ghi kế tiếp, ghi vùng đệm nhớ (MBR), dùng để chứa liệu đọc/ghi từ/vào nhớ Hoàn toàn tương tự, ghi địa nhập xuất (I/OAR) đặc tả thiết bị nhập/xuất Một ghi vùng đệm nhập/xuất sử dụng cho việc trao đổi liệu module nhập/xuất CPU
Một module nhớ bao gồm tập hợp vị trí xác định địa đánh số Mỗi vị trí chứa số nhị phân thơng dịch liệu hay thị Một module nhập/xuất truyền liệu từ thiết bị bên đến CPU nhớ hay ngược lại Module chứa vùng đệm nội để lưu tạm thời liệu gửi
3.2 Chức máy tính
Chức máy tính thực thi chương trình Chương trình thực thi gồm dãy thị lưu trữ nhớ Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) đảm nhận việc thực thi
Quá trình thực thi chương trình, xét quan điểm xử lý thị, bao gồm hai bước: CPU đọc thị từ nhớ thực thi thị Việc thực thi chương trình lập lập lại trình lấy thị thực thi thị
(31)Hình 3.2 Các thành phần máy tính mức quan sát cao
Hình 3.3 Chu kỳ thị sở
Các chu kỳ lấy thực thi thị
Ở đầu chu kỳ thị, CPU lấy thị từ nhớ Một ghi gọi đếm chương trình (PC) sử dụng để theo dõi thị cần lấy Trừ rõ ràng, CPU tăng PC sau thị lấy để trỏ đến thị dãy thị
(32)thông dịch thị thực hoạt động yêu cầu Một cách tổng quát, hoạt động rơi vào bốn nhóm sau:
CPU – Bộ nhớ: liệu chuyển từ CPU vào nhớ hay ngược lại
CPU – Thành phần nhập/xuất: liệu truyền từ bên ngồi vào CPU thơng qua việc liên lạc CPU module nhập/xuất
Xử lý liệu: CPU thực thao tác luận lý hay số học liệu
Điều khiển: thị đặc tả thay đổi thứ tự thực thi dãy thị Chúng ta xét ví dụ đơn giản sử dụng máy tính giả có đặc trưng liệt kê hình 3.4
Hình 3.4 Các đặc trưng máy giả
CPU có tích lũy (AC) để lưu liệu tạm thời Cả thị liệu có độ dài 16 bit Do tiện lợi tổ chức nhớ theo vị trí 16 bit hay word Dạng thị cho thấy có 24 = 16 mã thao tác khác 212 = 4096 (4K)
word nhớ định địa trực tiếp
Hình 3.5 minh họa thực thi phần chương trình với thể phần nhớ ghi CPU thích hợp Ký hiệu sử dụng hệ thập lục phân Phân đoạn chương trình hình cho thấy nội dung word nhớ từ địa 94016 đến địa
(33)Hình 3.5 Ví dụ thực thi chương trình
Trong hình 3.5, có ba thị u cầu, vốn mô tả thành ba chu kỳ lấy thực thi gồm:
Bộ đếm chương trình (PC) chứa 300 địa thị Địa tải vào ghi thị (IR) Chú ý q trình bao gồm ln việc sử dụng ghi địa nhớ (MAR) ghi vùng đệm nhớ (MBR) Để đơn giản, ghi trung gian bỏ qua
4 bit IR tích lũy (AC) tải vào 12 bit lại đặc tả địa chỉ, 940
PC tăng lên đơn vị thị kế lấy
(34)Nội dung AC lưu vị trí 941
Trong ví dụ này, ba chu kỳ thị, chu kỳ gồm chu kỳ lấy lệnh thực thi, yêu cầu để cộng nội dung vị trí 940 vào nội dung vị trí 941 Với tập thị phức tạp cần chu kỳ
Chức nhập/xuất
Cho đến thời điểm này, khảo sát hoạt động máy tính điều khiển CPU tương tác CPU nhớ Ở trình bày cách ngắn gọn thêm chức nhập/xuất máy tính
Một module nhập/xuất trao đổi liệu trực tiếp với CPU Tương tự việc CPU khởi động thao tác đọc/ghi nhớ, định địa vị trí cụ thể, CPU đọc/ghi liệu vào/ra module nhập/xuất Trong trường hợp này, CPU định thiết bị cụ thể điều khiển module nhập/xuất Do đó, dãy thị có dạng tương tự hình 3.5 xuất với thị nhập/xuất với thị tham chiếu nhớ
Trong số trường hợp, người ta mong muốn cho phép trao đổi nhập/xuất xuất trực tiếp với nhớ Trong tình đó, CPU trao quyền cho module nhập/xuất để đọc/ghi nhớ cho việc truyền liệu nhớ – phận nhập/xuất xuất khơng cần đến can thiệp CPU Trong trình truyền liệu đó, module nhập/xuất tạo lệnh đọc/ghi vào nhớ, thay vai trò CPU việc trao đổi liệu Thao tác biết đến với tên gọi truy xuất nhớ trực tiếp (DMA)
3.3 Các cấu trúc liên kết
Một máy tính bao gồm tập thành phần hay module thuộc ba kiểu (CPU, nhớ, thiết bị nhập xuất) liên lạc với Trong thực tế, máy tính xem mạng gồm thành phần Do phải có đường dẫn nối module lại với
(35)Hình 3.6 Các module máy tính
Bộ nhớ: Một cách tiêu biểu, module nhớ bao gồm N word có độ dài Mỗi word gán cho địa dạng số (0, 1, ,N-1) Một word liệu đọc từ hay ghi vào nhớ Bản chất thao tác tín hiệu điều khiển Đọc Ghi Vị trí thao tác đặc tả thơng qua địa
(36)nhập xuất liệu với thiết bị ngoại vi Cuối cùng, module nhập/xuất gửi tín hiệu ngắt đến CPU
CPU: CPU đọc vào thị liệu, ghi liệu sau xử lý, sử dụng tín hiệu điều khiển để điều phối hoạt động tồn thể hệ thống Nó nhận tín hiệu ngắt
