Bộ nhớ trong của máy tính
4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH
Các đặc trưng của hệ thống bộ nhớ
Các đặc trưng chính của hệ thống bộ nhớ máy tính bao gồm: - Vị trí (CPU, nội – chính, ngoại – phụ)
- Dung lượng (kích thước word, số lượng word) - Đơn vị truyền (word, khối)
- Phương thức truy cập (tuần tự, trực tiếp, ngẫu nhiên, liên kết) - Hiệu suất (thời gian truy cập, chu kỳ thời gian, tốc độ truyền) - Kiểu vật lý (bán dẫn, bề mặt từ hĩa)
- Đặc tính vật lý (khả biến/bất biến, xĩa được/khơng xĩa được)
- Cách tổ chức
Các mục tiếp sau sẽ trình bày một cách chi tiết về ý nghĩa và tầm quan trọng của từng đặc trưng nĩi trên.
Vị trí
Bộ nhớ máy tính bao gồm cả hai loại bộ nhớ trong và ngồi. Bộ nhớ trong của máy tính thường được đề cập đến như bộ nhớ chính. Bộ nhớ ngồi của máy tính gồm các thiết bị lưu trữ ngoại vi, như đĩa và băng từ, vốn cĩ thể truy cập được đối với CPU thơng qua các bộ điều khiển nhập/xuất.
Dung lượng
Với bộ nhớ trong, dung lượng thường được biểu diễn dưới dạng byte. (1 byte = 8 bit) hay word. Các độ dài word phổ biến là 8, 16, và 32 bit. Bộ nhớ ngồi cĩ dung lượng được biểu thị theo byte.
Đơn vị truyền
Với bộ nhớ trong, đơn vị truyền bằng với số đường dữ liệu vào/ra khỏi module bộ nhớ. Giá trị này thường bằng với độ dài của một word, nhưng cũng cĩ thể khơng. Để hiểu rõ hơn khái niệm này, chúng ta hãy xem xét ba khái niệm cĩ liên quan đến bộ nhớ trong:
- Word: Đơn vị tự nhiên của tổ chức máy tính. Kích thước của một word thường bằng với số bit được sử dụng để biểu diễn một số hay độ dài của chỉ thị. Tuy nhiên cĩ rất nhiều ngoại lệ. Lấy ví dụ, máy CRAY-1 cĩ độ dài word 64 bit trong khi cĩ biểu diễn số nguyên 24 bit. Máy VAX cĩ nhiều loại độ dài chỉ thị dưới dạng bội số của byte, và cĩ kích thước word 32 bit.
- Các đơn vị khả định địa chỉ: Trong nhiều hệ thống, đơn vị khả định địa chỉ là word. Mặc dù vậy, cĩ một số hệ thống cho phép định địa chỉ ở mức byte. Trong mọi trường hợp, mối quan hệ giữa độ dài A của một địa chỉ và số N các đơn vị khả định địa chỉ là 2A= N.
- Đơn vị truyền: Đối với bộ nhớ chính, đây là số bit đọc/ghi vào bộ nhớ tại một thời điểm. Đơn vị truyền khơng nhất thiết bằng một word hay một đơn vị khả định địa chỉ. Với bộ nhớ ngồi, dữ liệu thường được truyền theo những đơn vị lớn hơn nhiều so với word và được gọi là khối.
Đây là một trong những yếu tố rõ nhất giúp phân biệt các kiểu bộ nhớ. Cĩ bốn loại phương thức truy cập:
- Truy cập tuần tự: Bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vị dữ liệu gọi là bản ghi. Việc truy cập phải được thực hiện theo một dãy tuyến tính cụ thể. Thơng tin địa chỉ được lưu trữ được dùng để phân tách các bản ghi và hỗ trợ quá trình tìm kiếm lấy thơng tin. Một bộ phận đọc/ghi dùng chung được sử dụng. Bộ phận này phải được di chuyển từ vị trí hiện thời của nĩ đến vị trí được yêu cầu, quét qua và từ chối các bản ghi trung gian. Do đĩ, thời gian để truy cập một bản ghi tùy ý biến đổi khá cao. Các đơn vị băng từ, được thảo luận trong chương 5, là các đơn vị cĩ dạng truy cập tuần tự.
- Truy cập trực tiếp: Cũng như với truy cập tuần tự, truy cập trực tiếp bao gồm việc dùng chung một bộ phận đọc/ghi. Tuy nhiên, các khối hay bản ghi riêng lẻ cĩ một địa chỉ duy nhất dựa trên vị trí vật lý. Việc truy cập được thực hiện thơng qua truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để đến được vị trí cuối cùng. Một lần nữa, thời gian truy cập là biến đổi. Các đơn vị đĩa được trình bày trong chương 5 là các đơn vị truy cập trực tiếp.
- Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vị trí khả định địa chỉ trong bộ nhớ cĩ motä cơ chế định địa chỉ vật lý duy nhất. Thời gian truy cập một vị trí cho trước độc lập với dãy các truy cập trước đĩ và khơng thay đổi. Do đĩ, bất kỳ một vị trí nào cũng cĩ thể được chọn ngẫu nhiên và được định địa chỉ cũng như truy cập trực tiếp. Các hệ thống bộ nhớ chính được truy cập ngẫu nhiên.
- Liên kết: Đây là kiểu truy cập ngẫu nhiên bộ nhớ cho phép thực hiện việc so sánh các vị trí bit cĩ yêu cầu trong một word phục vụ cho việc đối sánh đặc biệt nào đĩ, và cĩ thể
thực hiện thao tác này cùng một lúc cho tất cả các word. Do đĩ một word được trích ra dựa trên một phần nội dung của nĩ chứ khơng phải dựa trên địa chỉ. Tương tự như với phương thức truy cập ngẫu nhiên thơng thường, mỗi vị trí nhớ cĩ cơ chế định địa chỉ riêng, và thời gian lấy thơng tin khơng đổi, độc lập với vị trí hoặc khuơn dạng truy cập trước đĩ. Bộ nhớ cache, được đề cập đến trong mục 4.3 cĩ thể tận dụng cách truy cập liên kết này.
Đứng trên quan điểm người sử dụng, hai đặc trưng quan trọng nhất của bộ nhớ là dung lượng và hiệu suất vận hành. Cĩ ba tham số hiệu suất được sử dụng:
- Thời gian truy cập:Đối với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, đây là thời gian cần thiết để thực hiện một thao tác đọc hay ghi, tức là thời gian từ lúc một địa chỉ cĩ mặt trong bộ nhớ cho đến lúc dữ liệu được lưu trữ xong hoặc đã sẵn sàng để sử dụng. Với bộ nhớ truy cập khơng ngẫu nhiên, thời gian truy cập là thời gian cần để định vị bộ phận đọc/ghi tại vị trí được yêu cầu.
- Thời gian chu kỳ bộ nhớ: Khái niệm này chủ yếu được áp dụng cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên và bao gồm thời gian truy cập cộng với bất kỳ thời gian phụ thêm nào được yêu cầu trước khi truy cập thứ hai cĩ thể được thực hiện. Phần thời gian phụ thêm này cĩ thể được yêu cầu nhằm phát sinh dữ liệu nếu chúng được đọc một cách khơng loại trừ.
- Tốc độ truyền: Đây là tốc độ truyền dữ liệu vào/ra một đơn vị bộ nhớ. Với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trị này bằng 1/(Thời gian Chu kỳ). Với bộ nhớ truy cập khơng ngẫu nhiên, quan hệ sau đây được duy trì: