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

Cấu trúc máy tínhChương 5BỘ NHỚ MÁY TÍNH8/12/20211Chương 5: Bộ nhớ máy tínhNội dung5.1. Tổng quan về hệ thống nhớ5.2. Bộ nhớ bán dẫn5.3. Bộ nhớ chính5.4. Bộ nhớ cache5.5. Bộ nhớ ngoài5.6. Bộ nhớ ảo5.7. Hệ thống nhớ trên máy tính cá nhân8/12/20212Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.1. Tổng quan về hệ thống nhớCác đặc trưng của hệ thống nhớVị tríBên trong CPU:tập thanh ghiBộ nhớ trong:bộ nhớ chínhbộ nhớ cacheBộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớDung lượngĐộ dài từ nhớ (tính bằng bit)Số lượng từ nhớ8/12/20213Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCác đặc trưng của hệ thống nhớĐơn vị truyềnTừ nhớKhối nhớPhương pháp truy nhậpTruy 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)8/12/20214Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCác đặc trưng của hệ thống nhớHiệu năng (performance)Thời gian truy nhậpChu kỳ nhớTốc độ truyềnKiểu vật lýBộ nhớ bán dẫnBộ nhớ từBộ nhớ quangCác đặc tính vật lýKhả biến / Không khả biến (volatile / nonvolatile)Xoá được / không xoá đượcTổ chức8/12/20215Chương 5: Bộ nhớ máy tínhPhân cấp hệ thống nhớTập thanh ghiBộ nhớ cache L1Bộ nhớ cache L2Bộ nhớ chínhBộ nhớ ngòaiCPUTừ trái sang phải: Dung lượng tăng dần Tốc độ giảm dần Giá thành giảm dần8/12/20216Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.2. Bộ nhớ bán dẫnPhân loạiRead Only Memory (ROM) Programmable ROM (PROM) Erasable PROM (EPROM)Electrically Erasable PROM (EEPROM) Flash memoryRandom Access Memory (RAM)8/12/20217Chương 5: Bộ nhớ máy tínhROM (Read Only Memory)Bộ nhớ chỉ đọcLưu trữ các thông tin sau:Thư viện các chương trình conCác chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)Các bảng chức năngVi chương trình8/12/20218Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCác kiểu ROMROM mặt nạ:thông tin được ghi khi sản xuấtrất đắtPROM (Programmable ROM)Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình  chỉ ghi được một lầnEPROM (Erasable PROM) Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình  ghi được nhiều lầnTrước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím8/12/20219Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCác kiểu ROM (tiếp)EEPROM (Electrically Erasable PROM)Có thể ghi theo từng byteXóa bằng điệnFlash memory (Bộ nhớ cực nhanh)Ghi theo khốiXóa bằng điện8/12/202110Chương 5: Bộ nhớ máy tínhRAM (Random Access Memory)Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)Lưu trữ thông tin tạm thờiCó hai loại: SRAM và DRAM (Static and Dynamic)8/12/202111Chương 5: Bộ nhớ máy tínhSRAM (Static) – RAM tĩnhCác bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop thông tin ổn định, việc đọc không làm mất nội dung ô nhớCấu trúc phức tạpDung lượng chip nhỏTốc độ nhanhĐắt tiềnDùng làm bộ nhớ cache8/12/202112Chương 5: Bộ nhớ máy tínhDRAM (Dynamic) – RAM độngCác 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 tươiCấu trúc đơn giảnDung lượng lớnTốc độ chậm hơnRẻ tiền hơnDùng làm bộ nhớ chínhSynchronous DRAM (SDRAM)DDR-SDRAM (Double Data Rate)Rambus DRAM (RDRAM)8/12/202113Chương 5: Bộ nhớ máy tínhSơ đồ cơ bản của chip nhớCác đường địa chỉ: An-1 ÷ A0  có 2n từ nhớCác đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0  độ dài từ nhớ = m bitDung lượng chip nhớ = 2n x m bitCác đường điều khiển:Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select)Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable)Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable)A0 - AN-1D0 - Dm-1WEOECS8/12/202114Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.3. Bộ nhớ chínhCác đặc trưng cơ bảnChứa các chương trình đang thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụngTồn tại trên mọi hệ thống máy tínhBao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPUDung 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 hành8/12/202115Chương 5: Bộ nhớ máy tínhTổ 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 ... bitCác ngăn nhớ được tổ chức theo byte tổ chức bộ nhớ vật lý khác nhau8/12/202116Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory)Nguyên tắc chung của cacheNguyên 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 bộVí dụ:Cấu trúc chương trình tuần tựVòng lặp có thân nhỏCấu trúc dữ liệu mảng8/12/202117Chương 5: Bộ nhớ máy tínhBộ nhớ cacheCache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chínhCache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớCache có thể được đặt trên chip CPUCPUCacheBộ nhớ chínhTruyền theo từ nhớTruyền theo block nhớ8/12/202118Chương 5: Bộ nhớ máy tínhVí dụ về thao tác của cacheCPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớCPU kiểm tra trên cache với dữ liệu nàyNếu có, CPU nhận dữ liệu từ cacheNếu không có, đọc Block nhớ chứa dữ liệu từ bộ nhớ chính vào cacheTiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào CPU8/12/202119Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCấu trúc chung của cache / bộ nhớ chínhCPUL0L1L2L3Lm-1CacheB0B1B2B3Bp-1Bộ nhớ chínhTagTagTagTagTag8/12/202120Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCấu trúc chung của cache / bộ nhớ chínhBộ nhớ chính có 2N byte nhớBộ nhớ chính và cache được chia thành các khối có kích thước bằng nhauBộ 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 byte8/12/202121Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCấu trúc chung của cache / bộ nhớ chínhMột 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).8/12/202122Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCác phương pháp ánh xạLà các phương pháp tổ chức bộ nhớ cacheÁnh xạ trực tiếp (Direct mapping)Ánh xạ liên kết toàn phần (Fully associative mapping)Ánh xạ liên kết tập hợp (Set associative mapping)8/12/202123Chương 5: Bộ nhớ máy tínhÁnh xạ trực tiếpMỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp vào một Line của cache:B0  L0B1  L1....Bm-1  Lm-1Bm  L0Bm+1  L1....Tổng quátBj chỉ có thể nạp vào L j mod m m là số Line của cache.8/12/202124Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐặc điểm của ánh xạ trực tiếpMỗi 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:2W = kích thước của Block hay LineTrường Line gồm L bit xác định một trong số các Line trong cache:2L = số Line trong cache = mTrường Tag gồm T bit:T = N - (W+L)Bộ so sánh đơn giảnXác suất cache hit thấp8/12/202125Chương 5: Bộ nhớ máy tínhÁnh xạ liên kết toàn phầnMỗi 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 đó8/12/202126Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phầnSo sánh đồng thời với tất cả các Tag  mất nhiều thời gianXác suất cache hit cao.Bộ so sánh phức tạp.8/12/202127Chương 5: Bộ nhớ máy tínhÁnh xạ liên kết tập hợpCache đươc chia thành các Tập (Set)Mỗi một Set chứa một số LineVí dụ:4 Line/Set  4-way associative mappingÁnh xạ theo nguyên tắc sau:B0  S0B1  S1B2  S28/12/202128Chương 5: Bộ nhớ máy tínhVí dụ về ánh xạ địa chỉKhông gian địa chỉ bộ nhớ chính = 4GBDung lượng bộ nhớ cache là 256KBKích thước Line (Block) = 32byte.Xác định số bit của các trường địa chỉ cho ba