Danh sách đề cập đến xác định liệu trao đổi Cấu trúc liên kết phải hỗ trợ kiểu truyền liệu sau đây:
Bộ nhớ đến CPU: CPU đọc thị hay đơn vị liệu từ nhớ CPU đến nhớ: CPU ghi đơn vị liệu vào nhớ
Thành phần nhập/xuất đến CPU: CPU đọc liệu từ thiết bị nhập/xuất thông qua module nhập/xuất
CPU đến thành phần nhập/xuất: CPU gửi liệu đến thiết bị nhập/xuất
Thành phần nhập/xuất đến hay từ nhớ: Đối với hai trường hợp này, module nhập/xuất cho phép trao đổi liệu trực tiếp với nhớ mà không qua CPU cách sử dụng chế truy cập nhớ trực tiếp (DMA)
Trải qua nhiều năm, số cấu trúc liên kết thử nghiệm Cho đến phổ biến cấu trúc đường truyền (bus) cấu trúc đa đường truyền khác
3.4 Liên kết đường truyền
Một đường truyền hành lang liên lạc nối hai hay nhiều thiết bị Đặc trưng đường truyền truyền liệu thông qua phương tiện dùng chung Nhiều thiết bị nối kết với đường truyền nhận tín hiệu truyền từ thiết bị hệ thống Nếu hai thiết bị truyền khoảng thời gian, tín hiệu chúng chồng lấp lên bị làm sai lệch Do có thiết bị thời điểm truyền thành cơng liệu
(37)Các hệ thống máy tính chứa nhiều loại đường truyền khác cung cấp hành lang thành phần nhiều mức phân cấp hệ thống máy tính Một đường truyền kết nối thành phần máy tính CPU, nhớ, thành phần nhập/xuất gọi đường truyền hệ thống. Các cấu trúc liên kết máy tính phổ biến dựa việc sử dụng hay nhiều đường truyền hệ thống
Cấu trúc đường truyền
Một đường truyền hệ thống thường có từ 50 đến 100 đường riêng biệt Mỗi đường gán ý nghĩa hay chức cụ thể Mặc dù có nhiều kiểu thiết kế đường truyền, đường truyền bất kỳ, đường phân thành ba nhóm chức thể hình 3.7, bao gồm liệu, địa đường điều khiển Ngoài ra, có đường phân phối nguồn điện cho module nối vào đường truyền
Hình 3.7 Sơ đồ liên kết đường truyền
Các đường liệu cung cấp đường dẫn cho việc di chuyển liệu module hệ thống Những đường gọi đường truyền liệu. Đường truyền liệu thường có 8, 16, hay 32 đường riêng biệt, số đường đề cập đến với tên gọi
độ rộng đường truyền liệu Vì đường mang bit thời điểm, số đường xác định số bit truyền thời điểm Độ rộng đường truyền liệu nhân tố quan trọng việc xác định hiệu suất hệ thống toàn phần Chẳng hạn, đường truyền liệu có độ rộng bit thị có độ dài 16 bit, CPU phải truy cập module nhớ hai lần chu kỳ thị
Các đường địa chỉ sử dụng để định nguồn hay đích liệu có đường truyền liệu Lấy ví dụ, CPU muốn đọc word (8, 16, hay 32 bit) liệu từ nhớ, đặt địa word cần đọc đường địa Rõ ràng độ rộng đường truyền địa xác định dung lượng nhớ tối đa có hệ thống Hơn nữa, đường địa nói chung dùng để định địa cổng nhập/xuất Một cách tiêu biểu, bit có bậc cao sử dụng để chọn
(38)module nhớ (module 0) với 128 word nhớ, địa 10000000 địa tham chiếu đến thiết bị gắn vào module nhập/xuất (module 1)
Các đường điều khiển sử dụng để điều khiển việc truy cập đến sử dụng đường liệu địa Vì đường dùng chung tất thành phần, phải có phương tiện điều khiển việc sử dụng chúng Các tín hiệu điều khiển truyền lệnh lẫn thơng tin định thời module hệ thống Tín hiệu định thời đắn liệu thơng tin địa Tín hiệu lệnh đặc tả thao tác cần thực Các đường điều khiển gồm:
Ghi nhớ: Làm cho liệu đường truyền ghi vào vị trí định địa Đọc nhớ: Làm cho liệu từ vị trí định địa đặt lên đường truyền Ghi nhập/xuất: Làm cho liệu đường truyền xuất cổng nhập/xuất định địa
Đọc nhập/xuất: Làm cho liệu từ cổng nhập/xuất định địa đặt lên đường truyền
Truyền ACK: Chỉ liệu chấp nhận từ hay đặt đường truyền Yêu cầu đường truyền: Chỉ module cần quyền điều khiển đường truyền Uûy nhiệm đường truyền: Chỉ module đòi hỏi ủy nhiệm quyền điều khiển đường truyền
Yêu cầu ngắt: Chỉ có ngắt chờ xử lý Ngắt ACK: Cho biết ngắt treo nhận biết Đồng hồ: Được sử dụng để đồng thao tác Lấy lại giá trị ban đầu: Khởi động tất module Thao tác đường truyền sau:
Nếu có module cần gửi liệu đến module khác, phải thực hai việc:
(39)Nếu có module cần yêu cầu liệu từ module khác, phải: -Lấy quyền sử dụng đường truyền
-Truyền yêu cầu đến module khác thông qua các đường địa điều khiển thích hợp Sau phải đợi module thứ hai gửi liệu đến
Hình 3.8 minh họa xếp vật lý phổ biến kiến trúc đường truyền
Hình 3.8 Một thực hóa vật lý tiêu biểu cho kiến trúc đường truyền
Các phân cấp đa đường truyền
