Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 6 - ĐH Công Nghiệp

Chương Bộ nhớ (Memory) Nội dung • • • • • • Tổng quan hệ thống nhớ Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ Bộ nhớ cache Bộ nhớ Bộ nhớ ảo Tổng quan hệ thống nhớ • Các đặc trưng hệ thống nhớ – Vị trí • Bên CPU: – Tập ghi • Bộ nhớ trong: – Bộ nhớ – Bộ nhớ cache • Bộ nhớ ngồi: thiết bị lưu trữ – Dung lượng • Độ dài từ nhớ (tính bit) • Số lượng từ nhớ Tổng quan hệ thống nhớ • Các đặc trưng hệ thống nhớ (tiếp) – Đơn vị truyền • Từ nhớ (word) • Khối nhớ (block) – Phương pháp truy cập • • • • Truy cập (băng từ) Truy cập trực tiếp (các loại đĩa) Truy cập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) Truy cập kết hợp (cache) Tổng quan hệ thống nhớ • Các đặc trưng hệ thống nhớ (tiếp) – Hiệu (performance) • Thời gian truy cập • Tốc độ truyền – Kiểu vật lý • Bộ nhớ bán dẫn • Bộ nhớ từ • Bộ nhớ quang – Các đặc tính vật lý • Tự mất/ Khơng tự (volatile/ nonvolatile) • Xố được/ khơng xố Tổng quan hệ thống nhớ • Phân cấp hệ thống nhớ Tổng quan hệ thống nhớ • Độ tin cậy nhớ – Nguyên tắc chung: cần tạo lưu trữ thêm thông tin dư thừa • Từ liệu cần ghi vào nhớ: m bit • Cần tạo lưu trữ từ mã: k bit • Lưu trữ (m+k) bit – Phát lỗi • Kiểm tra chẵn/ lẻ (parity): Mỗi byte liệu cần bit kiểm tra • Checksum • CRC (Cyclic Redandancy Check) – Phát sửa lỗi • Dữ liệu mã hố mã có khả sửa lỗi ECC (Error Correction Code), ví dụ : Mã Hamming • Mỗi byte block liệu cần nhiều bit kiểm tra Tổng quan hệ thống nhớ • Độ tin cậy nhớ (tiếp) Bộ nhớ bán dẫn • Phân loại – ROM (Read Only Memory) • Bộ nhớ đọc • Không tự liệu cắt nguồn điện – RAM (Random Access Memory) • Bộ nhớ đọc/ ghi • Tự liệu cắt nguồn điện – Cache • Bộ nhớ có tốc độ cao dung lượng thấp • Trung gian nhớ ghi CPU • Ngày thường tích hợp sẵn CPU Bộ nhớ bán dẫn • ROM – Thơng tin ghi sản xuất – Khơng xố/ sửa nội dung sử dụng – Ứng dụng: • Thư viện chương trình • Các chương trình điều khiển hệ thống nhập xuất BIOS (Basic Input Output System) • Phần mềm kiểm tra bật máy POST (Power On Self Test) • Phần mềm khởi động máy tính (OS loader) • Vi chương trình Bộ nhớ ngồi • Đĩa quang (tiếp) – DVD (Digital Versatile Disk): Loại đĩa dung lượng cao (so với CD), xuất phát từ đĩa phim video (Digital Video Disk) – Khả đọc ghi: DVD-ROM, DVD±R, DVD±RW, DVDRAM – Số mặt/ số lớp: 1-2 mặt, 1-2 lớp/mặt Diameter Capacity – Đường kính: 12cm, 8cm Sides Layers (cm) (GB) – Tốc độ: 1x – 24x (1x=?) 1 1.46 2.66 – Đĩa DVD dung lượng cao 2 2.92 • HD-DVD (15-60GB) • Blue ray (25-50GB) 1 2 2 12 12 12 12 5.32 4.7 8.54 9.4 17.08 Bộ nhớ ảo • Bộ nhớ thật – Khơng gian địa chương trình trùng với khơng gian địa nhớ Cho phép người lập trình truy cập trực tiếp vào nhớ  Khó bảo vệ nhớ – Khi thi hành, hệ điều hành nạp tồn chương trình vào nhớ (nạp trước)  nhớ máy tính phải đủ lớn để chạy CT lớn – Chương trình cấp phát vùng nhớ có địa liên tục (cấp phát liên tục) HĐH thu hồi vùng nhớ sau chương trình kết thúc – Để thực đa chương, HĐH cần chia BN nhiều vùng (partition), vùng cấp phát cho CT – Khi nhớ đầy • HĐH không cấp tiếp, CT phải chờ đến có vùng nhớ trống • HĐH cấp tiếp: Cần kỹ thuật tráo đổi (swapping) để ghi tạm vùng nhớ CT khác BN ngoài, lấy chỗ trống cấp cho CT Bộ nhớ ảo • Bộ nhớ thật (tiếp) Bộ nhớ ảo • Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) – Không gian địa CT (địa ảo) tách biệt với không gian địa BN (địa thực)  CPU HĐH phối hợp để ánh xạ (mapping) địa ảo CT thành địa thật BN – Việc ánh xạ quản lý BN ảo thực qua đơn vị MMU (Memory Management Unit) Bộ nhớ ảo • Bộ nhớ ảo (tiếp) – Khi thi hành, hệ điều hành nạp phần cần thiết CT vào nhớ (nạp theo u cầu), khơng cần nạp tồn CT  tránh lãng phí BN – Các CT cấp phát nhiều vùng nhớ có địa tách biệt (cấp phát không liên tục) – Sử dụng kỹ thuật tráo đổi (swapping) để ghi tạm thời vùng nhớ chưa cần đến BN (swap-out) để lấy chỗ trống nạp thông tin cần thiết vào BN (swap-in) cần đến – BN ngồi thơng dụng đĩa cứng – Có kỹ thuật BN ảo: • Kỹ thuật phân trang : Kích thước vùng nhớ cố định • Kỹ thuật phân đoạn : Kích thước vùng nhớ thay đổi Bộ nhớ ảo • Kỹ thuật phân trang (paging) – Không gian địa ảo CT chia trang ảo (virtual page, gọi tắt page) có kích thước nhau, trang đơn vị cấp phát BN HĐH – Không gian địa thật BN chia thành khung trang (page frame, gọi tắt frame) có kích thước trang (thường 4KB) – Khi có yêu cầu cấp phát BN, HĐH nạp trang theo yêu cầu vào frame BN thật – Khi CT truy cập vào trang chưa cấp phát gây lỗi trang (page fault)  HĐH phải xử lý cách swapping với trang khác chưa cần sử dụng đến (chậm) – HĐH cần bảng quản lý để theo dõi trang nạp vào frame BN cho CT, gọi bảng trang (page table) Bộ nhớ ảo • Kỹ thuật phân trang (tiếp) Bộ nhớ ảo • Ví dụ BN phân trang – BN ảo CT gồm 64KB chia 16 trang, trang 4KB – BN thực gồm 32KB chia frame – BN cấp phát thể bảng trang Bài tập: Hãy tính địa thật từ địa ảo • 10.000 • 20.000 • 30.000 Bộ nhớ ảo • Kỹ thuật phân đoạn (segmentation) – Quan điểm người lập trình BN • Chương trình bao gồm nhiều module • Dữ liệu bao gồm nhiều array, chuỗi, … • Khi truy cập vào địa tương đối module (lệnh thứ mấy) hay array (phần tử thứ mấy) Bộ nhớ ảo • Kỹ thuật phân đoạn (tiếp) – HĐH cấp phát BN theo đoạn (segment) có kích thước theo u cầu lập trình, người lập trình truy cập BN theo offset segment – Địa ảo có dạng (segment, offset) – Khi có yêu cầu cấp phát BN, HĐH nạp segment theo yêu cầu vào vùng trống BN thật Nếu khơng có vùng trống đủ lớn HĐH cần dồn BN để tạo vùng trống đủ lớn – Khi CT truy cập vào segment chưa cấp phát gây lỗi segment (segment fault)  HĐH phải xử lý cách swapping với vài segment khác chưa cần sử dụng đến (chậm) – HĐH cần bảng quản lý để theo dõi segment nạp vào vị trí BN cho CT, gọi bảng segment (segment table) Bộ nhớ ảo • Ví dụ BN phân đoạn Ban đầu S1 swap-out S7 swap-in S4 swap-out S5 swap-in S3 swap-out S6 swap-in Dồn nhớ Bộ nhớ ảo • Tổng quát việc truy cập nhớ máy tính Bộ nhớ ảo • Ưu điểm BN ảo – Cho phép CT lớn BN chạy – Chỉ nạp phần CT cần đến vào BN  tiết kiệm BN • Nhược điểm BN ảo – Tăng phí tổn hệ thống (overhead): Tốn thời gian tính tốn địa ảo sang địa thật, tốn không gian BN chứa bảng trang/ segment – Truy cập BN chậm so với quản lý BN thực: Cần gấp đôi thời gian truy cập BN Khi có page/ segment fault việc truy cập BN biến thành truy cập IO • Cách khắc phục – Cần phần cứng đặc biệt hỗ trợ HĐH để quản lý BN – Cần giải thuật thay trang/ segment tối ưu Bộ nhớ ảo • Ví dụ: BN ảo CPU Intel Pentium – Phân segment kết hợp phân trang cấp • Phân segment: Segment 16 bit, Offset: 32 bit • Phân trang: Địa tuyến tính 32 bit chia ra: Directory 10 bit, page 10 bit offset 12 bit (4KB/trang) Câu hỏi ... Thư viện chương trình • Các chương trình điều khiển hệ thống nhập xuất BIOS (Basic Input Output System) • Phần mềm kiểm tra bật máy POST (Power On Self Test) • Phần mềm khởi động máy tính (OS... Memory) – Có thể ghi/ xố q trình sử dụng  Làm nhớ máy tính – Tự liệu cắt nguồn điện Chỉ lưu trữ thông tin tạm thời chạy chương trình, kết thúc chương trình cần lưu trữ liệu nhớ ngồi – Có hai loại:... đổi với nhớ: m = 8, 16, 32, 64 ,128 bit – Các ô nhớ tổ chức theo byte  tổ chức nhớ vật lý khác – m=8 bit  băng nhớ tuyến tính Bộ nhớ • Tổ chức nhớ đan xen (tiếp) – m = 16 bit  hai băng nhớ