›

Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 5: Bộ nhớ máy tính

ppt 45 trang huongle 7370
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 5: Bộ nhớ máy tính", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_cau_truc_may_tinh_chuong_5_bo_nho_may_tinh.ppt

Nội dung text: Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 5: Bộ nhớ máy tính

  1. Cấu trúc máy tính Chương 5 BỘ NHỚ MÁY TÍNH 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 1
  2. Nội dung 5.1. Tổng quan về hệ thống nhớ 5.2. Bộ nhớ bán dẫn 5.3. Bộ nhớ chính 5.4. Bộ nhớ cache 5.5. Bộ nhớ ngoài 5.6. Bộ nhớ ảo 5.7. Hệ thống nhớ trên máy tính cá nhân 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 2
  3. 5.1. Tổng quan về hệ thống nhớ ◼ Các đặc trưng của hệ thống nhớ ◼ Vị trí ◼ Bên trong CPU: ◼ tập thanh ghi ◼ Bộ nhớ trong: ◼ bộ nhớ chính ◼ bộ nhớ cache ◼ Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ ◼ Dung lượng ◼ Độ dài từ nhớ (tính bằng bit) ◼ Số lượng từ nhớ 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 3
  4. Các đặc trưng của hệ thống nhớ ◼ Đơn vị truyền ◼ Từ nhớ ◼ Khối nhớ ◼ Phương pháp truy nhập ◼ Truy nhập tuần tự (băng từ) ◼ Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa) ◼ Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) ◼ Truy nhập liên kết (cache) 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 4
  5. Các đặc trưng của hệ thống nhớ ◼ Hiệu năng (performance) ◼ Thời gian truy nhập ◼ Chu kỳ nhớ ◼ Tốc độ truyền ◼ Kiểu vật lý ◼ Bộ nhớ bán dẫn ◼ Bộ nhớ từ ◼ Bộ nhớ quang ◼ Các đặc tính vật lý ◼ Khả biến / Không khả biến (volatile / nonvolatile) ◼ Xoá được / không xoá được ◼ Tổ chức 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 5
  6. Phân cấp hệ thống nhớ Từ trái sang phải: CPU ▪ Dung lượng tăng dần ▪ Tốc độ giảm dần Bộ ▪ Giá thành giảm dần Bộ Bộ Tập nhớ nhớ nhớ Bộ thanh ngòai cache cache nhớ ghi L1 L2 chính 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 6
  7. 5.2. Bộ nhớ bán dẫn ◼ Phân loại ◼ Read Only Memory (ROM) ◼ Programmable ROM (PROM) ◼ Erasable PROM (EPROM) ◼ Electrically Erasable PROM (EEPROM) ◼ Flash memory ◼ Random Access Memory (RAM) 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 7
  8. ROM (Read Only Memory) ◼ Bộ nhớ chỉ đọc ◼ Lưu trữ các thông tin sau: ◼ Thư viện các chương trình con ◼ Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS) ◼ Các bảng chức năng ◼ Vi chương trình 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 8
  9. Các kiểu ROM ◼ ROM mặt nạ: ◼ thông tin được ghi khi sản xuất ◼ rất đắt ◼ PROM (Programmable ROM) ◼ Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình → chỉ ghi được một lần ◼ EPROM (Erasable PROM) ◼ Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình → ghi được nhiều lần ◼ Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 9
  10. Các kiểu ROM (tiếp) ◼ EEPROM (Electrically Erasable PROM) ◼ Có thể ghi theo từng byte ◼ Xóa bằng điện ◼ Flash memory (Bộ nhớ cực nhanh) ◼ Ghi theo khối ◼ Xóa bằng điện 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 10
  11. RAM (Random Access Memory) ◼ Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory) ◼ Lưu trữ thông tin tạm thời ◼ Có hai loại: SRAM và DRAM (Static and Dynamic) 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 11
  12. SRAM (Static) – RAM tĩnh ◼ Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop →thông tin ổn định, việc đọc không làm mất nội dung ô nhớ ◼ Cấu trúc phức tạp ◼ Dung lượng chip nhỏ ◼ Tốc độ nhanh ◼ Đắt tiền ◼ Dùng làm bộ nhớ cache 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 12