Nếu có lượng lớn thiết bị nối vào đường truyền, vận hành bị giảm sút Có hai lý chính:
Một cách tổng quát, có nhiều thiết bị gắn vào đường truyền chậm trễ lan truyền lớn Khi điều khiển đường truyền từ thiết bị sang thiết bị khác cách thường xuyên, chậm trễ lan truyền ảnh hưởng đáng kể đến vận hành
(40)Vì lý nói trên, hầu hết hệ thống máy tính sử dụng nhiều đường truyền tạo thành sơ đồ phân cấp Một cấu trúc truyền thống tiêu biểu hình 3.9 (a) Có đường truyền cục nối từ xử lý đến nhớ cache hỗ trợ nhiều thiết bị cục Bộ điều khiển nhớ cache khơng nối với đường truyền cục này, mà với đường truyền hệ thống, nơi tất module nhớ nối vào Như thảo luận chương 4, việc sử dụng cấu trúc cache cách ly xử lý khỏi yêu cầu truy cập nhớ thường xuyên Do vậy, nhớ di chuyển khỏi đường truyền cục vào đường truyền hệ thống Bằng cách này, thành phần nhập/xuất truyền liệu đến khỏi nhớ thơng qua đường truyền hệ thống không làm ảnh hưởng đến hoạt động xử lý
Chúng ta kết nối trực tiếp điều khiển nhập/xuất vào đường truyền hệ thống Một giải pháp hiệu sử dụng đường truyền mở rộng cho mục đích Một giao tiếp đường truyền mở rộng lưu vào vùng đệm liệu truyền tải đường truyền hệ thống điều khiển có đường truyền mở rộng Sự xếp cho phép hệ thống hỗ trợ diện rộng thiết bị nhập/xuất, đồng thời cô lập lưu thông nhớ – xử lý khỏi lưu thông nhập/xuất
Hình 3.9 (a) số thiết bị nhập/xuất kiểu mẫu nối vào đường truyền mở rộng Các nối kết mạng bao gồm mạng cục (LAN) mạng 10-Mbps Ethernet nối kết sang mạng diện rộng mạng chuyển mạch gói SCSI (small computer system interface) thân kiểu đường truyền dùng để hỗ trợ ổ đĩa cục với thiết bị ngoại vi khác Một cổng sử dụng để hỗ trợ máy in hay máy quét
(41)Hình 3.9 (a) Cấu trúc đường truyền truyền thống
(42)Hình 3.9 (b) Kiến trúc hiệu suất vận hành cao
Lợi ích cách tiếp cận đường truyền tốc độ cao mang thiết bị có u cầu cao lại gần mối tích hợp với xử lý đồng thời độc lập với xử lý Do đó, khác biệt xử lý, đường truyền tốc độ cao, định nghĩa đường tín hiệu có khả chịu lỗi Những thay đổi kiến trúc xử lý không làm ảnh hưởng đến đường truyền tốc độ cao ngược lại
Các yếu tố thiết kế đường truyền
Mặc dù có lượng lớn cài đặt đường truyền tồn tại, thực tế có số tham số hay yếu tố thiết kế giữ vai trò phân loại đường truyền Cụ thể có yếu tố sau:
-Kiểu đường truyền
-Phương pháp phân xử -Định thời
-Độ rộng đường truyền
-Kiểu truyền liệu
(43)Có hai kiểu đường truyền tổng quát đường truyền chuyên dụng đường truyền đa công Đường truyền chuyên dụng gán vĩnh viễn cho chức hay tập vật lý thành phần máy tính
Một ví dụ cho chuyên biệt hóa chức việc sử dụng đường liệu địa chuyên dụng tách biệt, vốn phổ biến nhiều đường truyền Tuy nhiên, điểm cần thiết Lấy ví dụ, thơng tin liệu địa truyền tập đường cách sử dụng đường điều khiển Địa Đúng Vào lúc bắt đầu truyền liệu, địa đặt lên đường truyền đường điều khiển Địa Đúng kích hoạt Tại điểm này, module có khoảng thời gian đặc tả để chép địa xác định xem có phải module định địa hay không Sau địa xóa khỏi đường truyền để kết nối đường truyền dùng cho thao tác truyền liệu đọc hay ghi Phương pháp sử dụng tập đường cho mục đích khác biết đến với tên gọi đa công theo thời gian
Lợi ích tiếp cận đa cơng theo thời gian việc sử dụng đường, giúp tiết kiệm khơng gian phí tổn Điểm bất lợi cần nhiều mạch điện tử phức tạp cho module Ngồi có sụt giảm tiềm tàng hiệu suất có số kiện dùng chung đường diễn cách song song
Sự chuyên dụng vật lý đề cập đến việc sử dụng nhiều đường truyền, đường truyền chúng kết nối tập thành phần Một ví dụ cụ thể việc sử dụng đường truyền nhập/xuất để liên kết tất module nhập/xuất Đường truyền sau kết nối với đường truyền thơng qua loại module bảng mạch nhập/xuất Lợi ích tiềm ẩn chun dụng vật lý băng thơng cao, có tranh chấp đường truyền Điểm bất lợi gia tăng kích thước phí tổn hệ thống
Phương pháp phân xử
(44)module hành động phối hợp với nhằm sử dụng chung đường truyền Với hai phương pháp nói phân xử, mục tiêu đạt đến định thiết bị, CPU, module nhập/xuất, làthiết bị chủ Thiết bị chủ sau khởi động việc truyền liệu (đọc hay ghi) với thiết bị khác, hoạt động thiết bị phụ thuộc trao đổi liệu đặc biệt
Định thời
