Bài giảng kiến trúc máy tính (computer architecture) chương 7 nguyễn kim khánh

NKK-HUST c om Kiến trúc máy tính cu u du o ng th an co ng Chương BỘ NHỚ MÁY TÍNH Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 352 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Nội dung học phần cu u du o ng th an co ng c om Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến trúc song song 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 353 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Nội dung chương cu u du o ng th an co ng 7.1 Tổng quan hệ thống nhớ 7.2 Bộ nhớ 7.3 Bộ nhớ đệm (cache) 7.4 Bộ nhớ 7.5 Bộ nhớ ảo 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 354 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 7.1 Tổng quan hệ thống nhớ n Bộ nhớ ngoài: du o n thiết bị lưu trữ cu n n nhớ nhớ đệm (cache) th n an Bộ nhớ trong: ng n tập ghi co n ng Bên CPU: u n c om Các đặc trưng nhớ n Vị trí Dung lượng n n Độ dài từ nhớ (tính bit) Số lượng từ nhớ 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 355 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các đặc trưng nhớ (tiếp) n n ng n Truy nhập (băng từ) Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa) Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) Truy nhập liên kết (cache) du o n th an Phương pháp truy nhập u n ng n Từ nhớ Khối nhớ co n c om Đơn vị truyền cu n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 356 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các đặc trưng nhớ (tiếp) n n Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ từ Bộ nhớ quang du o n ng co Kiểu vật lý u n an n th n Thời gian truy nhập Chu kỳ nhớ Tốc độ truyền ng n c om Hiệu (performance) cu n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 357 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các đặc trưng nhớ (tiếp) Các đặc tính vật lý Khả biến / Khơng khả biến (volatile / nonvolatile) Xố / khơng xố th Tổ chức cu u du o ng n an n co ng n c om n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 358 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân cấp nhớ ng Bộ nhớ (HDD, SSD) Bộ nhớ mạng an co Cache Thiết bị lưu trữ du o ng th Tập ghi c om Bộ vi xử lý CPU cu u Từ trái sang phải: n dung lượng tăng dần n tốc độ giảm dần n giá thành dung lượng giảm dần 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 359 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Thời gian truy nhập SRAM 0,5 – 2,5 ns $500 – $1000 DRAM 50 – 70 ns $10 – $20 $0,75 – $1 ng co an du o $0,05 – $0,1 u – 20 ms Bộ nhớ lý tưởng cu n ng Flash memory 5.000 – 50.000 ns HDD Giá thành/GiB (2012) c om Công nghệ nhớ th Công nghệ nhớ n n Thời gian truy nhập SRAM Dung lượng giá thành ổ đĩa cứng 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 360 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Nguyên lý cục hoá tham chiếu nhớ Trong khoảng thời gian đủ nhỏ CPU thường tham chiếu thông tin khối nhớ cục Ví dụ: co ng c om n an n th cu u n ng n Cấu trúc chương trình Vịng lặp có thân nhỏ Cấu trúc liệu mảng du o n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 361 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST RAID 0, 1, 198 strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip 10 strip 11 strip 12 strip 13 strip 14 strip 15 ng strip c om CHAPTER / EXTERNAL MEMORY strip strip strip strip strip strip strip 10 strip 12 strip 13 strip 14 strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip 11 strip strip strip 10 strip 11 strip 15 strip 12 strip 13 strip 14 strip 15 b3 f0 (b) f1(b) f2 (b) th strip du o ng strip an co (a) RAID (Nonredundant) cu u (b) RAID (Mirrored) b0 b1 b2 (c) RAID (Redundancy through Hamming code) Figure 6.8 RAID Levels 2017 Kiến trúc máy tính RAID Level CuuDuongThanCong.com 417 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST RAID & b2 b3 P(b) block block P(0-3) block block P(4-7) ng b1 199 an co b0 c om 6.2 / RAID ng th (d) RAID (Bit-interleaved parity) block block block block block block 10 block 11 P(8-11) block 12 block 13 block 14 block 15 P(12-15) cu u du o block (e) RAID (Block-level parity) 