Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) Chương 7

NKK-HUST c om Kiến trúc máy tính cu u du on g 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 on g 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 om Nội dung chương cu u du on g th an co ng c 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 n n th Bộ nhớ ngoài: du n nhớ nhớ đệm (cache) g n an Bộ nhớ trong: on n tập ghi co n ng Bên CPU: thiết bị lưu trữ cu 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 n c g Truy nhập (băng từ) Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa) Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) Truy nhập liên kết (cache) on n th an Phương pháp truy nhập du n ng n Từ nhớ Khối nhớ co n om Đơn vị truyền cu u n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 356 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các đặc trưng nhớ (tiếp) n n n c ng co on Kiểu vật lý Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ từ Bộ nhớ quang du n an n th n Thời gian truy nhập Chu kỳ nhớ Tốc độ truyền g n om Hiệu (performance) cu u n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 357 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các đặc trưng nhớ (tiếp) Khả biến / Khơng khả biến (volatile / nonvolatile) Xố / khơng xố th Tổ chức cu u du on g n an n co ng n om Các đặc tính vật lý c n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 358 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân cấp nhớ om Bộ vi xử lý ng Bộ nhớ (HDD, SSD) Bộ nhớ mạng an co Cache Thiết bị lưu trữ du on g th Tập ghi c 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 c ng co an du – 20 ms $0,05 – $0,1 cu u n on g Flash memory 5.000 – 50.000 ns HDD Giá thành/GiB (2012) om Công nghệ nhớ th Công nghệ nhớ Bộ nhớ lý tưởng 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 Cấu trúc chương trình Vịng lặp có thân nhỏ Cấu trúc liệu mảng cu u n du n on g n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 361 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST strip strip strip strip strip strip strip strip strip 10 strip 11 strip 12 strip 13 strip 14 strip 15 c strip ng strip om RAID 0, 1, 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 cu u (b) RAID (Mirrored) du on g strip an co (a) RAID (Nonredundant) b0 b1 b2 (c) RAID (Redundancy through Hamming code) 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 417 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST b2 b3 P(b) block block P(0-3) ng b1 an co b0 c om RAID & block 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) cu u on block du g th (d) RAID (Bit-interleaved parity) (e) RAID (Block-level parity) 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 418 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST om RAID & block block block P(0-3) 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 15 block 19 an co ng c block block block block block block 12 P(12-15) 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 block du block cu u block on g th (f) RAID (Block-level distributed parity) (g) RAID (Dual redundancy) 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 419 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Ánh xạ liệu RAID strip strip strip strip strip strip strip strip strip strip 12 strip 13 strip Array management software strip 11 strip 14 strip 15 cu u du strip 10 strip 15 strip 10 on strip strip 14 strip g strip strip 13 strip th strip strip 12 strip an strip strip 11 strip co strip Physical disk om strip Physical disk c Physical disk ng Logical disk Physical disk 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 420 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 7.5 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) 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 Thông 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 on g n th n an co ng c n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 421 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân trang om 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 n n on cu u du n g th an n co n ng c n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 422 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Cấp phát khung trang 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 c Process A ng Page Page Page Page In use 17 In use on g th 16 cu u du 18 19 an 15 Free frame list 13 14 15 18 20 18 In use 13 14 15 20 (a) Before 2017 Main memory 13 co Process A om Main memory 20 (b) After Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 423 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Địa logic địa vật lý phân trang co ng c om Main memory Physical address th 30 13 30 13 Page of A 14 Page of A 15 cu u du on g Logical address an Frame Relative address number within frame Page Relative address number within page Page of A 16 18 17 13 14 Page of A 18 15 Process A page table 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 424 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Nguyên tắc làm việc nhớ ảo phân trang Không yêu cầu tất trang tiến trình nằm nhớ Chỉ nạp vào nhớ trang yêu cầu n n n th g on n Trang yêu cầu nhớ HĐH cần hốn đổi trang u cầu vào Có thể cần hốn đổi trang để lấy chỗ Cần chọn trang để đưa du n an Lỗi trang cu u n co ng n om Phân trang theo yêu cầu c n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 425 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Thất bại om th g on n n n Thuật toán thay trang Giảm bớt số tiến trình chạy Thêm nhớ du n cu u n an co n c n Quá nhiều tiến trình nhớ nhỏ OS tiêu tốn toàn 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 om 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 co du n cu u n on g th n an n ng c n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 427 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Cấu trúc bảng trang c om Virtual address n bits Page # Offset Page # co m bits i on g th an Hash function Control bits Process ID Chain ng n bits cu u du j 2m Ϫ Inverted page table (one entry for each physical memory frame) 2017 Frame # Offset m bits Real address Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 428 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c Bộ nhớ cache: tích hợp chip vi xử lý: ng n om Bộ nhớ máy tính PC co th n L1: cache lệnh cache liệu L2, L3 an n on g Bộ nhớ chính: Tồn dạng mô-đun nhớ RAM cu u du n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 429 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ nhớ PC (tiếp) n n n n c ng Chứa thơng tin cấu hình hệ thống Đồng hồ hệ thống Có pin ni riêng on n n co CMOS RAM: du 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) g n om ROM BIOS chứa chương trình sau: cu u n Video RAM: quản lý thông 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 on g 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 on g 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 om Nội dung chương cu u du on g th an co ng c 7. 1 Tổng quan hệ thống nhớ 7. 2 Bộ nhớ 7. 3