Giáo án Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ trong của máy tính

Nội dung text: Giáo án Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ trong của máy tính

1. CHÖÔNG 4 Boä nhôù trong cuûa maùy tính 4.1 GIÔÙI THIEÄU VEÀ HEÄ THOÁNG BOÄ NHÔÙ MAÙY TÍNH  Caùc ñaëc tröng cuûa heä thoáng boä nhôù Caùc ñaëc tröng chính cuûa heä thoáng boä nhôù maùy tính bao goàm: - Vò trí (CPU, noäi – chính, ngoaïi – phuï) - Dung löôïng (kích thöôùc word, soá löôïng word) - Ñôn vò truyeàn (word, khoái) - Phöông thöùc truy caäp (tuaàn töï, tröïc tieáp, ngaãu nhieân, lieân keát) - Hieäu suaát (thôøi gian truy caäp, chu kyø thôøi gian, toác ñoä truyeàn) - Kieåu vaät lyù (baùn daãn, beà maët töø hoùa) - Ñaëc tính vaät lyù (khaû bieán/baát bieán, xoùa ñöôïc/khoâng xoùa ñöôïc) - Caùch toå chöùc Caùc muïc tieáp sau seõ trình baøy moät caùch chi tieát veà yù nghóa vaø taàm quan troïng cuûa töøng ñaëc tröng noùi treân. Vò trí Boä nhôù maùy tính bao goàm caû hai loaïi boä nhôù trong vaø ngoaøi. Boä nhôù trong cuûa maùy tính thöôøng ñöôïc ñeà caäp ñeán nhö boä nhôù chính. Boä nhôù ngoaøi cuûa maùy tính goàm caùc thieát bò löu tröõ ngoaïi vi, nhö ñóa vaø baêng töø, voán coù theå truy caäp ñöôïc ñoái vôùi CPU thoâng qua caùc boä ñieàu khieån nhaäp/xuaát. 38
2. Dung löôïng Vôùi boä nhôù trong, dung löôïng thöôøng ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng byte. (1 byte = 8 bit) hay word. Caùc ñoä daøi word phoå bieán laø 8, 16, vaø 32 bit. Boä nhôù ngoaøi coù dung löôïng ñöôïc bieåu thò theo byte. Ñôn vò truyeàn Vôùi boä nhôù trong, ñôn vò truyeàn baèng vôùi soá ñöôøng döõ lieäu vaøo/ra khoûi module boä nhôù. Giaù trò naøy thöôøng baèng vôùi ñoä daøi cuûa moät word, nhöng cuõng coù theå khoâng. Ñeå hieåu roõ hôn khaùi nieäm naøy, chuùng ta haõy xem xeùt ba khaùi nieäm coù lieân quan ñeán boä nhôù trong: - Word: Ñôn vò töï nhieân cuûa toå chöùc maùy tính. Kích thöôùc cuûa moät word thöôøng baèng vôùi soá bit ñöôïc söû duïng ñeå bieåu dieãn moät soá hay ñoä daøi cuûa chæ thò. Tuy nhieân coù raát nhieàu ngoaïi leä. Laáy ví duï, maùy CRAY-1 coù ñoä daøi word 64 bit trong khi coù bieåu dieãn soá nguyeân 24 bit. Maùy VAX coù nhieàu loaïi ñoä daøi chæ thò döôùi daïng boäi soá cuûa byte, vaø coù kích thöôùc word 32 bit. - Caùc ñôn vò khaû ñònh ñòa chæ: Trong nhieàu heä thoáng, ñôn vò khaû ñònh ñòa chæ laø word. Maëc duø vaäy, coù moät soá heä thoáng cho pheùp ñònh ñòa chæ ôû möùc byte. Trong moïi tröôøng hôïp, moái quan heä giöõa ñoä daøi A cuûa moät ñòa chæ vaø soá N caùc ñôn vò khaû ñònh ñòa chæ laø 2A = N. - Ñôn vò truyeàn: Ñoái vôùi boä nhôù chính, ñaây laø soá bit ñoïc/ghi vaøo boä nhôù taïi moät thôøi ñieåm. Ñôn vò truyeàn khoâng nhaát thieát baèng moät word hay moät ñôn vò khaû ñònh ñòa chæ. Vôùi boä nhôù ngoaøi, döõ lieäu thöôøng ñöôïc truyeàn theo nhöõng ñôn vò lôùn hôn nhieàu so vôùi word vaø ñöôïc goïi laø khoái. Phöông thöùc truy caäp 39
3. Ñaây laø moät trong nhöõng yeáu toá roõ nhaát giuùp phaân bieät caùc kieåu boä nhôù. Coù boán loaïi phöông thöùc truy caäp: - Truy caäp tuaàn töï: Boä nhôù ñöôïc toå chöùc thaønh caùc ñôn vò döõ lieäu goïi laø baûn ghi. Vieäc truy caäp phaûi ñöôïc thöïc hieän theo moät daõy tuyeán tính cuï theå. Thoâng tin ñòa chæ ñöôïc löu tröõ ñöôïc duøng ñeå phaân taùch caùc baûn ghi vaø hoã trôï quaù trình tìm kieám laáy thoâng tin. Moät boä phaän ñoïc/ghi duøng chung ñöôïc söû duïng. Boä phaän naøy phaûi ñöôïc di chuyeån töø vò trí hieän thôøi cuûa noù ñeán vò trí ñöôïc yeâu caàu, queùt qua vaø töø choái caùc baûn ghi trung gian. Do ñoù, thôøi gian ñeå truy caäp moät baûn ghi tuøy yù bieán ñoåi khaù cao. Caùc ñôn vò baêng töø, ñöôïc thaûo luaän trong chöông 5, laø caùc ñôn vò coù daïng truy caäp tuaàn töï. - Truy caäp tröïc tieáp: Cuõng nhö vôùi truy caäp tuaàn töï, truy caäp tröïc tieáp bao goàm vieäc duøng chung moät boä phaän ñoïc/ghi. Tuy nhieân, caùc khoái