Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 4: Bộ nhớ máy tính. Nội dung chính trong chương này: Tổng quan về hệ thống nhớ, bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ chính, bộ nhớ đệm nhanh, bộ nhớ ngoài. Mời các bạn tham khảo.
KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH (Computer Organization and Architecture) Chương Bộ nhớ máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Nội dung Tổng quan hệ thống nhớ – – Đặc trưng hệ thống nhớ Phân cấp hệ thống nhớ Bộ nhớ bán dẫn – – – Phân loại Tổ chức chip nhớ Thiết kế module nhớ bán dẫn Bộ nhớ Bộ nhớ đệm nhanh – – Nguyên tắc chung cache Các phương pháp ánh xạ Bộ nhớ bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 4.1 Tổng quan hệ thống nhớ Các đặc trưng hệ thống nhớ – Vị trí (location) • Bên Bộ xử lý: Các ghi • Bộ nhớ trong: Bộ nhớ chính; Bộ nhớ cache • Bộ nhớ ngồi: Đĩa từ, băng từ, Đĩa quang – Dung lượng (capacity) • Độ dài ngăn nhớ (tính bit: 16 bit, 32 bit, 64bit) • Số lượng ngăn nhớ – Đơn vị truyền (unit of transfer) • Truyền theo từ nhớ (word) • Truyền theo khối nhớ (block) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 4.1 Tổng quan hệ thống nhớ (tt) Các đặc trưng (tiếp) – Phương pháp truy nhập (access method) • Truy nhập (băng từ) • Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang) • Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ trong) • Truy nhập liên kết (bộ nhớ cache) – Kiểu vật lý nhớ (physical type) • Bộ nhớ bán dẫn • Bộ nhớ từ: băng từ đĩa từ • Bộ nhớ quang: đĩa quang – Các đặc trưng vật lý (physical characteristics) • Bộ nhớ khả biến / khơng khả biến • Bộ nhớ xóa / khơng xóa bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 4.1 Tổng quan hệ thống nhớ (tt) Các đặc trưng (tiếp) – Hiệu • Thời gian truy nhập • Chu kỳ nhớ • Tốc độ truyền bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính Phân cấp hệ thống nhớ Bộ xử lý Tập thi Cache L1 Cache L2 Bộ nhớ Bộ nhớ ngồi Bộ nhớ mạng Từ trái sang phải: Dung lượng tăng dần Tốc độ trao đổi liệu giảm dần Giá thành /1 bit giảm dần Tần xuất truy cập CPU giảm dần Mức trái chứa phần liệu mức phải bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 4.2 Bộ nhớ bán dẫn Phân loại nhớ bán dẫn Kiểu nhớ Read Only Memory (ROM) Programmable ROM (PROM) Erasable PROM (EPROM) Electrically Erasable PROM (EEPROM) Flash memory Random Access Memory (RAM) bangtqh@utc2.edu.vn Tiêu chuẩn Khả xóa Bộ nhớ đọc Khơng xóa Hầu đọc Bộ nhớ Đọc-Ghi Cơ chế ghi Khả biến Mặt nạ Bằng tia cực tím Khơng Bằng điện byte Bằng điện khối Bằng điện byte Chương - Bộ nhớ máy tính Bằng điện Có ROM (Read Only Memory) Bộ nhớ không khả biến Lưu trữ thông tin: – – – – Thư viện chương trình Các chương trình điều kiển hệ thống Các bảng chức Vi chương trình bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính Các kiểu ROM ROM mặt nạ (ROM cố định): – Thông tin ghi sản xuất – Rất đắt PROM (Programmble ROM): – Khi sản xuất chưa ghi liệu – Cần thiết bị chuyên dùng để ghi chương trình, ghi lần EPROM (Erasable PROM): – Khi sản xuất chưa ghi liệu – Cần thiết bị chuyên dụng để ghi chương trình, ghi nhiều lần – Trước ghi lại, phải xóa tia cực tím bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính Các kiểu ROM (tt) EEPROM (Electrically Erasable PROM): – Có thể ghi theo byte – Xóa điện – Ghi lâu đọc Flash memory (bộ nhớ cực nhanh) – Ghi theo khối – Xóa điện bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 10 RAM (Random Access Memory) Bộ nhớ đọc / ghi Khả biến Lưu trữ thông tin tạm thời Có hai loại RAM: – SRAM (Static RAM) – DRAM (Dynamic RAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 11 Các kiểu RAM (tt) SRAM (Ram tĩnh) – – – – – – – Các bit lưu trữ Flip-Flop Không cần mạch làm tươi Cấu trúc phức tạp DRAM Dung lượng nhỏ Tốc độ nhanh DRAM Đắt DRAM Dùng làm nhớ cache bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 12 Các kiểu RAM DRAM (Ram động) – Các bit lưu trữ tụ điện → cần phải có mạch làm tươi – Cấu trúc đơn giản – Dung lượng lớn – Tốc độ chậm SRAM – Rẻ SRAM – Dùng làm nhớ DRAM có nhiều loại – SDR DRAM (Single Data Rate DRAM) – DDR DRAM (Double Data Rate DRAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 13 Các kiểu DRAM SD DRAM (Single Data Rate DRAM) – Truy xuất đồng với xung đồng hồ DDR DRAM (Double Data Rate SDRAM) – DDR2 – DDR3 RDRAM (Rambus DRAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 14 Tổ chức chip nhớ §iỊu khiĨn Chän Ô nhớ Điều khiển Dữ liệu vào Chọn a) Ghi Dữ liệu Ô nhớ b) Đọc ễ nh l phần tử nhớ bit thơng tin Các tín hiệu: • Tín hiệu chọn gửi đến để chọn nhớ • Tín hiệu điều khiển thị việc ghi hay đọc • Tín hiệu thứ ba đường liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 15 Tổ chức chip nhớ (tt) Sơ đồ chip nhớ A0 A1 An - D0 Chip nhớ 2n x m bit CS Dm - RD bangtqh@utc2.edu.vn D1 WR Chương - Bộ nhớ máy tính 16 Các tín hiệu chip nhớ Các đường địa chỉ: A0 ÷ An - → có 2n ngăn nhớ Các đường liệu: D0 ÷ Dm - → độ dài ngăn nhớ 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 Các tín hiệu tích cực mức bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 17 Tổ chức DRAM Dùng n đường địa dồn kênh → cho phép truyền 2n bit địa Tín hiệu chọn địa hàng RAS (Row Address Select) Tín hiệu chọn địa cột CAS (Column Address Select) Dung lượng DRAM: 22n x m bit Ví dụ – DRAM có 14 chân địa dồn kênh, chân liệu dung lượng = 228 x bit = 28 x 220 x = 256 MB x bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 18 VD: chip 16MB DRAM (4M x bit) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 19 Các chip nhớ (nhìn bên ngồi) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 20 Khn dạng rãnh (track) Sector Gap1 Byte 17 Sync Byte Byte ID Gap2 Track bangtqh@utc2.edu.vn 41 Sector Data Gap3 515 Head Gap1 20 Sector 17 ID CRC Gap2 41 Sync Byte Data Gap3 515 20 Data CRC 512 Chương - Bộ nhớ máy tính 73 Chương - Bộ nhớ máy tính 74 Nhiều đĩa bangtqh@utc2.edu.vn Cylinders bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 75 Tốc độ đĩa Thời gian truy nhập = t/g tìm kiếm + t/g trễ Tốc độ truyền Thời gian tìm kiếm – Di chuyển đầu từ đến rãnh Thời gian trễ – Chờ đến liệu nằm đầu từ bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 76 Đĩa mềm 8”, 5.25”, 3.5” Tốc độ chậm, rẻ tiền Dung lượng nhỏ (Chỉ tới 1.44MB) (loại 2.88 MB không phổ dụng) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 77 Đĩa cứng Do IBM phát triển