Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 6 trình bày vai trò của bộ nhớ chính, bộ nhớ phân cấp và một số nội dung khác nhằm giúp sinh viên hiểu rõ hơn về bộ nhớ trong máy tính.
Khoa KH & KT Máy tính Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Phạm Tường ng Nguyễn Quốc Hải Tuấn Tài liệu tham khảo ) “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 ) “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L Hennessy & David A Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 06 Chương Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 Vai trị nhớ ) Bộ nhớ (main memory) đơn vị chứa chương trình liệu trình hoạt động máy tính ) Chương trình nạp vào nhớ trước thực thi xử lý • Chương trình gồm nhiều câu lệnh xếp nhớ • Trong q trình thực thi chương trình, câu lệnh chứa nhớ đọc thực thi xử lý ) Dữ liệu liên quan đến chương trình bao gồm • Số liệu đầu vào: nạp vào nhớ với chương trình • Kết cuối cùng: ghi vào nhớ trước thể bên ngồi • Kết trung gian: đa phần ghi tạm vào nhớ q trình thực thi chương trình Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 ) Chương trình liệu lấy khỏi nhớ (thực chất ghi chồng lên !) sau kết thúc thực thi ) Các hoạt động liên quan đến nhớ • • • • • Ghi câu lệnh chương trình Ghi số liệu đầu vào Ghi kết kết trung gian Đọc câu lệnh Đọc số liệu đầu vào kết trung gian (đọc tốn hạng) ) Các cơng nghệ thực nhớ • • • • Chuyển mạch điện từ (relay) Xuyến từ Bộ nhớ bán dẫn: ROM, SRAM, DRAM Đĩa từ Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 ) Kiến trúc nhớ 1ù 5ù 2ù 3ù chọn ô nhớ Ô nhớ * Tác vụ đọc ô nhớ * Tác vụ ghi ô nhớ Kiến trúc Máy tính - Chap 06 G H I Vùng nhớ Vùng nhớ Thanh ghi địa Mạch giải mã chọn ô nhớ Thanh ghi liệu Các tác vụ liên quan đến nhớ Ñ O ÏC • • • • • 0ù 4ù Mạch giải mã chọn ô nhớ Địa Thanh ghi địa Điều khiển ĐỌC/GHI Thanh ghi liệu Dữ liệu 6.2 Bộ nhớ phân cấp ) Người sử dụng đòi hỏi nhớ • Dung lượng vơ tận • Tốc độ nhanh • Giá thành thấp ) Mâu thuẫn địi hỏi • Mâu thuẫn dung lượng tốc độ • Mâu thuẫn dung lượng giá thành • Mâu thuẫn tốc độ giá thành ) Liệu có giải pháp khả thi cho đòi hỏi ? ) Khảo sát phân tích cách làm đọc giả thư viện ) Liên tưởng đến hoạt động nhớ ? Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.2 ) Nguyên lý phân bổ vị trí (principle of locality) • Các nguyên lý rút dựa khảo sát việc truy xuất nhớ thực thi chương trình • Phân bổ thời gian (temporal locality): phần tử liệu/chương trình truy xuất, phần tử lại truy xuất tương lai gần • Phân bổ khơng gian (spatial locality): phấn tử liệu/chương trình truy xuất, phần tử lân cận phần tử truy xuất tương lai gần • Suy nghiệm nguyên lý việc truy xuất chương trình liệu ) Liên tưởng đến việc truy xuất sách thư viện ) Giải pháp áp dụng cho nhớ ? • Kiến trúc ? • Hiệu đạt ? Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.2 ) Các nguyên lý phân bổ khai thác nhờ vào kiến trúc nhớ phân cấp (memory hierarchy) • Một nhớ phân cấp bao gồm nhiều cấp (level) nhớ với tốc độ kích thước khác • Bộ nhớ có tốc độ nhanh đơn giá/bit cao Ư kích thước nhớ phân cấp Size Cost ($/bit) Speed CPU phải nhỏ Fastest • Bố trí kích thước, tốc độ, giá thành cấp nhớ hệ nhớ phân cấp Smallest Highest Biggest Lowest Memory Slowest Kiến trúc Máy tính - Chap 06 Memory Memory 6.2 ) Khảo sát công nghệ nhớ thơng dụng hành • Tốc độ giá thành Technology Typical access time $ per Mbyte in 1997 SRAM - 25 ns $100 - $250 DRAM 60 - 120 ns $5 - $10 10 - 20 million ns $0.10 - $0.20 Magnetic disk • Vì cơng nghệ nhớ có khác biệt lớn tốc độ giá thành, nên việc tổ chức nhớ thành nhiều cấp, cấp gần CPU có tốc độ cao có kích thước nhỏ hồn tồn hợp lý • Bộ nhớ sử dụng cơng nghệ DRAM • Bộ nhớ nằm gần với CPU sử dụng cơng nghệ SRAM • Bộ nhớ phụ sử dụng cơng nghệ đĩa từ, có dung lượng lớn tốc độ chậm nhiều lần so với nhớ Kiến trúc Máy tính - Chap 06 10 6.2 ) Sơ đồ khối kiến trúc nhớ phân cấp ) Trong hệ nhớ phân cấp, cấp gần CPU tập cấp xa cấp xa (hay thấp nhất) cấp chứa tất chương trình/dữ liệu CPU Level Level Level n ) Tuy hệ nhớ phân cấp tổ chức thành nhiều cấp, thời điểm, thông tin chép cấp kề mà thơi Ư Chúng ta giới hạn khảo sát cấp Kiến trúc Máy tính - Chap 06 11 6.2 ) Trong hệ nhớ cấp (two-level hierarchy) • Cấp cao (upper level) - cấp gần CPU – có kích thước nhỏ có tốc độ nhanh (do sử dụng cơng nghệ nhớ có tốc độ nhanh mắc tiền hơn) so với cấp thấp (lower level) • Đơn vị thơng tin nhỏ diện không diện hệ nhớ cấp gọi block Kiến trúc Máy tính - Chap 06 CPU Upper level Lower level 12 6.2 • Trường hợp liệu CPU yêu cầu nằm block nhớ cấp cao gọi hit • Trường hợp ngược lại với hit gọi miss Trong trường hợp này, nhớ cấp thấp truy xuất để chép block thơng tin có chứa liệu cần thiết lên nhớ cấp cao sau chuyển liệu yêu cầu (nằm block thơng tin vừa chép) đến CPU • Hit rate hay hit ratio tỉ lệ hit truy xuất nhớ cấp cao • Quan hệ hit ratio miss ratio miss ratio = - hit ratio • Ở hệ nhớ cấp, hit ratio nhớ cấp thấp ln ln • hit time thời gian truy xuất liệu ứng với hit, bao gồm thời gian xác định hit hay miss + thời gian chuyển liệu đến CPU • miss penalty bao gồm thời gian thay block nhớ cấp cao block từ nhớ cấp thấp + thời gian chuyển liệu đến CPU Kiến trúc Máy tính - Chap 06 13 ... PUBLISHERS, INC 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 06 Chương Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 Vai trò nhớ ) Bộ nhớ (main memory) đơn vị chứa chương trình liệu trình hoạt động máy tính ) Chương trình nạp... dẫn: ROM, SRAM, DRAM Đĩa từ Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 ) Kiến trúc nhớ 1ù 5ù 2ù 3ù chọn ô nhớ Ô nhớ * Tác vụ đọc nhớ * Tác vụ ghi nhớ Kiến trúc Máy tính - Chap 06 G H I Vùng nhớ Vùng nhớ... vào nhớ với chương trình • Kết cuối cùng: ghi vào nhớ trước thể bên ngồi • Kết trung gian: đa phần ghi tạm vào nhớ q trình thực thi chương trình Kiến trúc Máy tính - Chap 06 6.1 ) Chương trình