trường hợp tổ chức:Ánh xạ trực tiếpÁnh xạ liên kết toàn phầnÁnh xạ liên kết tập hợp 4 đường8/12/202129Chương 5: Bộ nhớ máy tínhVới ánh xạ trực tiếpBộ nhớ chính = 4GB = 232 byte  N = 32 bitCache = 256 KB = 218 byte.Line = 32 byte = 25 byte  W = 5 bitSố Line trong cache = 218/ 25 = 213 LineL = 13 bitT = 32 - (13 + 5) = 14 bitTag14 bitLine13 bitWord5 bit8/12/202130Chương 5: Bộ nhớ máy tínhVới ánh xạ liên kết toàn phầnBộ nhớ chính = 4GB = 232 byte  N = 32 bitLine = 32 byte = 25 byte  W = 5 bitSố bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - 5 = 27 bitTag27 bitWord5 bit8/12/202131Chương 5: Bộ nhớ máy tínhVới ánh xạ liên kết tập hợp 4 đườngBộ nhớ chính = 4GB = 232 byte  N = 32 bitLine = 32 byte = 25 byte  W = 5 bitSố Line trong cache = 218/ 25 = 213 LineMột Set có 4 Line = 22 Linesố Set trong cache = 213/ 22 = 211 Set  S = 11 bitSố bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - (11 + 5) = 16 bitTag16 bitLine11 bitWord5 bit8/12/202132Chương 5: Bộ nhớ máy tínhPhương pháp ghi dữ liệu khi cache hitGhi xuyên qua (Write-through):ghi cả cache và cả bộ nhớ chínhtốc độ chậmGhi trả sau (Write-back):chỉ ghi ra cachetốc độ nhanhkhi Block trong cache bị thay thế cần phải ghi trả cả Block về bộ nhớ chính8/12/202133Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.5. Bộ nhớ ngoàiCác kiểu bộ nhớ ngoàiBăng từĐĩa từĐĩa quangFlash Disk8/12/202134Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐĩa từĐầu từ cố định hay đầu từ di độngĐĩa cố định hay thay đổiMột mặt hay hai mặtMột đĩa hay nhiều đĩaCơ chế đầu từTiếp xúc (đĩa mềm)Không tiếp xúc8/12/202135Chương 5: Bộ nhớ máy tínhNhiều đĩa8/12/202136Chương 5: Bộ nhớ máy tínhCylinders8/12/202137Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐĩa mềm8”, 5.25”, 3.5”Dung lượng nhỏ: chỉ tới 1.44MbyteTốc độ chậmThông dụngRẻ tiềnTương lai có thể không dùng nữa ?8/12/202138Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐĩa cứngMột hoặc nhiều đĩaThông dụngDung lượng tăng lên rất nhanh1993: 200MB2004: 30GB, 40GBTốc độ đọc/ghi nhanhRẻ tiền8/12/202139Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐĩa quangCD-ROM (Compact Disk ROM)CD-R (Recordable CD)CD-RW (Rewriteable CD)Dung lượng thông dụng 650MBỔ đĩa CD:Ổ CD-ROMỔ CD-Writer: Ghi một phiên hoặc ghi nhiều phiênỔ CD-RWTốc độ đọc cơ sở 150KByte/s.Tốc độ bội, ví dụ: 48x, 52x,...8/12/202140Chương 5: Bộ nhớ máy tínhĐĩa quangDVDDigital Video Disk: chỉ dùng trên ổ đĩa xem videoDigital Versatile Disk: ổ trên máy tínhGhi một hoặc hai mặtMột hoặc hai lớp trên một mặtThông dụng: 4,7GB/lớp8/12/202141Chương 5: Bộ nhớ máy tínhFlash DiskThường kết nối qua cổng USBKhông phải dạng đĩaBộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory)Dung lượng tăng nhanhThuận tiện8/12/202142Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.6 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 = 4KBytesKỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn nhớ có thể gối lên nhau.8/12/202143Chương 5: Bộ nhớ máy tính5.7. Hệ thống nhớ trên PC hiện nayBộ nhớ cache: tích hợp trên chip vi xử lýBộ nhớ chính: Tồn tại dưới dạng các mô-đun nhớ RAM8/12/202144Chương 5: Bộ nhớ máy tínhHệ thống nhớ trên PC hiện nayROM BIOS chứa các chương trình sau:Chương trình POST (Power On Self Test)Chương trình CMOS SetupChương trình Bootstrap loaderCác trình điều khiển vào-ra cơ bản (BIOS)CMOS RAM:Chứa thông tin cấu hình hệ thốngĐồng hồ hệ thốngCó pin nuôi riêngVideo RAM: quản lý thông tin của màn hìnhCác loại bộ nhớ ngoài8/12/202145Chương 5: Bộ nhớ máy tính