  13. DRAM (Dynamic) – RAM động ◼ Các bit được lưu trữ trên tụ điện, việc đọc bộ nhớ sẽ làm mất nội dung ô nhớ nên cần phải nạp lại và tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp, vì vậy sau 2s cần làm tươi → cần phải có mạch làm tươi ◼ Cấu trúc đơn giản ◼ Dung lượng lớn ◼ Tốc độ chậm hơn ◼ Rẻ tiền hơn ◼ Dùng làm bộ nhớ chính ◼ Synchronous DRAM (SDRAM) ◼ DDR-SDRAM (Double Data Rate ) ◼ Rambus DRAM (RDRAM) 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 13
  14. Sơ đồ cơ bản của chip nhớ n ◼ Các đường địa chỉ: An-1 ÷ A0 → có 2 D0 - Dm-1 từ nhớ A0 - AN-1 ◼ Các đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0 → độ dài từ nhớ = m bit n ◼ Dung lượng chip nhớ = 2 x m bit ◼ Các đường điều khiển: CS ◼ Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select) ◼ Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable) ◼ Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable) WE OE 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 14
  15. 5.3. Bộ nhớ chính ◼ Các đặc trưng cơ bản ◼ Chứa các chương trình đang thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng ◼ Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính ◼ Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU ◼ Dung lượng của bộ nhớ chính nhỏ hơn không gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý. ◼ Việc quản lý logic bộ nhớ chính tuỳ thuộc vào hệ điều hành 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 15
  16. Tổ chức bộ nhớ đan xen (interleaved memory) ◼ Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ: m = 8, 16, 32, 64,128 bit ◼ Các ngăn nhớ được tổ chức theo byte tổ chức bộ nhớ vật lý khác nhau 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 16
  17. 5.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) ◼ Nguyên tắc chung của cache ◼ Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ: Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU thường chỉ tham chiếu các thông tin trong một khối nhớ cục bộ ◼ Ví dụ: ◼ Cấu trúc chương trình tuần tự ◼ Vòng lặp có thân nhỏ ◼ Cấu trúc dữ liệu mảng 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 17
  18. Bộ nhớ cache ◼ Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính ◼ Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ ◼ Cache có thể được đặt trên chip CPU Bộ nhớ CPU Cache chính Truyền theo từ nhớ Truyền theo block nhớ 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 18
  19. Ví dụ về thao tác của cache ◼ CPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớ ◼ CPU kiểm tra trên cache với dữ liệu này ◼ Nếu có, CPU nhận dữ liệu từ cache ◼ Nếu không có, đọc Block nhớ chứa dữ liệu từ bộ nhớ chính vào cache ◼ Tiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào CPU 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 19
  20. Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính Cache Bộ nhớ chính Tag L0 B0 Tag L1 B1 Tag L2 B2 Tag L B CPU 3 3 Tag Lm-1 Bp-1 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 20
  21. Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính N ◼ Bộ nhớ chính có 2 byte nhớ ◼ Bộ nhớ chính và cache được chia thành các khối có kích thước bằng nhau ◼ Bộ nhớ chính: B0, B1, B2, , Bp-1 (p Blocks) ◼ Bộ nhớ cache: L0, L1, L2, , Lm-1 (m Lines) ◼ Kích thước của Block = 8,16,32,64,128 byte 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 21