hay baûn ghi rieâng leû coù moät ñòa chæ duy nhaát döïa treân vò trí vaät lyù. Vieäc truy caäp ñöôïc thöïc hieän thoâng qua truy caäp tröïc tieáp coäng vôùi tìm kieám tuaàn töï, ñeám, hay chôø ñeå ñeán ñöôïc vò trí cuoái cuøng. Moät laàn nöõa, thôøi gian truy caäp laø bieán ñoåi. Caùc ñôn vò ñóa ñöôïc trình baøy trong chöông 5 laø caùc ñôn vò truy caäp tröïc tieáp. - Truy caäp ngaãu nhieân: Moãi vò trí khaû ñònh ñòa chæ trong boä nhôù coù motä cô cheá ñònh ñòa chæ vaät lyù duy nhaát. Thôøi gian truy caäp moät vò trí cho tröôùc ñoäc laäp vôùi daõy caùc truy caäp tröôùc ñoù vaø khoâng thay ñoåi. Do ñoù, baát kyø moät vò trí naøo cuõng coù theå ñöôïc choïn ngaãu nhieân vaø ñöôïc ñònh ñòa chæ cuõng nhö truy caäp tröïc tieáp. Caùc heä thoáng boä nhôù chính ñöôïc truy caäp ngaãu nhieân. - Lieân keát: Ñaây laø kieåu truy caäp ngaãu nhieân boä nhôù cho pheùp thöïc hieän vieäc so saùnh caùc vò trí bit coù yeâu caàu trong moät word phuïc vuï cho vieäc ñoái saùnh ñaëc bieät naøo ñoù, vaø coù theå 40
4. thöïc hieän thao taùc naøy cuøng moät luùc cho taát caû caùc word. Do ñoù moät word ñöôïc trích ra döïa treân moät phaàn noäi dung cuûa noù chöù khoâng phaûi döïa treân ñòa chæ. Töông töï nhö vôùi phöông thöùc truy caäp ngaãu nhieân thoâng thöôøng, moãi vò trí nhôù coù cô cheá ñònh ñòa chæ rieâng, vaø thôøi gian laáy thoâng tin khoâng ñoåi, ñoäc laäp vôùi vò trí hoaëc khuoân daïng truy caäp tröôùc ñoù. Boä nhôù cache, ñöôïc ñeà caäp ñeán trong muïc 4.3 coù theå taän duïng caùch truy caäp lieân keát naøy. Ñöùng treân quan ñieåm ngöôøi söû duïng, hai ñaëc tröng quan troïng nhaát cuûa boä nhôù laø dung löôïng vaø hieäu suaát vaän haønh. Coù ba tham soá hieäu suaát ñöôïc söû duïng: - Thôøi gian truy caäp: Ñoái vôùi boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân, ñaây laø thôøi gian caàn thieát ñeå thöïc hieän moät thao taùc ñoïc hay ghi, töùc laø thôøi gian töø luùc moät ñòa chæ coù maët trong boä nhôù cho ñeán luùc döõ lieäu ñöôïc löu tröõ xong hoaëc ñaõ saün saøng ñeå söû duïng. Vôùi boä nhôù truy caäp khoâng ngaãu nhieân, thôøi gian truy caäp laø thôøi gian caàn ñeå ñònh vò boä phaän ñoïc/ghi taïi vò trí ñöôïc yeâu caàu. - Thôøi gian chu kyø boä nhôù: Khaùi nieäm naøy chuû yeáu ñöôïc aùp duïng cho boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân vaø bao goàm thôøi gian truy caäp coäng vôùi baát kyø thôøi gian phuï theâm naøo ñöôïc yeâu caàu tröôùc khi truy caäp thöù hai coù theå ñöôïc thöïc hieän. Phaàn thôøi gian phuï theâm naøy coù theå ñöôïc yeâu caàu nhaèm phaùt sinh döõ lieäu neáu chuùng ñöôïc ñoïc moät caùch khoâng loaïi tröø. - Toác ñoä truyeàn: Ñaây laø toác ñoä truyeàn döõ lieäu vaøo/ra moät ñôn vò boä nhôù. Vôùi boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân, giaù trò naøy baèng 1/(Thôøi gian Chu kyø). Vôùi boä nhôù truy caäp khoâng ngaãu nhieân, quan heä sau ñaây ñöôïc duy trì: TN = TA + N/R 41
5. Trong ñoù: TN = thôøi gian trung bình ñeå ñoïc/ghi N bit TA = thôøi gian truy caäp trung bình N = soá caùc bit R = toác ñoä truyeàn, theo ñôn vò bit/giaây (bps) Kieåu vaät lyù Hieän nay coù hai kieåu vaät lyù phoå bieán nhaát laø boä nhôù baùn daãn, söû duïng coâng ngheä LSI hay VLSI, vaø boä nhôù vôùi beà maët töø hoùa, ñöôïc duøng cho ñóa vaø baêng töø. Ñaëc tính vaät lyù Nhieàu ñaëc tính vaät lyù cuûa söï löu tröõ döõ lieäu laø raát quan troïng. Trong moät boä nhôù khaû bieán, thoâng tin phaân raõ moät caùch töï nhieân hoaëc bò maát ñi khi nguoàn ñieän bò taét. Trong moät boä nhôù baát bieán, thoâng tin moät khi ñaõ ñöôïc ghi seõ ñöôïc löu giöõ maø khoâng bò thoaùi hoùa. Caùc boä nhôù coù beà maët töø hoùa thuoäc loaïi baát bieán. Boä nhôù baùn daãn coù theå khaû bieán hoaëc baát bieán. Boä nhôù khoâng theå xoùa thì khoâng theå thay ñoåi ñöôïc, ngoaïi tröø vieäc phaù huûy ñôn vò löu tröõ. Boä nhôù baùn daãn kieåu naøy ñöôïc bieát ñeán vôùi teân goïi boä nhôù chæ ñoïc (ROM). Caùch toå chöùc ÔÛ ñaây laø caùch saép xeáp vaät lyù caùc bit ñeå taïo thaønh caùc word. Caùch saép xeáp hieån nhieân khoâng phaûi luùc naøo cuõng ñöôïc söû duïng, nhö seõ ñöôïc ñeà caäp ñeán ôû phaàn tieáp theo.  Söï phaân caáp boä nhôù Moät söï phaân caáp boä nhôù kieåu maãu ñöôïc chæ ra treân hình 4.1. Khi chuùng ta ñi töø treân xuoáng trong sô ñoà phaân caáp naøy, nhöõng söï kieän sau seõ xaûy ra: 42