Một nhiều đĩa Thông dụng Dung lượng tăng nhanh – – – – 2003: 20 GB, 30 GB, 40 GB 2004: > 100 GB … 2014: > TB Tốc độ đọc/ghi nhanh Giá thành rẻ bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 78 a cng (tt) Trục quay Cần mang đầu từ Cơ cấu chuyển động đầu từ Đĩa Đầu từ Điện Cáp liệu (SCSI EIDE) bangtqh@utc2.edu.vn Chng - B nhớ máy tính 79 RAID Redundant Array of Independent Disks Có loại RAID (RAID ÷ RAID 6) Tập hợp nhiều đĩa vật lý HĐH coi đĩa (logic) Dữ liệu lưu trữ phân tán nhiều đĩa vật lý khác Dung lượng lên tới hàng nghìn GB Có thể sử dụng dung lượng dư thừa để lưu trữ thông tin kiểm tra chẵn lẻ, cho phép khôi phục lại thông tin trường hợp đĩa bị hỏng Do dung lượng lớn ⇒ cần có phần đĩa dùng để lưu trữ thơng tin an toàn bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 80 RAID Khơng có phần dư thừa (thơng tin an toàn) Dữ liệu chứa strip Tăng tốc độ: – Dữ liệu không chứa đĩa – Các đĩa tìm kiếm theo chế song song bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 81 ánh xạ liệu RAID bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 82 RAID Dùng kỹ thuật mirroring (n + n đĩa) Dữ liệu chứa strip, nhân thành chứa đĩa khác Khi đọc: nào; Khi ghi: ghi vào hai Khi bị lỗi: đọc từ nhân lại Giá thành đắt bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 83 RAID Dùng (n + m) đĩa: n đĩa liệu, m đĩa mã Hamming Các strip bé: khoảng byte Việc sửa lỗi tính dựa theo bit tương ứng đĩa Nhiều đĩa chứa mã Hamming để sửa lỗi vị trí tương ứng Nhiều phần dư thừa: đắt; khơng phổ dụng bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 84 RAID Tương tự RAID 2, phần thông tin an toàn dùng đĩa Chỉ dùng bit parity cho tập bit liệu tương ứng Dữ liệu bị lỗi khôi phục lại nhờ phần liệu “cịn sống” thơng tin parity: + + + ? = 20 ⇒ ? = Tốc độ truyền liệu nhanh bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 85 RAID Thích hợp với truyền liệu tốc độ cao Strip lớn Mỗi đĩa hoạt động độc lập Bit parity tính tốn dựa vào strip đĩa Parity lưu trữ đĩa parity theo khối bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 86 RAID Tương tự RAID 4, parity phân bố đĩa ⇒ tránh tắc nghẽn đĩa parity Thường dùng server mạng bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 87 RAID Dùng (n + 2) đĩa Dùng khối parity Hai khối parity lưu trữ riêng biệt đĩa khác bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 88 Đĩa quang CD-ROM Dung lượng thơng dụng: 650MB ÷ 700MB Chất dẻo phủ lớp polycarbonate, bên tráng lớp có khả phản xạ cao, thường nhôm Dữ liệu lưu trữ nhờ hốc (pit) phần (land) Đọc liệu dựa vào phản xạ tia laser Tốc độ đọc sở = 150KB/s Tốc độ bội: 48x, 52x, v.v bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 89 Hoạt động đĩa CD bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 90 Vận tốc đĩa CD-ROM Đĩa nhạc có vận tốc đơn – Kiểu đọc: vận tốc tuyến tính khơng đổi (CLV - Constant Linier Velocity) 1,2 m/s – Rãnh (xoáy ốc) dài khoảng 5,27 km – Thời gian đọc cần 4391giây = 73,2 phút – Tốc độ đọc sở: 150KB/s Các tốc độ khác bội số, ví dụ: 48x, 52x, bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 91 Khn dạng CD-ROM Mode 0: trường liệu trống Mode 1: 2048 byte liệu + sửa lỗi Mode 2: 