Định thời đề cập đến cách thức kiện phối hợp với đường truyền Với định thời đồng bộ, việc xuất kiện đường truyền xác định đồng hồ Đường truyền có đường đồng hồ đồng hồ truyền dãy giá trị luân phiên thời khoảng Một phiên truyền – đơn gọi chu kỳ đồng hồ hay chu kỳ đường truyền xác định khe thời gian Tất thiết bị khác đường truyền đọc đường đồng hồ, kiện bắt đầu lúc bắt đầu chu kỳ đồng hồ Hình 3.10 (a) thể sơ đồ định thời thao tác đọc đồng Các tín hiệu đường truyền khác thay đổi cạnh dẫn tín hiệu đồng hồ Hầu hết kiện chiếm chu kỳ đồng hồ Trong ví dụ này, CPU tạo tín hiệu đọc đặt địa nhớ lên đường truyền địa Nó tạo tín hiệu bắt đầu nhằm đánh dấu có mặt thơng tin địa điều khiển đường truyền Một module nhớ nhận biết địa sau chờ khoảng chu kỳ, đặt liệu tín hiệu thơng báo lên đường truyền
Hình 3.10 (a) Định thời đồng
(45)chỉ tín hiệu đọc lên đường truyền Sau tạm dừng lại để tín hiệu ổn định, sinh tín hiệu MSYN (master sync), hữu tín hiệu điều khiển địa Module nhớ đáp ứng tín hiệu SSYN (slave sync) liệu, trả lời
Định thời đồng phương pháp dễ cài đặt kiểm tra Tuy nhiên, linh hoạt so với định thời dị Do tất thiết bị đường truyền đồng kết buộc vào tốc độ đồng hồ cố định, hệ thống khơng thu lợi ích việc vận hành thiết bị Với định thời dị bộ, trộn lẫn thiết bị chậm nhanh cách sử dụng cơng nghệ cũ sử dụng chung đường truyền
Hình 3.10 (b) Định thời dị
Độ rộng đường truyền
Độ rộng đường truyền liệu có ảnh hưởng đến vận hành hệ thống: đường truyền liệu rộng, số bit truyền thời điểm lớn Độ rộng đường truyền địa lại có ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống: độ rộng đường truyền địa lớn, lượng vị trí nhớ tham chiếu đến nhiều
Kiểu truyền liệu
(46)Trong trường hợp đường truyền liệu/địa đa công, đường truyền dùng trước hết cho việc đặc tả địa sau cho việc chuyển liệu Với thao tác đọc, thường có khoảng thời gian chờ liệu lấy từ thiết bị phụ thuộc đặt lên đường truyền Với đọc lẫn ghi, có độ trễ cần phải làm việc với phân xử để giành quyền điều khiển đường truyền cho phần lại thao tác
Trong trường hợp đường truyền liệu địa chuyên dụng, địa đặt lên đường truyền địa tồn liệu đặt lên đường truyền liệu Với thao tác ghi, thiết bị chủ đặt liệu lên đường truyền địa địa ổn định thiết bị phụ thuộc có hội để nhận biết địa Với thao tác đọc, thiết bị phụ thuộc đặt liệu lên đường truyền liệu nhận địa lấy liệu
Ngồi kiểu thao tác nói trên, số đường truyền hỗ trợ thao tác phối hợp Một thao tác đọc – chỉnh sửa – ghi đơn giản phép đọc phép ghi địa Địa chỉ phát lần lúc bắt đầu thao tác Tồn thao tác khơng thể chia nhỏ nhằm tránh truy cập đến phần tử liệu chỉnh sửa
Một số hệ thống đường truyền hỗ trợ việc truyền liệu dạng khối Trong trường hợp này, chu kỳ địa theo sau n chu kỳ liệu Mục liệu truyền đến từ địa đặc tả, phần liệu lại truyền đến/từ địa tiếp sau
(47)3.5 Bài tập câu hỏi củng cố học
Bài tập số 1: Máy giả hình 3.4 có hai thị nhập/xuất là: 0011 = tải AC từ thiết bị nhậ/xuất
0111 = lưu AC lên thiết bị nhập/xuất
Trong trường hợp này, địa 12 bit đặc tả thiết bị nhập/xuất cụ thể Chỉ thực thi chương trình (sử dụng dạng trình bày hình 3.5) cho chương trình sau: Tải AC từ thiết bị số
Cộng nội dung vị trí nhớ 940 Lưu AC lên thiết bị số
Bài tập số 2: Xét hệ thống máy tính chứa module nhập/xuất điều khiển bàn
phím/máy in đơn giản Các ghi sau chứa CPU nối kết trực tiếp đến đường truyền hệ thống:
INPR: Thanh ghi nhập – bit OUTR: Thanh ghi xuất – bit FGI: Cờ nhập – bit
FGO: Cờ xuất – bit
IEN: Thanh ghi khả ngắt – bit
Tín hiệu nhấn phím từ bàn phím tín hiệu xuất máy in điều khiển module nhập/xuất Bàn phím có khả mã hóa ký hiệu chữ số thành word bit giải mã word bit thành ký hiệu chữ số
Mô tả cách thức CPU sử dụng bốn ghi liệt kê để phục vụ cho việc nhập/xuất thơng qua bàn phím
(48)Bài tập số 3: Một hệ thống nhớ gồm số module nhớ kết nối với đường truyền nhớ chung Khi thao tác ghi thực hiện, đường truyền bị chiếm 100 nano giây tín hiệu điều khiển, địa liệu Trong khoảng thời gian 100 nano giây 500 nano giây sau đó, module nhớ định địa thực thi chu kỳ tiếp nhận lưu trữ liệu Thao tác module nhớ chồng lấp lên nhau, có yêu cầu đường truyền thời điểm
Giả sử có module nối vào đường truyền Giá trị tối đa tốc độ truyền liệu (word/giây) việc lưu trữ bao nhiêu?