6. a. Giaûm phí toån cho moät bit b. Taêng dung löôïng c. Taêng thôøi gian truy caäp d. Giaûm taàn soá truy caäp boä nhôù bôûi CPU Do vaäy boä nhôù nhoû hôn, nhanh hôn, ñaét tieàn hôn ñöôïc phuï trôï bôûi boä nhôù lôùn hôn, chaäm hôn, reû hôn. Chìa khoùa cho söï thaønh coâng trong caùch toå chöùc naøy laø yeáu toá cuoái cuøng, töùc laø giaûm thieåu taàn soá truy caäp. 43
7. Hình 4.1 Söï phaân caáp boä nhôù Neáu boä nhôù ñöôïc toå chöùc theo caùc muïc töø a) ñeán c) ôû treân, vaø döõ lieäu cuøng vôùi chæ thò coù theå ñöôïc phaân phoái qua boä nhôù theo (d), thì moät caùch tröïc quan cho thaáy sô ñoà naøy seõ laøm giaûm phí toån toaøn theå trong khi vaãn duy trì moät möùc ñoä hieäu suaát cho tröôùc. Chuùng ta seõ ñöa ra moät ví duï ñôn giaûn ñeå minh hoïa cho ñieàu naøy. 44
8. Hình 4.2 Söï vaän haønh cuûa moät boä nhôù hai caáp ñôn giaûn Giaû söû raèng CPU coù truy caäp ñeán hai möùc boä nhôù. Möùc 1 goàm 1000 word vaø thôøi gian truy caäp laø 1s. Möùc 2 goàm 100000 word vaø coù thôøi gian truy caäp 10s. Giaû söû neáu moät word ñöôïc truy caäp ôû möùc 1 thì CPU truy caäp noù tröïc tieáp. Neáu noù ôû möùc 2, word ñoù tröôùc heát ñöôïc truyeàn sang möùc 1 vaø sau ñoù ñöôïc truy caäp bôûi CPU. Ñeå ñôn giaûn, chuùng ta boû qua thôøi gian caàn thieát ñeå CPU xaùc ñònh xem word laø ôû möùc 1 hay 2. Hình 4.2 cho thaáy thôøi gian truy caäp toång coäng trung bình laø moät haøm phaàn traêm thôøi gian trong tröôøng hôïp word yeâu caàu ñaõ ôû trong möùc 1. Nhö chuùng ta coù theå quan saùt thaáy, vôùi nhöõng phaàn traêm cao trong truy caäp möùc 1, thôøi gian truy caäp toång coäng trung bình gaàn hôn nhieàu so vôùi möùc 2. 45
9. 4.2 BOÄ NHÔÙ CHÍNH BAÙN DAÃN  Caùc kieåu boä nhôù baùn daãn truy caäp ngaãu nhieân Taát caû caùc kieåu boä nhôù ñöôïc khaûo saùt trong phaàn naøy thuoäc veà loaïi truy caäp ngaãu nhieân. Töùc laø töøng word nhôù ñöôïc truy caäp tröïc tieáp qua luaän lyù ñònh ñòa chæ. Caùc kieåu boä nhôù baùn daãn chính goàm coù: - Boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân (RAM) - Boä nhôù chæ ñoïc (ROM) - Boä nhôù chæ ñoïc khaû trình (PROM) - Boä nhôù chæ ñoïc khaû trình coù theå xoùa ñöôïc (EPROM) - Boä nhôù flash - Boä nhôù chæ ñoïc khaû trình coù theå xoùa ñöôïc veà maët ñieän töû (EEPROM) Trong soá caùc kieåu boä nhôù noùi treân, RAM laø loaïi boä nhôù phoå bieán nhaát. Moät ñaëc tính noåi baät cuûa RAM laø coù theå ñoïc döõ lieäu töø boä nhôù vaø deã daøng, nhanh choùng ghi döõ lieäu môùi vaøo boä nhôù. Caû vieäc ñoïc vaø ghi ñeàu ñöôïc thöïc hieän thoâng quavieäc söû duïng tín hieäu ñieän töû. Moät ñaëc tính noåi baät khaùc cuûa RAM laø khaû bieán. Boä nhôù RAM phaûi luoân ñöôïc cung caáp moät nguoàn ñieän khoâng ñoåi. Neáu nguoàn ñieän bò ngaét, döõ lieäu seõ maát ñi. Vì lyù do ñoù, RAM chæ coù theå duøng laøm nôi löu tröõ döõ lieäu taïm thôøi. Coâng ngheä RAM ñöôïc chia thaønh hai nhoùm: tónh vaø ñoäng. Moät RAM ñoäng ñöôïc cheá taïo vôùi caùc oâ löu tröõ döõ lieäu nhö caùch tích ñieän trong tuï ñieän. Söï toàn taïi hay bieán maát cuûa ñieän tích trong tuï ñieän ñöôïc thoâng dòch thaønh caùc giaù trò nhò phaân 1 vaø 0. Do caùc tuï ñieän coù khuynh höôùng töï nhieân laø giaûi ñieän, caùc RAM ñoäng caàn söï laøm töôi ñieän tích theo chu kyø ñeå duy trì döõ lieäu. Trong moät RAM tónh, caùc 46
10. giaù trò nhò phaân ñöôïc löu tröõ baèng caùch söû duïng caùc caáu hình coång luaän lyù maïch laät truyeàn thoáng. Moät RAM tónh seõ löu giöõ lieäu cho ñeán khi naøo nguoàn ñieän coøn ñöôïc cung caáp cho noù. Caû RAM tónh vaø ñoäng ñeàu khaû bieán. Moät oâ nhôù ñoäng ñôn giaûn hôn moät oâ nhôù tónh. Do vaäy, moät RAM ñoäng truø maät hôn vaø ít tieàn hôn moät RAM tónh töông öùng. Maët khaùc, RAM ñoäng ñoøi hoûi söï hoã trôï laøm töôi maïch. Vôùi nhöõng löôïng boä nhôù lôùn hôn, phí toån coá ñònh cho vieäc laøm töôi maïch ñöôïc ñeàn buø nhieàu hôn phí toån giaønh cho caùc DRAM. Nhö vaäy RAM ñoäng coù khuynh höôùng thích hôïp cho caùc yeâu caàu veà boä nhôù lôùn. Ñieåm cuoái cuøng chuùng ta caàn löu yù laø RAM tónh noùi chung nhanh hôn RAM ñoäng. Trong moái töông phaûn roõ neùt vôùi RAM laø boä nhôù chæ ñoïc (ROM). ROM bao goàm moät khuoân maãu beàn vöõng cuûa döõ lieäu khoâng theå thay ñoåi. Trong khi chuùng ta coù theå ñoïc döõ lieäu töø ROM, vieäc ghi vaøo ROM döõ lieäu môùi khoâng theå thöïc hieän ñöôïc. Moät öùng duïng cuûa ROM laø vi laäp trình. Ngoaøi ra caùc öùng duïng khaùc cuûa ROM goàm: - Caùc chöông trình con thö vieän cho caùc haøm thöôøng xuyeân ñöôïc söû duïng. - Caùc chöông trình heä thoáng - Caùc baûng haøm Vôùi moät yeâu caàu coù kích thöôùc khieâm toán, lôïi ñieåm cuûa ROM laø döõ lieäu ñöôïc löu tröõ beàn vöõng trong boä nhôù chính vaø khoâng caàn phaûi taûi leân töø moät thieát bò löu tröõ phuï. Moät ROM ñöôïc taïo ra nhö moät chip maïch tích hôïp thoâng thöôøng vôùi döõ lieäu ñöôïc ñöa vaøo trong chip trong quaù trình in maïch. Ñieàu naøy daãn ñeán hai baøi toaùn: 47
11. - Böôùc cheøn döõ lieäu coù chi phí töông ñoái lôùn, cho duø moät hay haøng ngaøn baûn sao cuûa moät ROM cuï theå seõ ñöôïc in ra. - Loãi trong quaù trình saûn xuaát laø khoâng theå chaáp nhaän ñöôïc. Chæ caàn moät bit bò sai, toaøn boä loâ ROM phaûi bò huûy boû. Khi chæ caàn moät löôïng töông ñoái nhoû ROM vôùi noäi dung boä nhôù ñaëc bieät, moät löïa choïn ít toán keùm hôn laø ROM khaû trình (PROM). Gioáng nhö ROM, PROM khoâng khaû bieán vaø chæ coù theå ghi ñöôïc ñuùng moät laàn. Vôùi PROM, quaù trình ghi ñöôïc thöïc hieän moät caùch ñieän töû vaø do moät nhaø cung caáp ñaûm nhieäm chöù khoâng nhaát thieát phaûi laø nhaø saûn xuaát chip ban ñaàu. Caùc trang thieát bò ñaëc bieät seõ ñöôïc söû duïng cho quaù trình ghi hay “laäp trình”. PROM mang laïi söï linh hoaït vaø tieän lôïi trong khi ROM vaãn thu huùt caùc ñôn ñaët haøng coù soá löôïng lôùn. Moät bieán theå khaùc cuûa boä nhôù chæ ñoïc laø boä nhôù haàu nhö chæ ñoïc. Loaïi boä nhôù naøy coù ích cho caùc öùng duïng trong ñoù thao taùc ñoïc thöôøng xuyeân hôn thao taùc ghi, voán caàn ñeán khaû naêng löu tröõ baát bieán. Coù ba daïng phoå bieán cuûa boä nhôù haàu nhö chæ ñoïc laø EPROM, EEPROM vaø boä nhôù flash. Boä nhôù chæ ñoïc khaû trình xoùa ñöôïc baèng quang hoïc (EPROM) ñöôïc ñoïc/ghi moät caùch ñieän töû nhö vôùi PROM. Tuy nhieân, tröôùc moät thao taùc ghi, taát caû caùc oâ löu tröõ phaûi ñöôïc xoùa veà traïng thaùi khôûi ñoäng ban ñaàu baèng caùch ñöa chip ñaõ ñoùng goùi qua nguoàn böùc xaï tia cöïc tím. Quaù trình xoùa naøy coù theå ñöôïc thöïc hieän laäp ñi laäp laïi, moãi laàn xoùa maát khoaûng 20 phuùt. Do vaäy, EPROM coù theå thay ñoåi ñöôïc nhieàu laàn vaø cuõng nhö vôùi ROM hay PROM, noù coù theå löu tröõ nhieàu loaïi döõ lieäu khaùc nhau. EPROM thöôøng ñaét tieàn hôn PROM nhöng coù lôïi theá ôû khaû naêng caäp nhaät nhieàu laàn. 48