  22. Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính ◼ Một số Block của bộ nhớ chính được nạp vào các Line của cache. ◼ Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block nào của bộ nhớ chính hiện đang được chứa ở Line đó. ◼ Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ, có hai khả năng xảy ra: ◼ Từ nhớ đó có trong cache (cache hit) ◼ Từ nhớ đó không có trong cache (cache miss). 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 22
  23. Các phương pháp ánh xạ ◼ Là các phương pháp tổ chức bộ nhớ cache ◼ Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping) ◼ Ánh xạ liên kết toàn phần (Fully associative mapping) ◼ Ánh xạ liên kết tập hợp (Set associative mapping) 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 23
  24. Ánh xạ trực tiếp ◼ Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp vào một Line của cache: ◼ B0 → L0 ◼ B1 → L1 ◼ ◼ Bm-1 → Lm-1 ◼ Bm → L0 ◼ Bm+1 → L1 ◼ ◼ Tổng quát ◼ Bj chỉ có thể nạp vào L j mod m ◼ m là số Line của cache. 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 24
  25. Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp ◼ Mỗi một địa chỉ N bit của bộ nhớ chính gồm ba trường: ◼ Trường Word gồm W bit xác định một từ nhớ trong Block hay Line: W ◼ 2 = kích thước của Block hay Line ◼ Trường Line gồm L bit xác định một trong số các Line trong cache: L ◼ 2 = số Line trong cache = m ◼ Trường Tag gồm T bit: ◼ T = N - (W+L) ◼ Bộ so sánh đơn giản ◼ Xác suất cache hit thấp 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 25
  26. Ánh xạ liên kết toàn phần ◼ Mỗi Block có thể nạp vào bất kỳ Line nào của cache. ◼ Địa chỉ của bộ nhớ chính bao gồm hai trường: ◼ Trường Word giống như trường hợp ở trên. ◼ Trường Tag dùng để xác định Block của bộ nhớ chính. ◼ Tag xác định Block đang nằm ở Line đó 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 26
  27. Đặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phần ◼ So sánh đồng thời với tất cả các Tag → mất nhiều thời gian ◼ Xác suất cache hit cao. ◼ Bộ so sánh phức tạp. 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 27
  28. Ánh xạ liên kết tập hợp ◼ Cache đươc chia thành các Tập (Set) ◼ Mỗi một Set chứa một số Line ◼ Ví dụ: ◼ 4 Line/Set → 4-way associative mapping ◼ Ánh xạ theo nguyên tắc sau: ◼ B0 → S0 ◼ B1 → S1 ◼ B2 → S2 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 28
  29. Ví dụ về ánh xạ địa chỉ ◼ Không gian địa chỉ bộ nhớ chính = 4GB ◼ Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB ◼ Kích thước Line (Block) = 32byte. ◼ Xác định số bit của các trường địa chỉ cho ba trường hợp tổ chức: ◼ Ánh xạ trực tiếp ◼ Ánh xạ liên kết toàn phần ◼ Ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 29
  30. Với ánh xạ trực tiếp 32 ◼ Bộ nhớ chính = 4GB = 2 byte → N = 32 bit 18 ◼ Cache = 256 KB = 2 byte. 5 ◼ Line = 32 byte = 2 byte → W = 5 bit 18 5 13 ◼ Số Line trong cache = 2 / 2 = 2 Line ◼ L = 13 bit ◼ T = 32 - (13 + 5) = 14 bit Tag Line Word 14 bit 13 bit 5 bit 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 30
  31. Với ánh xạ liên kết toàn phần 32 ◼ Bộ nhớ chính = 4GB = 2 byte → N = 32 bit 5 ◼ Line = 32 byte = 2 byte → W = 5 bit ◼ Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - 5 = 27 bit Tag Word 27 bit 5 bit 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 31