Vẽ đồ thị tốc độ ghi cực đại dạng hàm thời gian chu kỳ nhớ, giả sử thời gian bận module nhớ đường truyền 100 nano giây
Chương 4
Bộ nhớ máy tính
4.1 Giới thiệu hệ thống nhớ máy tính
4.2 Bộ nhớ bán dần
4.3 Bộ nhớ cache
4.4 Bài tập câu hỏi củng cố tập
4.1 Giới thiệu hệ thống nhớ máy tính
Các đặc trưng hệ thống nhớ
(49)Dung lượng (kích thước word, số lượng word) Đơn vị 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/khơng xóa được) Cách tổ chức
Các mục tiếp sau trình bày cách chi tiết ý nghĩa tầm quan trọng đặc trưng nói
Vị trí
Bộ nhớ máy tính bao gồm hai loại nhớ Bộ nhớ máy tính thường đề cập đến nhớ Bộ nhớ ngồi máy tính gồm thiết bị lưu trữ ngoại vi, đĩa băng từ, vốn truy cập CPU thông qua điều khiển nhập/xuất
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 thị theo byte
Đơn vị truyền
Với nhớ trong, đơn vị truyền với số đường liệu vào/ra khỏi module nhớ Giá trị thường với độ dài word, khơng Để hiểu rõ khái niệm này, xem xét ba khái niệm có liên quan đến nhớ trong:
Word: Đơn vị tự nhiên tổ chức máy tính Kích thước word thường
(50)Các đơn vị khả định địa chỉ: Trong nhiều hệ thống, đơn vị khả định địa word Mặc dù vậy, có số hệ thống cho phép định địa mức byte Trong trường hợp, mối quan hệ độ dài A địa số N đơn vị khả định địa 2A = N.
Đơn vị truyền: Đối với nhớ chính, số bit đọc/ghi vào nhớ thời điểm Đơn vị truyền không thiết word hay đơn vị khả định địa Với nhớ ngoài, liệu thường truyền theo đơn vị lớn nhiều so với word gọi khối
Phương thức truy cập
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 vị liệu gọi ghi Việc truy cập phải thực theo dãy tuyến tính cụ thể Thơng tin địa lưu trữ dùng để phân tách ghi hỗ trợ q trình tìm kiếm lấy thơng tin Một phận đọc/ghi dùng chung sử dụng Bộ phận phải di chuyển từ vị trí thời đến vị trí u cầu, qt qua từ chối ghi trung gian Do đó, thời gian để truy cập ghi tùy ý biến đổi cao Các đơn vị băng từ, thảo luận chương 5, đơn vị 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 địa dựa vị trí vật lý Việc truy cập thực thông qua truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để đến vị trí cuối Một lần nữa, thời gian truy cập biến đổi Các đơn vị đĩa trình bày chương đơn vị truy cập trực tiếp
Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vị trí khả định địa nhớ có motä chế định địa vật lý Thời gian truy cập vị trí cho trước độc lập với dãy truy cập trước khơng thay đổi Do đó, vị trí chọn ngẫu nhiên định địa truy cập trực tiếp Các hệ thống nhớ truy cập ngẫu nhiên
(51)phương thức truy cập ngẫu nhiên thơng thường, vị trí nhớ có chế định địa riêng, thời gian lấy thơng tin khơng đổi, độc lập với vị trí khn dạng truy cập trước Bộ nhớ cache, đề cập đến mục 4.3 tận dụng cách truy cập liên kết
Hiệu suất
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 địa 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 định vị phận đọc/ghi vị 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 vị nhớ Với nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trị 1/(Thời gian Chu kỳ) Với nhớ truy cập không ngẫu nhiên, quan hệ sau trì:
TN = TA + N/R
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 vị bit/giây (bps)
Kiểu vật lý
(52)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 bị nguồn điện bị tắt Trong nhớ bất biến, thông tin ghi lưu giữ mà khơng bị thối hóa Các nhớ có bề mặt từ hóa thuộc loại bất biến Bộ nhớ bán dẫn khả biến bất biến Bộ nhớ khơng thể xóa khơng thể thay đổi được, ngoại trừ việc phá hủy đơn vị lưu trữ Bộ nhớ bán dẫn kiểu biết đến với tên gọi bộ 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:
Giảm phí tổn cho bit Tăng dung lượng
Tăng thời gian truy cập
Giảm tần số truy cập nhớ CPU
(53)Hình 4.1 Sự phân cấp nhớ
Nếu nhớ tổ chức theo mục từ (a) đến (c) trên, liệu với thị phân phối qua nhớ theo (d), cách trực quan cho thấy sơ đồ làm giảm phí tổn tồn thể trì mức độ hiệu suất cho trước Chúng ta đưa ví dụ đơn giản để minh họa cho điều
(54)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 1m s Mức gồm 100000 word có thời gian truy cập 10m 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 định 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
4.2 Bộ nhớ 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 định địa