12. Moät daïng boä nhôù haàu nhö chæ ñoïc khaùc lyù thuù hôn laø boä nhôù chæ ñoïc khaû trình xoùa ñöôïc baèng ñieän töû (EEPROM). Vôùi boä nhôù naøy, döõ lieäu coù theå ñöôïc ghi vaøo maø khoâng caàn phaûi tieán haønh quaù trình xoùa tröôùc. Thao taùc ghi maát nhieàu thôøi gian hôn so vôùi thao taùc ñoïc, vaøo khoaûng vaøi traêm micro giaây cho moät byte. Boä nhôù EEPROM keát hôïp lôïi ñieåm cuûa tính baát bieán vaø söï linh hoaït trong vieäc caäp nhaät taïi choã baèng caùch söû duïng caùc ñöôøng ñieàu khieån, ñöôøng ñòa chæ, vaø ñöôøng döõ lieäu thoâng thöôøng. EEPROM ñaét hôn nhieàu so vôùi EPROM vaø cuõng keùm truø maät hôn, hoã trôï ít bit hôn treân moãi chip. Daïng môùi nhaát cuûa boä nhôù baùn daãn laø boä nhôù chôùp (boä nhôù naøy ñöôïc ñaët teân nhö vaäy do toác ñoä taùi laäp trình khaù cao cuûa noù). Ñöôïc giôùi thieäu laàn ñaàu tieân vaøo giöõa thaäp nieân 80, boä nhôù chôùp ñoùng vai troø trung gian giöõa EPROM vaø EEPROM caû veà giaù caû laãn chöùc naêng. Gioáng nhö EEPROM, boä nhôù chôùp söû duïng coâng ngheä xoùa ñieän töû. Moät boä nhôù chôùp coù theå ñöôïc xoùa trong vaøi giaây, nhanh hôn nhieàu so vôùi EPROM. Ngoaøi ra, chuùng ta coù theå xoùa chæ caùc khoái nhôù caàn thieát hôn laø toaøn boä chip. Tuy nhieân, boä nhôù chôùp khoâng cung caáp khaû naêng xoùa ôû möùc byte. Gioáng nhö EPROM, boä nhôù chôùp chæ söû duïng moät transistor cho moãi bit, vaø vì theá ñaït ñöôïc ñoä truø maät cao (so vôùi EEPROM) cuûa EPROM.  Toå chöùc Phaàn töû cô sôû cuûa moät boä nhôù baùn daãn laø oâ nhôù. Maëc duø coù nhieàu coâng ngheä ñieän töû ñöôïc söû duïng, taát caûc caùc oâ nhôù baùn daãn ñeàu coù chung moät soá tính chaát sau: - Chuùng theå hieän hai traïng thaùi oån ñònh (hay baùn oån ñònh) coù theå duøng ñeå bieåu thò hai giaù trò 1 vaø 0. - Chuùng coù khaû naêng cho pheùp ghi (ít nhaát moät laàn) ñeå thieát laäp traïng thaùi. 49
13. - Chuùng coù khaû naêng cho pheùp ñoïc ñeå laáy traïng thaùi. Moät caùch phoå bieán, oâ nhôù coù ba boä phaän cuoái coù khaû naêng mang tín hieäu ñieän töû. Boä phaän choïn choïn moät oâ nhôù cho thao taùc ñoïc/ghi. Boä phaän ñieàu khieån chæ ra thao taùc laø ñoïc hay ghi. Ñoái vôùi thao taùc ghi, moät boä phaän cuoái khaùc cung caáp moät tín hieäu ñieän töû cho pheùp thieát laäp traïng thaùi cuûa oâ nhôù thaønh 0 hay 1. Ñoái vôùi thao taùc ñoïc, boä phaän cuoái ñoù ñöôïc söû duïng ñeå cho ra traïng thaùi cuûa oâ nhôù. Caùc chi tieát veà toå chöùc beân trong, chöùc naêng, vaø ñònh thôøi cuûa oâ nhôù phuï thuoäc vaøo coâng ngheä maïch tích hôïp cuï theå ñöôïc söû duïng vaø vöôït quaù phaïm vi cuûa giaùo trình naøy. Chuùng ta chæ caàn bieát caùc oâ nhôù rieâng leû coù theå ñöôïc choïn cho caùc thao taùc ñoïc vaø ghi. 4.3 BOÄ NHÔÙ CACHE  Nguyeân lyù Boä nhôù cache ñöôïc thieát keá vôùi yù ñònh mang laïi boä nhôù coù toác ñoä xaáp xæ toác ñoä cuûa boä nhôù nhanh nhaát hieän coù, ñoàng thôøi cung caáp moät kích thöôùc boä nhôù lôùn vôùi phí toån ít hôn so vôùi caùc loaïi boä nhôù baùn daãn. Khaùi nieäm veà boä nhôù cache ñöôïc trình baøy treân hình 4.3. Boä nhôù cache chöùa baûn sao cuûa moät phaàn boä nhôù chính. Khi CPU coá gaéng ñoïc moät word töø boä nhôù, word naøy seõ ñöôïc kieåm tra xem coù trong cache hay khoâng. Neáu coù, word ñoù seõ ñöôïc cung caáp ngay cho CPU. Trong tröôøng hôïp ngöôïc laïi, moät khoái boä nhôù chính, bao goàm moät löôïng coá ñònh caùc word seõ ñöôïc ñoïc vaøo trong cache vaø sau ñoù word ñoù seõ ñöôïc cung caáp cho CPU. Do coù hieän töôïng tham chieáu cuïc boä, khi moät khoái döõ lieäu ñöôïc laáy vaøo trong cache ñeå ñaùp öùng moät tham chieáu ñôn leû, coù nhieàu khaû naêng caùc tham chieáu keá tieáp seõ laø caùc word khaùc trong cuøng moät khoái. 50
14. Hình 4.3 Cache vaø boä nhôù chính Hình 4.4 theå hieän caáu truùc cuûa moät heä thoáng cache/boä nhôù chính. Boä nhôù chính goàm ñeán 2n word khaû ñònh ñòa chæ, vôùi moãi word coù moät ñòa chæ duy nhaát n bit. Do yeâu caàu aùnh xaï, boä nhôù naøy ñöôïc xem nhö goàm moät soá caùc khoái coù ñoä daøi coá ñònh K word. Töùc laø chuùng ta coù M = 2n/K khoái. Boä nhôù cache goàm C khe K word, vaø soá caùc khe, hay ñöôøng, nhoû hôn ñaùng keå so vôùi soá khoái boä nhôù chính (C << M). Taïi moät thôøi ñieåm baát kyø, luoân coù moät taäp con goàm caùc khoái nhôù thöôøng truù trong caùc khe cuûa cache. Neáu moät word trong moät khoái boä nhôù ñöôïc ñoïc, khoái ñoù seõ ñöôïc chuyeån vaøo moät trong caùc khe cuûa cache. Do soá khoái nhieàu hôn soá khe, moät khe coù theå khoâng ñöôïc giaønh cho moät khoái trong thôøi gian laâu daøi. Vì lyù do ñoù, moãi khe coù moät theû cho bieát khoái naøo ñang ñöôïc löu tröõ. Theû thöôøng laø moät phaàn cuûa ñòa chæ boä nhôù chính cuûa khoái ñang ñöôïc giöõ trong khe. 51
