BÀI 3: NỘI DUNG: TỔ CHỨC BUS VÀ TỔ CHỨC BỘ NHỚ
3.5. Tổ chức hệ thống bộ nhớ máy tính
Bộ nhớ là một thành phần cơ bản của máy tính. Chức năng của bộ nhớ là chứa thông tin (chứa các chương trình và dữ liệu có liên quan).
Bộ nhớ là tập hợp có thứ tự của các ô nhớ, mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ. Địa chỉ ô nhớ xác định vị trí ô nhớ trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ có khả năng lưu trữ một từ dữ liệu độ dài cố định. Độ dài một từ dữ liệu có thể là 8 bit, 16 bit, 32 hoặc 64 bit. Từ dữ liệu dài 8 bit được gọi là byte. Ô nhớ được xây dựng trên các phần tử nhớ cơ bản. Mỗi phần tử nhớ cơ bản có khả năng lưu trữ 1 bit thông tin.
Kiến trúc máy tính – Bài 3 Trang 9
Bộ nhớ Địa chỉ
0 1
N-2 N-1
Một trong những hoạt động của đơn vị xử lý trung tâm (CPU) là nhập lệnh và ghi/đọc
dữ liệu lên bộ nhớ chính. CPU thực hiện các thao tác truy nhập bộ nhớ với tốc độ rất cao. Các thiết bị nhớ có thời gian đáp ứng tương đương tốc độ của CPU thường có giá rất cao, nên nếu chỉ sử dụng một loại thiết bị nhớ để xây dựng bộ nhớ sẽ khó thoả mãn đồng thời cả hai yêu cầu về tốc độ truy cập cao và giá thành. Do vậy bộ nhớ của máy tính thường được xây dựng trên nhiều loại thiết bị nhớ có thời gian truy nhập và giá thành khác nhau, được tổ chức thành một hệ thống có nhiều mức và được quản lý như một hệ thống thống nhất (hình dưới đây)
Hệ thống bộ nhớ nhiều mức bao gồm các thanh ghi CPU, bộ nhớ chính,
bộ nhớ thứ cấp và bộ nhớ cache. Cơ sở cho việc xây dựng hệ thống bộ nhớ nhiều mức là dựa trên nguyên lý quy chiếu phân vùng. Ý tưởng chính ở đây là trong một thời khoảng thì các lệnh và dữ liệu được sử dụng thường nằm ở một khu vực tương đối nhỏ trong bộ nhớ và các vùng này luôn chuyển dịch khi CPU thực hiện chương trình.
Kiến trúc máy tính – Bài 3 Trang 10
Các thanh ghi
Cache
Bộ nhớ chính
CPU
Bộ nhớ thứ cấp
Các thanh ghi CPU là loại thiết bị nhớ tốc độ cao, nằm trong CPU và có tốc độ truy cập tương đương với tốc độ hoạt động của CPU. Số lượng thanh ghi trong CPU rất hạn chế. Các thanh ghi CPU thực hiện chức năng lưu trữ tạm thời lệnh máy, các dữ liệu và các thông tin phục vụ việc thực hiện lệnh.
Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu đang được CPU xử lý. Bộ nhớ chính nằm ngoài CPU, có dung lượng lớn và có tốc độ truy nhập cao. CPU truy cập trực tiếp bộ nhớ chính bằng cách xác định địa chỉ ô nhớ và phát tín hiệu điều khiển ghi-đọc khi nhập lệnh máy hoặc thực hiện các lệnh có thao tác ghi và đọc dữ liệu lên bộ nhớ. Bộ nhớ chính còn được gọi là bộ nhớ RAM (Random Access Memory), do CPU có thể truy cập trực tiếp bất kỳ ô nhớ nào trong bộ nhớ và với thời gian truy cập như nhau, không phụ thuộc vào vị trí ô
Kiến trúc máy tính – Bài 3 Trang 11 nhớ trong bộ nhớ. Thời gian truy cập bộ nhớ chính thường dài hơn vài chu kỳ xung nhịp của CPU.
Bộ nhớ thứ cấp được đưa vào hệ thống bộ nhớ do nhu cầu ngày càng tăng
về dung lượng nhớ. Bộ nhớ thứ cấp có dung lượng nhớ lớn hơn bộ nhớ chính nhiều lần, nhưng có tốc độ truy cập chậm hơn nhiều so với bộ nhớ chính. Bộ nhớ thứ cấp có khả năng lưu giữ thông tin ngay cả khi không được cung cấp nguồn nuôi. Ở mức vật lý, CPU không trực tiếp truy cập bộ nhớ thứ cấp như đối với bộ nhớ chính, mà thực hiện ghi hoặc đọc nó thông qua các lệnh vào-ra
dữ liệu.
Bộ nhớ cache. Cache là loại bộ nhớ tốc độ cao. Bộ nhớ cache được đưa vào hệ thống
bộ nhớ như một giải pháp tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU. Bộ nhớ cache có thời gian truy cập thấp, nhưng lại có giá thành cao và dung lượng bé hơn nhiều so với bộ nhớ chính.