(55)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 thơng 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 bị ngắt, liệu Vì lý đó, RAM dùng làm nơi lưu trữ liệu tạm thời
Công nghệ RAM chia thành hai nhóm: tĩnh 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 dịch thành giá trị nhị 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 tĩnh, giá trị nhị phân lưu trữ cách sử dụng cấu hình cổng luận lý mạch lật truyền thống Một RAM tĩnh lưu giữ liệu nguồn điện cịn cung cấp cho
Cả RAM tĩnh động khả biến Một ô nhớ động đơn giản ô nhớ tĩnh Do vậy, RAM động trù mật tiền RAM tĩnh tương ứng Mặt khác, RAM động đòi hỏi hỗ trợ làm tươi mạch Với lượng nhớ lớn hơn, phí tổn cố định 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 tĩnh nói chung nhanh RAM động
Trong mối tương phản rõ nét với RAM bộ 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 Ngồi ứng dụng khác ROM gồm:
(56)Các bảng hàm
Với u cầu có kích thước khiêm tốn, lợi điểm ROM liệu lưu trữ bền vững nhớ khơng cần phải tải lên từ thiết bị lưu trữ phụ Một ROM tạo chip mạch tích hợp thơng thường với liệu đưa vào chip trình in mạch Điều dẫn đến hai tốn:
Bước chèn liệu có chi phí tương đối lớn, cho dù hay hàng ngàn ROM cụ thể in
Lỗi q trình sản xuất khơng thể chấp nhận Chỉ cần bit bị sai, tồn lơ ROM phải bị hủy bỏ
Khi cần lượng tương đối nhỏ ROM với nội dung nhớ đặc biệt, lựa chọn tốn ROM khả trình (PROM) Giống ROM, PROM khơng khả biến ghi lần Với PROM, trình ghi thực cách điện tử nhà cung cấp đảm nhiệm không thiết phải nhà sản xuất chip ban đầu Các trang thiết bị đặc biệt sử dụng cho trình ghi hay "lập trình" PROM mang lại linh hoạt tiện lợi ROM thu hút đơn đặt hàng có số lượng lớn
Một biến thể khác nhớ đọc nhớ đọc Loại nhớ có ích cho ứng dụng thao tác đọc thường xuyên thao tác ghi, vốn cần đến khả lưu trữ bất biến Có ba dạng phổ biến nhớ đọc EPROM, EEPROM nhớ flash
Bộ nhớ đọc khả trình xóa quang học (EPROM) đọc/ghi cách điện tử với PROM Tuy nhiên, trước thao tác ghi, tất ô lưu trữ phải xóa trạng thái khởi động ban đầu cách đưa chip đóng gói qua nguồn xạ tia cực tím Q trình xóa thực lập lập lại, lần xóa khoảng 20 phút Do vậy, EPROM thay đổi nhiều lần với ROM hay PROM, lưu trữ nhiều loại liệu khác EPROM thường đắt tiền PROM có lợi khả cập nhật nhiều lần
(57)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 trị trung gian EPROM EEPROM giá lẫn chức Giống EEPROM, nhớ chớp sử dụng cơng nghệ xóa điện tử Một nhớ chớp xóa vài giây, nhanh nhiều so với EPROM Ngồi 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 cơng nghệ điện tử sử dụng, tất cảc ô nhớ bán dẫn có chung số tính chất sau:
Chúng thể hai trạng thái ổn định (hay bán ổn định) dùng để biểu thị hai giá trị
Chúng có khả cho phép ghi (ít lần) để thiết lập trạng thái Chúng có khả cho phép đọc để lấy trạng thái
Hình 4.3 mơ tả hoạt động nhớ
Hình 4.3 Thao tác nhớ
(58)
4.3 Bộ nhớ cache
Nguyên lý
Bộ nhớ cache thiết kế với ý định 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 4.4 4.5 Bộ nhớ cache chứa phần nhớ Khi CPU cố gắng đọc word từ nhớ, word kiểm tra xem có cache hay khơng Nếu có, word cung cấp cho CPU Trong trường hợp ngược lại, khối nhớ chính, bao gồm lượng cố định 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
(59)Hình 4.5 Tổ chức tiêu biểu nhớ cache
Hình 4.4 thể mối quan hệ hệ thống cache nhớ Hình 4.5 mơ tả tổ chức tiêu biểu nhớ cache Bộ nhớ gồm đến 2n word khả định địa
chỉ, với word có địa n bit Do yêu cầu ánh xạ, nhớ xem gồm số khối có độ dài cố định 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 << M) Tại thời điểm bất kỳ, ln có tập gồm khối nhớ thường trú khe cache Nếu word khối nhớ đọc, khối chuyển vào khe cache Do số khối nhiều số khe, khe không giành cho khối thời gian lâu dài Vì lý đó, khe có thẻ cho biết khối lưu trữ Thẻ thường phần địa nhớ khối giữ khe Hình 4.6 thể cấu trúc cache/ nhớ
(60)(61)Hình 4.7 Thao tác đọc cache
4.4 Bài tập câu hỏi củng cố học
Bài tập số 1: Giải thích lý sau RAM truyền thống tổ chức bit chip, ROM thường tổ chức với nhiều bit chip
Bài tập số 2: Xét RAM động có chu kỳ làm tươi 64 lần micro giây
Mỗi thao tác làm tươi cần 150 nano giây, chu kỳ nhớ cần 250 nano giây Số phần trăm tổng thời gian thao tác nhớ phải bỏ để làm tươi bao nhiêu?