15. Hình 4.4 Caáu truùc cache/boä nhôù chính Hình 4.5 minh hoïa thao taùc ñoïc. CPU sinh ra ñòa chæ, RA, cuûa moät word caàn ñoïc. Neáu word coù trong cache, noù seõ ñöôïc giao cho CPU. Ngöôïc laïi, khoái chöùa word seõ ñöôïc taûi vaøo trong cache, vaø word ñöôïc giao cho CPU. 52
16. Hình 4.5 Thao taùc ñoïc cache 53
17. CHÖÔNG 5 BOÄ NHÔÙ NGOAØI CUÛA MAÙY TÍNH 5.1 ÑÓA TÖØ Ñóa töø laø moät taám kim loaïi/nhöïa hình troøn coù beà maët phuû vaät lieäu töø tính. Döõ lieäu ñöôïc ghi leân/ñoïc ra töø ñóa thoâng qua moät thieát bò goïi laø ñaàu ñoïc. Trong khi coù thao taùc ñoïc/ghi, ñaàu ñoïc ñöùng yeân vaø taám ñóa quay lieân tuïc beân döôùi noù. Cô cheá ghi döïa treân töø tröôøng sinh bôûi doøng ñieän ñi qua oáng xoaén. Caùc xung ñoäng ñöôïc göûi ñeán ñaàu ñoïc, sau ñoù nhöõng khuoân daïng töø khaùc nhau öùng vôùi caùc doøng ñieän aâm/döông seõ ñöôïc ghi leân beà maët ñóa ôû beân döôùi. Cô cheá ñoïc döïa treân doøng ñieän trong oáng xoaén voán ñöôïc sinh bôûi söï dòch chuyeån töø tröôøng quanh noù. Khi beà maët ñóa ñi qua döôùi ñaàu ñoïc, noù seõ sinh ra moät doøng ñieän coù cuøng cöïc vôùi doøng ñaõ ñöôïc ghi tröôùc ñoù.  Toå chöùc vaø ñònh daïng döõ lieäu 54
18. Ñaàu ñoïc laø moät thieát bò töông ñoái nhoû coù khaû naêng ñoïc/ghi töø/leân moät phaàn cuûa taám ñóa quay beân döôùi. Ñieàu naøy daãn ñeán vieäc toå chöùc döõ lieäu treân ñóa theo daïng moät taäp hôïp caùc voøng troøn ñoàng taâm goïi laø caùc track (raõnh). Moãi track coù cuøng ñoä roäng nhö ñaàu ñoïc. Hình 5.1 moâ taû caùch saép xeáp naøy. Caùc raõnh keà nhau ñöôïc phaân bieät baèng caùc gap (khoaûng troáng), nhôø ñoù ngaên chaën ôû möùc toái thieåu caùc sai soùt do söï canh bieân khoâng chính xaùc cuûa ñaàu ñoïc hoaëc nhieãu cuûa caùc tröôøng ñieän töø. Ñeå ñôn giaûn hoùa veà maët ñieän töû, moãi track coù soá bit thoâng tin baèng nhau. Do ñoù doä truø maät tính theo soá bit treân moãi inch tuyeán tính seõ taêng leân khi chuùng ta ñi töø track xa nhaát beân ngoaøi vaøo ñeán track gaàn nhaát beân trong ñóa. Nhö ñaõ ñeà caäp ñeán trong caùc chöông tröôùc, döõ lieäu ñöôïc chuyeån ñeán vaø ñi khoûi ñóa theo töøng khoái moät. Thoâng thöôøng kích thöôùc cuûa moät khoái döõ lieäu nhoû hôn dung löôïng cuûa track. Cuï theå hôn, döõ lieäu ñöôïc löu trong caùc vuøng coù kích thöôùc khoái goïi laø sector (cung). Treân moãi track thöôøng coù töø 10 ñeán 100 sector döõ lieäu vaø chuùng coù theå coù ñoä daøi coá ñònh hay thay ñoåi. Ñeå traùnh nhöõng sai soùt veà ñoä chính xaùc coù theå xaûy ra trong heä thoáng, caùc sector lieàn nhau ñöôïc taùch bieät bôûi caùc gap lieân track (lieân – baûn ghi). Vôùi caùch toå chöùc nhö vaäy, ñeå xaùc ñònh töøng sector trong track, caàn phaûi coù moät ñieåm baét ñaàu cuûa track cuõng nhö caùch thöùc nhaän bieát ñieåm baét ñaàu vaø keát thuùc cuûa moät sector. Caùc yeâu caàu naøy ñöôïc quaûn lyù thoâng qua döõ lieäu ñieàu khieån ñaõ ñöôïc ghi leân ñóa. Do vaäy ñóa seõ ñöôïc ñònh daïng vôùi moät soá döõ lieäu phuï ñi keøm vaø chæ ñöôïc söû duïng bôûi oå ñóa. Ngöôøi söû duïng khoâng theå truy caäp ñeán nhöõng döõ lieäu naøy. 55
19. Hình 5.1 Toå chöùc döõ lieäu treân ñóa  Caùc ñaëc tröng chính Nhöõng ñaëc tröng chính cuûa ñóa bao goàm: - Söï di chuyeån cuûa ñaàu ñoïc - Tính khaû chuyeån cuûa ñóa - Caùc maët ñóa - Caùc taám ñóa - Cô cheá laøm vieäc cuûa ñaàu ñoïc Söï di chuyeån cuûa ñaàu ñoïc 56