2017 block block block block P(0-3) block block block block block block P(4-7) Kiến trúc máy tính P(8-11) block 10 block 11 block 13 block 15 block 12CuuDuongThanCong.com P(12-15) block 14 418 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST block block block block P(0-3) block block block block P(4-7) block block block 10 block 11 P(8-11) block 12 block 13 block 14 block 15 P(12-15) RAID & c om (e) RAID (Block-level parity) block block block block block block P(4-7) block block block P(8-11) block 10 block 11 block 12 P(12-15) block 13 block 14 P(16-19) block 16 block 17 block 18 block block block block block block 12 P(12-15) u cu co an block 19 block block P(0-3) Q(0-3) block P(4-7) Q(4-7) block P(8-11) Q(8-11) block 10 block 11 Q(12-15) block 13 block 14 block 15 du o block block 15 th ng (f) RAID (Block-level distributed parity) P(0-3) ng block (g) RAID (Dual redundancy) Figure 6.8 RAID Levels (continued) 2017 second strips on each disk; and so on TheKiến advantage trúc máy of tínhthis layout is that if a single I/O request consists of multiple logically contiguous strips, then up to n strips for that request can be handled in parallel, greatly reducing the I/O transfer time CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 419 NKK-HUST Ánh xạ liệu RAID CHAPTER / EXTERNAL MEMORY Physical disk strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip 12 strip 13 ng Logical disk Physical disk strip Array management software strip strip 11 strip 10 strip 11 strip 14 strip 15 cu u strip 12 Data Mapping for a RAID Level Array RAID 2017 strip du o strip 10 Figure 6.9 strip ng strip strip 15 strip th strip strip 14 strip an strip strip 13 Physical disk co strip Physical disk c om 200 FOR HIGH DATA TRANSFER CAPACITY The performance of any of the RAID levels depends critically on the request patterns of the host system and on trúc the layout of the data These Kiến issues canmáy be tính most clearly addressed in RAID 0, where the impact of redundancy does not interfere with the analysis First, let us consider CuuDuongThanCong.com the use of RAID to achieve a high data transfer rate For applications https://fb.com/tailieudientucntt to experience 420 NKK-HUST 7.5 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) c om Khái niệm nhớ ảo: gồm nhớ nhớ mà CPU coi nhớ (bộ nhớ chính) Các kỹ thuật thực nhớ ảo: Kỹ thuật phân trang: Chia không gian địa nhớ thành trang nhớ có kích thước nằm liền kề Thơng dụng: kích thước trang = 4KiB Kỹ thuật phân đoạn: Chia khơng gian nhớ thành đoạn nhớ có kích thước thay đổi, đoạn nhớ gối lên n cu u du o ng n th n an co ng n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 421 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân trang c om du o cu n u n ng th an n ng n Phân chia nhớ thành phần có kích thước gọi khung trang Chia chương trình (tiến trình) thành trang Cấp phát số hiệu khung trang yêu cầu cho tiến trình OS trì danh sách khung trang nhớ trống Tiến trình khơng u cầu khung trang liên tiếp Sử dụng bảng trang để quản lý co n n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 422 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST that are relatively small, and that each process is also divided into small fixed-size chunks of some size Then the chunks of a program, known as pages, could be assigned to available chunks of memory, known as frames, or page frames At most, then, the wasted space in memory for that process is a fraction of the last page Figure 8.15 shows an example of the use of pages and frames At a given point in time, some of the frames in memory are in use and some are free The list of free frames is maintained by the OS Process A, stored on disk, consists of four pages Cấp phát khung trang Process A 13 Page of A 14 Page Page Page Page 14 Page of A 15 Page of A 16 In use Free frame list 20 17 In use Process A page table 18 Page of A 19 In use ng Page Page Page Page 17 du o u cu th In use In use ng 16 an 15 Free frame list 13 14 15 18 20 Main memory 13 co Process A c om Main memory 18 19 18 In use 13 14 15 20 (a) Before 20 (b) After