  32. Với ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường 32 ◼ Bộ nhớ chính = 4GB = 2 byte → N = 32 bit 5 ◼ Line = 32 byte = 2 byte → W = 5 bit 18 5 13 ◼ Số Line trong cache = 2 / 2 = 2 Line 2 ◼ Một Set có 4 Line = 2 Line 13 2 11 ◼ số Set trong cache = 2 / 2 = 2 Set → S = 11 bit ◼ Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - (11 + 5) = 16 bit Tag Line Word 16 bit 11 bit 5 bit 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 32
  33. Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit ◼ Ghi xuyên qua (Write-through): ◼ ghi cả cache và cả bộ nhớ chính ◼ tốc độ chậm ◼ Ghi trả sau (Write-back): ◼ chỉ ghi ra cache ◼ tốc độ nhanh ◼ khi Block trong cache bị thay thế cần phải ghi trả cả Block về bộ nhớ chính 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 33
  34. 5.5. Bộ nhớ ngoài ◼ Các kiểu bộ nhớ ngoài ◼ Băng từ ◼ Đĩa từ ◼ Đĩa quang ◼ Flash Disk 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 34
  35. Đĩa từ ◼ Đầu từ cố định hay đầu từ di động ◼ Đĩa cố định hay thay đổi ◼ Một mặt hay hai mặt ◼ Một đĩa hay nhiều đĩa ◼ Cơ chế đầu từ ◼ Tiếp xúc (đĩa mềm) ◼ Không tiếp xúc 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 35
  36. Nhiều đĩa 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 36
  37. Cylinders 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 37
  38. Đĩa mềm ◼ 8”, 5.25”, 3.5” ◼ Dung lượng nhỏ: chỉ tới 1.44Mbyte ◼ Tốc độ chậm ◼ Thông dụng ◼ Rẻ tiền ◼ Tương lai có thể không dùng nữa ? 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 38
  39. Đĩa cứng ◼ Một hoặc nhiều đĩa ◼ Thông dụng ◼ Dung lượng tăng lên rất nhanh ◼ 1993: 200MB ◼ 2004: 30GB, 40GB ◼ Tốc độ đọc/ghi nhanh ◼ Rẻ tiền 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 39
  40. Đĩa quang ◼ CD-ROM (Compact Disk ROM) ◼ CD-R (Recordable CD) ◼ CD-RW (Rewriteable CD) ◼ Dung lượng thông dụng 650MB ◼ Ổ đĩa CD: ◼ Ổ CD-ROM ◼ Ổ CD-Writer: Ghi một phiên hoặc ghi nhiều phiên ◼ Ổ CD-RW ◼ Tốc độ đọc cơ sở 150KByte/s. ◼ Tốc độ bội, ví dụ: 48x, 52x, 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 40
  41. Đĩa quang ◼ DVD ◼ Digital Video Disk: chỉ dùng trên ổ đĩa xem video ◼ Digital Versatile Disk: ổ trên máy tính ◼ Ghi một hoặc hai mặt ◼ Một hoặc hai lớp trên một mặt ◼ Thông dụng: 4,7GB/lớp 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 41
  42. Flash Disk ◼ Thường kết nối qua cổng USB ◼ Không phải dạng đĩa ◼ Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory) ◼ Dung lượng tăng nhanh ◼ Thuận tiện 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 42
  43. 5.6 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) ◼ Khái niệm bộ nhớ ảo: gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ ngoài mà được CPU coi như là một bộ nhớ duy nhất (bộ nhớ chính). ◼ Các kỹ thuật thực hiện bộ nhớ ảo: ◼ Kỹ thuật phân trang: Chia không gian địa chỉ bộ nhớ thành các trang nhớ có kích thước bằng nhau và nằm liền kề nhau Thông dụng: kích thước trang = 4KBytes ◼ Kỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn nhớ có thể gối lên nhau. 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 43
  44. 5.7. Hệ thống nhớ trên PC hiện nay ◼ Bộ nhớ cache: tích hợp trên chip vi xử lý ◼ Bộ nhớ chính: Tồn tại dưới dạng các mô-đun nhớ RAM 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 44
  45. Hệ thống nhớ trên PC hiện nay ◼ ROM BIOS chứa các chương trình sau: ◼ Chương trình POST (Power On Self Test) ◼ Chương trình CMOS Setup ◼ Chương trình Bootstrap loader ◼ Các trình điều khiển vào-ra cơ bản (BIOS) ◼ CMOS RAM: ◼ Chứa thông tin cấu hình hệ thống ◼ Đồng hồ hệ thống ◼ Có pin nuôi riêng ◼ Video RAM: quản lý thông tin của màn hình ◼ Các loại bộ nhớ ngoài 6/12/2021 Chương 5: Bộ nhớ máy tính 45