20. Ñaàu ñoïc coù theå ñöôïc giöõ coá ñònh hoaëc di chuyeån theo höôùng taâm ñóa. Vôùi ñaàu ñoïc coá ñònh, coù moät ñaàu ñoïc/ghi cho moãi track. Taát caû caùc ñaàu ñoïc ñöôïc gaén leân moät tay ñoøn keùo daøi qua taát caû caùc track treân ñóa. Vôùi ñaàu ñoïc coù theå di chuyeån, chæ coù moät ñaàu ñoïc/ghi duy nhaát. ÔÛ ñaây ñaàu ñoïc cuõng ñöôïc gaén leân moät tay ñoøn coù theå keùo daøi hoaëc thu ngaén öùng vôùi vò trí cuûa track caàn truy caäp treân ñóa. Tính khaû chuyeån cuûa ñóa Baûn thaân ñóa thöôøng ñöôïc gaén vaøo trong moät oå ñóa vôùi moät tay ñoøn, moät ñoäng cô quay ñóa cuõng nhö caùc maïch ñieän töû caàn thieát cho vieäc nhaäp/xuaát döõ lieäu nhò phaân. Ñóa khoâng theå thaùo rôøi ñöôïc gaén vónh vieãn vaøo trong oå ñóa trong khi ñóa coù theå thaùo rôøi coù theå laáy ra vaø thay theá baèng moät oå ñóa khaùc. Lôïi ích cuûa loaïi ñóa coù theå thaùo rôøi laø khaû naêng cung caáp moät löôïng döõ lieäu khoâng coù giôùi haïn treân moät heä thoáng giôùi haïn caùc oå ñóa. Hôn nöõa ñóa ñoù coøn coù theå di chuyeån töø maùy tính n aøy sang maùy tính khaùc. Caùc maët ñóa Haàu heát caùc ñóa ñeàu coù hai maët tröø moät soá ñóa loaïi cuõ chæ coù moät maët. Soá caùc taám ñóa Moät soá oå ñóa cho pheùp xeáp choàng nhieàu ñóa theo chieàu thaúng ñöùng vôùi nhieàu tay ñoøn ñöôïc cung caáp. Caùc taám ñóa nhö theá ñöôïc toå chöùc theo ñôn vò disk pack (goùi ñóa). Cô cheá laøm vieäc cuûa ñaàu ñoïc 57
21. Cô cheá laøm vieäc cuûa ñaàu ñoïc trong thao taùc ñoïc/ghi cho pheùp phaân loaïi ñóa raát roõ raøng. Chuùng ta coù ba cô cheá nhö sau: - Cô cheá 1: giöõ ñaàu ñoïc ôû moät khoaûng caùch coá ñònh vôùi beà maët ñóa - Cô cheá 2: cho pheùp tieáp xuùc veà maët vaät lyù giöõa ñaàu ñoïc vôùi beà maët ñóa - Cô cheá 3: khoaûng caùch giöõa ñaàu ñoïc vôùi beà maët ñóa coù theå thay ñoåi trong quaù trình ñoïc/ghi. Ñeå hieåu roõ cô cheá 3 noùi treân, chuùng ta caàn tìm hieåu veà moái quan heä giöõa ñoä truø maät döõ lieäu vaø kích thöôùc cuûa khoái khoâng khí troáng giöõa ñaàu ñoïc vaø beà maët ñóa beân döôùi noù. Ñaàu ñoïc phaûi sinh ra moät tröôøng ñieän töø ñuû lôùn ñeå ñoïc/ghi moät caùch chính xaùc. Ñaàu ñoïc caøng heïp thì noù caøng phaûi ôû gaàn beà maët ñóa hôn ñeå hoaït ñoäng. Ñaàu ñoïc heïp hôn daãn ñeán beà roäng track nhoû hôn vaø do vaäy ñoä truø maät döõ lieäu taêng leân raát nhieàu. Tuy nhieân, khi ñaàu ñoïc caøng gaàn beà maët ñóa, nguy cô pha taïp vaø khoâng chính xaùc veà döõ lieäu caøng lôùn. Nhaèm ñaåy kyõ thuaät ñóa leân moät böôùc xa hôn, ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra oå ñóa Winchester. Caùc ñaàu ñoïc Winchester ñöôïc söû duïng trong caùc oå ñóa gaàn nhö khoâng coù taùc nhaân taïp chaát. Chuùng ñöôïc thieát keá ñeå hoaït ñoäng gaàn hôn vôùi beà maët ñóa neáu so vôùi caùc ñaàu ñoïc kieåu cuõ, do ñoù cho pheùp laøm taêng ñoä truø maät cuûa döõ lieäu treân ñóa. Ñaàu ñoïc coù daïng moät laù khí ñoäng hoïc naèm treân beà maët ñóa khi ñóa khoâng chuyeån ñoäng. Aùp suaát khoâng khí sinh bôûi ñóa xoay troøn ñuû laøm cho laù ruùt leân khoûi beà maët ñóa. Phaàn heä thoáng khoâng tieáp xuùc vôùi ñóa coù theå ñöôïc cheá taïo ñeå söû duïng vôùi nhöõng ñaàu ñoïc kieåu môùi naøy.  Thôøi gian truy caäp ñóa Khi oå ñóa hoaït ñoäng, ñóa quay vôùi moät vaän toác khoâng ñoåi. Ñeå ñoïc hoaëc ghi, ñaàu ñoïc phaûi ñöôïc ñònh vò taïi track caàn truy caäp vaø ôû ñaàu 58
22. cuûa sector caàn thao taùc treân track ñoù. Vieäc choïn track bao goàm vieäc di chuyeån ñaàu ñoïc (trong moät heä thoáng ñaàu ñoïc coù theå di chuyeån) hay löïa choïn moät caùch ñieän töû moät ñaàu ñoïc/ghi (trong heä thoáng coù ñaàu ñoïc coá ñònh). Vôùi heä thoáng coù ñaàu ñoïc di chuyeån ñöôïc, thôøi gian caàn ñeå ñònh vò track ñöôïc goïi laø thôøi gian tìm kieám (seek time). Trong caû hai tröôøng hôïp, moät khi track ñaõ ñöôïc choïn, heä thoáng chôø cho ñeán khi sector thích hôïp quay ñeán beân döôùi ñaàu ñoïc. Thôøi gian caàn thieát ñeå sector quay ñeán döôùi ñaàu ñoïc naøy goïi laø ñoä treã quay (rotational latency). Toång thôøi gian tìm kieám vaø ñoä treã quay ñöôïc goïi laø thôøi gian truy caäp, hay thôøi gian caàn thieát ñeå ñònh vò döõ lieäu caàn ñoïc/ghi. Khi ñaàu ñoïc ñaõ ôû