(62)Bài tập số 4: Xét vi xử lý 32 bit có cache liên kết đường 16K chip Giả sử cache có kích thước đường gồm word 32 bit Vẽ sơ đồ khối cache để tổ chức cách thức trường địa khác sử dụng để xác định cache hit/cache miss Vị trí word vị trí nhớ ABCDE8F8 ánh xạ vào cache bao nhiêu?
Bài tập số 5: Cho trước đặc tả sau cache nhớ ngoại: liên kết theo đường, kích thước đường word 16 bit, có khả quản lý tổng cộng 4K word 32 bit từ nhớ chính, sử dụng với xử lý 16 bit cho địa 24 bit Thiết kế cấu trúc cache với tất thơng tin nói cách thức thơng dịch địa xử lý
chương 5
Bộ nhớ ngồi máy tính
5.1 Đĩa từ 5.2 RAID
5.3 Baøi tập câu hỏi củng cố học
5.1 ĐĨA TỪ
Đĩa từ kim loại/nhựa hình trịn có bề mặt phủ vật liệu từ tính Dữ liệu ghi lên/đọc từ đĩa thông qua thiết bị gọi đầu đọc Trong có thao tác đọc/ghi, đầu đọc đứng yên đĩa quay liên tục bên
(63)Cơ chế đọc dựa dòng điện ống xoắn vốn sinh dịch chuyển từ trường quanh Khi bề mặt đĩa qua đầu đọc, sinh dịng điện có cực với dịng ghi trước
Tổ chức định dạng liệu
Đầu đọc thiết bị tương đối nhỏ có khả đọc/ghi từ/lên phần đĩa quay bên Điều dẫn đến việc tổ chức liệu đĩa theo dạng tập hợp vòng tròn đồng tâm gọi track (rãnh) Mỗi track có độ rộng đầu đọc
Hình 5.1 mơ tả cách xếp Các rãnh kề phân biệt gap
(khoảng trống), nhờ ngăn chặn mức tối thiểu sai sót canh biên khơng xác đầu đọc nhiễu trường điện từ Để đơn giản hóa mặt điện tử, track có số bit thơng tin Do dộ trù mật tính theo số bit inch tuyến tính tăng lên từ track xa bên vào đến track gần bên đĩa
Như đề cập đến chương trước, liệu chuyển đến khỏi đĩa theo khối Thơng thường kích thước khối liệu nhỏ dung lượng track Cụ thể hơn, liệu lưu vùng có kích thước khối gọi sector
(64)Hình 5.1 Tổ chức liệu đĩa Các đặc trưng
Những đặc trưng đĩa bao gồm: -Sự di chuyển đầu đọc
-Tính khả chuyển đóa -Các mặt đóa
-Các đóa
-Cơ chế làm việc đầu đọc
Sự di chuyển đầu đọc
(65)ngắn ứng với vị trí track cần truy cập đĩa Hình 5.2 mơ tả loại đầu đọc cố định khơng cố định
Hình 5.2 Đầu đọc cố định không cố định Tính khả chuyển đĩa
Bản thân đĩa thường gắn vào ổ đĩa với tay đòn, động quay đĩa mạch điện tử cần thiết cho việc nhập/xuất liệu nhị phân Đĩa không thể tháo rời gắn vĩnh viễn vào ổ đĩa đĩa tháo rời lấy thay ổ đĩa khác Lợi ích loại đĩa tháo rời khả cung cấp lượng liệu khơng có giới hạn hệ thống giới hạn ổ đĩa Hơn đĩa cịn di chuyển từ máy tính n ày sang máy tính khác
Các mặt đóa
Hầu hết đĩa có hai mặt trừ số đĩa loại cũ có mặt
(66)Một số ổ đĩa cho phép xếp chồng nhiều đĩa theo chiều thẳng đứng với nhiều tay đòn cung cấp Các đĩa tổ chức theo đơn vị disk pack (gói đĩa)
Cơ chế làm việc đầu đọc
Cơ chế làm việc đầu đọc thao tác đọc/ghi cho phép phân loại đĩa rõ ràng Chúng ta có ba chế sau:
Cơ chế 1: giữ đầu đọc khoảng cách cố định với bề mặt đĩa
Cơ chế 2: cho phép tiếp xúc mặt vật lý đầu đọc với bề mặt đĩa
Cơ chế 3: khoảng cách đầu đọc với bề mặt đĩa thay đổi trình đọc/ghi
Để hiểu rõ chế nói trên, cần tìm hiểu mối quan hệ độ trù mật liệu kích thước khối khơng khí trống đầu đọc bề mặt đĩa bên Đầu đọc phải sinh trường điện từ đủ lớn để đọc/ghi cách xác Đầu đọc hẹp phải gần bề mặt đĩa để hoạt động Đầu đọc hẹp dẫn đến bề rộng track nhỏ độ trù mật liệu tăng lên nhiều Tuy nhiên, đầu đọc gần bề mặt đĩa, nguy pha tạp khơng xác liệu lớn Nhằm đẩy kỹ thuật đĩa lên bước xa hơn, người ta chế tạo ổ đĩa