2336 byte liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 92 Các nhớ quang khác CD-R (CD Recordable) – WORM – Tương thích với ổ đĩa CD-ROM CD-RW (CD ReWriteable) – – – – – Có thể xóa Khơng đắt Hầu hết tương thích với ổ đĩa CD-ROM Thay đổi pha Dùng vật liệu có hai hệ số phản xạ khác thuộc hai pha khác bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 93 Các nhớ quang khác DVD – – – – – Digital Video Disk: dùng ổ đĩa xem video Digital Versatile Disk: dùng ổ máy tính Ghi hai mặt Nhiều lớp mặt Dung lượng: 4,7 GB lớp bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 94 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 bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 95 Băng từ Băng từ – – – – Truy nhập Tốc độ chậm Giá thành rẻ Dùng để lưu trữ backup Băng audio số (DAT) – Được dùng với đầu t? quay (như đầu t? video) – Dung lượng tương đối lớn – GB không nén – GB nén – Dùng để backup PC, server mạng bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 96 Thắc mắc – Thảo luận? bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 97 Bài tập Bài 1: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x bit Hãy thiết kế modul nhớ có dung lượng 8K x 32 bit Bài 2: Cho IC nhớ có dung lượng 4K x 16 bit Hãy thiết kế modul nhớ có dung lượng 16K x 16 bit Bài 3: Cho IC nhớ có dung lượng 4K x bit Hãy thiết kế modul nhớ có dung lượng 32K x bit Bài 4: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x bit Chỉ dùng Bộ giải mã 2:4, thiết kế modul nhớ có dung lượng 16K x bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 98 Bài tập Bài 5: Cho IC nhớ có dung lượng 4K x bit Chỉ dùng Bộ giải mã 3: 8, thiết kế modul nhớ có dung lượng 8K x bit Bài 6: Cho IC nhớ có dung lượng 2K x bit Chỉ dung Bộ giải mã 3:8, thiết kế modul nhớ có dung lượng 8K x bit Bài 7: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x bit Chỉ dùng Bộ giải mã 1:2, thiết kế modul nhớ có dung lượng 32K x 8bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 99 Bài tập Bài 8: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x bit Chỉ dùng Bộ giải mã 1:2, thiết kế modul nhớ có dung lượng 64K x 32 bit Bài 9: Cho IC nhớ có dung lượng 8K x bit Chỉ dùng Bộ giải mã 2:4, thiết kế modul nhớ có dung lượng 64K x bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 100 Bài tập Bài 1: Mô tả hoạt động kỹ thuật ánh xạ trực tiếp Bài 2: Mô tả hoạt động kỹ thuật ánh xạ liên kết hồn tồn Bài 3: Mơ tả hoạt động kỹ thuật ánh xạ liên kết tập hợp bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 101 ... đan xen Chương - Bộ 37nhớ máy tính m = 32 bit, băng đan xen bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 38 m= 64 bit, băng nhớ đan xen bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 39 4. 4 Bộ nhớ... CRC Gap2 41 Sync Byte Data Gap3 515 20 Data CRC 512 Chương - Bộ nhớ máy tính 73 Chương - Bộ nhớ máy tính 74 Nhiều đĩa bangtqh@utc2.edu.vn Cylinders bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính... ánh xạ liệu từ BNC vào cache bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ nhớ máy tính 45 Cấu trúc chung cache (tt) B0 Tag B1 D÷ liƯu B2 L0 BXL L1 Lm-2 Lm-1 Bé nhí cache Bp-2 Bp-1 Bé nhí chÝnh