ñuùng vò trí, thao taùc ñoïc/ghi seõ ñöôïc thöïc hieän ngay khi sector di chuyeån döôùi ñaàu ñoïc. 5.2 RAID Nhö ñaõ thaûo luaän ôû caùc phaàn tröôùc, toác ñoä caûi tieán hieäu suaát löu tröõ treân thieát bò ngoaøi keùm hôn so vôùi toác ñoä caûi tieán cho boä xöû lyù vaø boä nhôù chính. Söï khoâng ñoàng boä naøy daãn ñeán vieäc heä thoáng löu tröõ ñóa trôû thaønh chuû ñeà chính trong söï caûi tieán hieäu suaát vaän haønh cuûa toaøn boä heä thoáng maùy tính. Cuõng nhö vôùi caùc yeáu toá khaùc coù aûnh höôûng ñeán söï vaän haønh cuûa maùy, caùc nhaø thieát keá ñóa nhaän bieát raèng ñeå ñaït ñöôïc söï caûi tieán veà maët hieäu suaát, caùc thaønh phaàn caàn phaûi ñöôïc phaùt trieån song song. Trong tröôøng hôïp löu tröõ ñóa, ñieàu naøy daãn ñeán söï phaùt trieån cuûa maûng caùc ñóa hoaït ñoäng ñoäc laäp vaø song song. Vôùi nhieàu ñóa, nhöõng yeâu caàu nhaäp/xuaát rieâng leû coù theå ñöôïc quaûn lyù song song neáu nhö döõ lieäu yeâu caàu ñöôïc löu treân caùc ñóa taùch bieät. Hôn nöõa, moät yeâu caàu nhaäp/xuaát ñôn leû coù theå ñöôïc thöïc hieän song song neáu khoái döõ lieäu caàn truy caäp phaân boá treân nhieàu ñóa. 59
23. Baèng söï söû duïng heä thoáng nhieàu ñóa, chuùng ta coù nhieàu caùch thöùc toå chöùc ñóa taän duïng tính thöøa döõ lieäu nhaèm caûi thieän ñoä tin caäy cuûa heä thoáng. Tuy nhieân, ñieàu naøy coù theå gaây khoù khaên cho vieäc phaùt trieån caùc sô ñoà cô sôû döõ lieäu coù ích treân moät soá neàn taûng vaø heä ñieàu haønh. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy, hieän nay ñaõ coù moät sô ñoà chuaån hoùa cho thieát keá cô sôû döõ lieäu ña ñóa goïi laø RAID (Redundant Array of Independent Disks). Sô ñoà RAID goàm coù saùu möùc töø 0 ñeán 5. Caùc möùc naøy khoâng taïo thaønh moät quan heä phaân caáp nhöng ñònh ra nhöõng kieán truùc khaùc nhau coù chung caùc ñaëc ñieåm sau: 1. RAID laø taäp hôïp caùc oå ñóa vaät lyù ñöôïc nhìn töø heä ñieàu haønh nhö moät oå ñóa logic ñôn. 2. Döõ lieäu ñöôïc phaân boá treân maûng caùc oå ñóa vaät lyù. 3. Dung löôïng ñóa dö thöøa ñöôïc söû duïng ñeå löu tröõ thoâng tin chaün leû nhaèm baûo ñaûm khaû naêng phuïc hoài döõ lieäu trong tröôøng hôïp coù hö hoûng veà ñóa. Caùc ñaëc ñieåm 2 vaø 3 thay ñoåi theo möùc RAID. RAID 0 khoâng hoã trôï ñaëc ñieåm 3. Thuaät ngöõ RAID ñöôïc ñöa ra trong moät baøi baùo cuûa moät nhoùm caùc nhaø nghieân cöùu taïi ñaïi hoïc toång hôïp California, Hoa kyø. Baøi baùo ñoù ñaõ khaùi quaùt caùc caáu hình vaø öùng duïng RAID, ñoàng thôøi giôùi thieäu nhöõng ñònh nghóa veà möùc RAID ñang ñöôïc söû duïng ngaøy nay. RAID ñöôïc ñeà xuaát nhaèm xoùa boû khoaûng troáng lôùn giöõa toác ñoä boä xöû lyù vaø caùc oå ñóa ñieän cô töông ñoái chaäm. Chieán löôïc ñöôïc aùp duïng ôû ñaây laø thay theá moät oå ñóa coù dung löôïng lôùn baèng nhieàu oå ñóa coù dung löôïng nhoû hôn, theo caùch thöùc cho pheùp truy caäp ñoàng thôøi ñeán döõ lieäu töø nhieàu oå ñóa, nhôø vaäy caûi thieän hieäu suaát nhaäp/xuaát vaø cho pheùp gia taêng töøng böôùc veà dung löôïng moät caùch deã daøng hôn. 60
24. Söï ñoùng goùp noåi baät nhaát cuûa ñeà xuaát RAID laø giaûi quyeát coù hieäu quaû yeâu caàu veà tính dö thöøa. Maëc duø cho pheùp nhieàu ñaàu ñoïc hoaït ñoäng cuøng luùc coù theå daãn ñeán toác ñoä truyeàn vaø nhaäp/xuaát döõ lieäu cao hôn, vieäc söû duïng nhieàu thieát bò cuõng laøm gia taêng xaùc suaát hö hoûng. Ñeå ñeàn buø cho söï giaûm suùt ñoä tin caäy naøy, RAID söû duïng thoâng tin chaün leû ñaõ löu tröõ trong vieäc phuïc hoài döõ lieäu do ñóa hoûng. Hình 5.2 vaø 5.3 cho thaáy saùu sô ñoà RAID hoã trôï yeâu caàu veà döõ lieäu vôùi boán ñóa vaø khoâng trieån khai tính dö thöøa döõ lieäu. Noù chæ ra söï khaùi quaùt veà döõ lieäu cuûa ngöôøi söû duïng vaø döõ lieäu thöøa, cuõng nhö caùc yeâu caàu löu tröõ quan heä cuûa nhieàu möùc khaùc nhau. 61
25. Hình 5.2 Caùc möùc RAID 62
26. Hình 5.3 Caùc möùc RAID (tieáp theo hình 5.2) 63