Figure 8.15 Allocation of Free Frames 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 423 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST shown in Figure 8.16 This approach solves the problems raised earlier Main memory is divided into many small equal-size frames Each process is divided into frame-size pages: smaller processes require fewer pages, larger processes require more When a process is brought in, its pages are loaded into available frames, and a page table is set up Địa logic địa vật lý phân trang 30 Physical address th 13 30 Page of A 13 Page of A 14 Page of A 15 ng Logical address Frame Relative address number within frame an Page Relative address number within page co ng c om Main memory du o 16 cu u 18 17 13 14 Page of A 15 18 Process A page table 2017 Figure 8.16 Logical and Physical Addresses Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 424 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân trang theo yêu cầu n Trang u cầu khơng có nhớ HĐH cần hốn đổi trang u cầu vào Có thể cần hốn đổi trang để lấy chỗ Cần chọn trang để đưa n cu u n th n an Lỗi trang ng n ng n Không yêu cầu tất trang tiến trình nằm nhớ Chỉ nạp vào nhớ trang yêu cầu co n du o n c om Nguyên tắc làm việc nhớ ảo phân trang 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 425 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Thất bại th ng n n du o n Thuật toán thay trang Giảm bớt số tiến trình chạy Thêm nhớ u n cu n an co n c om n Quá nhiều tiến trình nhớ nhỏ OS tiêu tốn tồn thời gian cho việc hốn đổi Có khơng có cơng việc thực Đĩa luôn sáng Giải pháp: ng n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 426 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Lợi ích c om ng du o cu n u n ng th n co n Khơng cần tồn tiến trình nằm nhớ để chạy Có thể hốn đổi trang yêu cầu Như chạy tiến trình lớn tổng nhớ sẵn dùng Bộ nhớ gọi nhớ thực Người dùng cảm giác nhớ lớn nhớ thực an n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 427 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Cấu trúc bảng trang 8.3 / MEMORY MANAGEMENT c om Virtual address n bits Page # Offset Page # m bits Control bits Process ID Chain i ng th an co ng n bits Hash function 291 cu u du o j 2m Ϫ Inverted page table (one entry for each physical memory frame) Figure 8.17 2017 Frame # Offset m bits Real address Inverted Page Table Structure inverted page table for each real memory page frame rather than one per virtual Kiến trúc máy tính page Thus a fixed proportion of real memory is required for the tables regardless of the number of processes or virtual pages supported Because more than one virtual CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 428 NKK-HUST co Bộ nhớ chính: Tồn dạng mơ-đun nhớ RAM cu u du o n an n L1: cache lệnh cache liệu L2, L3 th n ng Bộ nhớ cache: tích hợp chip vi xử lý: ng n c om Bộ nhớ máy tính PC 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 429 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ nhớ PC (tiếp) n n n n ng Chứa thơng tin cấu hình hệ thống Đồng hồ hệ thống Có pin ni riêng du o n n co CMOS RAM: u n an n th n Chương trình POST (Power On Self Test) Chương trình CMOS Setup Chương trình Bootstrap loader Các trình điều khiển vào-ra (BIOS) ng n c om ROM BIOS chứa chương trình sau: cu n Video RAM: quản lý thơng tin hình Các loại nhớ ngồi 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 430 https://fb.com/tailieudientucntt co ng c om NKK-HUST cu u du o ng th an Hết chương 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 431 https://fb.com/tailieudientucntt ... Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến. .. 20 17 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 383 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST m=8bit băng nhớ tuyến tính th an co ng c om i cu u du o ng AN-1 - A0 D7 - D0 20 17 Kiến trúc máy tính. .. trúc song song 20 17 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 353 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Nội dung chương cu u du o ng th an co ng 7. 1 Tổng quan hệ thống nhớ 7. 2 Bộ nhớ 7. 3