Winchester Các đầu đọc Winchester sử dụng ổ đĩa gần khơng có tác nhân tạp chất Chúng thiết kế để hoạt động gần với bề mặt đĩa so với đầu đọc kiểu cũ, cho phép làm tăng độ trù mật liệu đĩa Đầu đọc có dạng khí động học nằm bề mặt đĩa đĩa khơng chuyển động p suất khơng khí sinh đĩa xoay tròn đủ làm cho rút lên khỏi bề mặt đĩa Phần hệ thống không tiếp xúc với đĩa chế tạo để sử dụng với đầu đọc kiểu
Thời gian truy cập đĩa
(67)để định vị liệu cần đọc/ghi Khi đầu đọc vị trí, thao tác đọc/ghi thực sector di chuyển đầu đọc
5.2 RAID
Như thảo luận phần trước, tốc độ cải tiến hiệu suất lưu trữ thiết bị so với tốc độ cải tiến cho xử lý nhớ Sự không đồng dẫn đến việc hệ thống lưu trữ đĩa trở thành chủ đề cải tiến hiệu suất vận hành toàn hệ thống máy tính
Cũng với yếu tố khác có ảnh hưởng đến vận hành máy, nhà thiết kế đĩa nhận biết để đạt cải tiến mặt hiệu suất, thành phần cần phải phát triển song song Trong trường hợp lưu trữ đĩa, điều dẫn đến phát triển mảng đĩa hoạt động độc lập song song Với nhiều đĩa, yêu cầu nhập/xuất riêng lẻ quản lý song song liệu yêu cầu lưu đĩa tách biệt Hơn nữa, yêu cầu nhập/xuất đơn lẻ thực song song khối liệu cần truy cập phân bố nhiều đĩa
Bằng sử dụng hệ thống nhiều đĩa, có nhiều cách thức tổ chức đĩa tận dụng tính thừa liệu nhằm cải thiện độ tin cậy hệ thống Tuy nhiên, điều gây khó khăn cho việc phát triển sơ đồ sở liệu có ích số tảng hệ điều hành Để giải vấn đề này, có sơ đồ chuẩn hóa cho thiết kế sở liệu đa đĩa gọi RAID (Redundant Array of Independent Disks) Sơ đồ RAID gồm có sáu mức từ đến Các mức không tạo thành quan hệ phân cấp định kiến trúc khác có chung đặc điểm sau:
RAID tập hợp ổ đĩa vật lý nhìn từ hệ điều hành ổ đĩa logic đơn Dữ liệu phân bố mảng ổ đĩa vật lý
Dung lượng đĩa dư thừa sử dụng để lưu trữ thông tin chẵn lẻ nhằm bảo đảm khả phục hồi liệu trường hợp có hư hỏng đĩa
(68)có dung lượng lớn nhiều ổ đĩa có dung lượng nhỏ hơn, theo cách thức cho phép truy cập đồng thời đến liệu từ nhiều ổ đĩa, nhờ cải thiện hiệu suất nhập/xuất cho phép gia tăng bước dung lượng cách dễ dàng
Sự đóng góp bật đề xuất RAID giải có hiệu u cầu tính dư thừa Mặc phép nhiều đầu đọc hoạt động lúc dẫn đến tốc độ truyền nhập/xuất liệu cao hơn, việc sử dụng nhiều thiết bị làm gia tăng xác suất hư hỏng Để đền bù cho giảm sút độ tin cậy này, RAID sử dụng thông tin chẵn lẻ lưu trữ việc phục hồi liệu đĩa hỏng
Hình 5.2 5.3 cho thấy sáu sơ đồ RAID hỗ trợ yêu cầu liệu với bốn đĩa khơng triển khai tính dư thừa liệu Nó khái quát liệu người sử dụng liệu thừa, yêu cầu lưu trữ quan hệ nhiều mức khác
(69)Hình 5.3 Các mức RAID (tiếp theo hình 5.2)
(70)Bài tập số 1: Chúng ta sử dụng ký hiệu sau cho hệ thống đĩa: ts = thời gian tìm kiếm, thời gian trung bình để định vị đầu đọc/ghi track
R = tốc độ quay đĩa theo số vòng/giây N = số bit sector
M = dung lượng track theo bit TA = thời gian truy cập sector
Hãy phát triển công thức cho TA theo tham số lại
Bài tập số 2: Tốc độ truyền liệu đơn vị băng từ track tốc độ băng 120 inch/giây độ trù mật băng 1600 bit tuyến tính/inch?
Bài tập số 3: Rõ ràng việc tạo dải đĩa cải tiến tốc độ truyền liệu kích thước dải nhỏ kích thước nhập/xuất yêu cầu Ngoài biết RAID cung cấp hiệu cải tiến so với đĩa đơn lớn nhiều u cầu nhập/xuất quản lý song song Tuy nhiên, trường hợp liệu việc tạo dải đĩa có cần thiết hay khơng? Tức là, liệu việc tạo dải đĩa có cải tiến tốc độ nhập/xuất u cầu so với mảng đĩa khơng có tạo dải?
Một số địa liên quan đến kiến trúc máy tính
Web Site for the Books of William Stallings UW-Madison Computer Architecture Group CS : 211 Computer Architecture