Nội dung
Khái niệm
Bộ nhớ chính
Bộ nhớ cache
Bộ nhớ ngoài (các thiết bị lưu trữ)
1. Khái niệm
Bộ nhớ: thiết bị có thể bảo quản và khôi phục một thông tin
Từ nhớ: tập bits có thể được đọc hay ghi đồng thời
86 trang |
Chia sẻ: phuongt97 | Lượt xem: 487 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang nội dung tài liệu Bài giảng Kiến trúc máy tính: Bộ nhớ và các thiết bị lưu trữ - Nguyễn Ngọc Hoá, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
nh tranh cache (cache contention) trong chu trình
tải/giải mã lệnh và chu trình thi hành (nâng cao hiệu năng pipeline)
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 63
Hiệu năng
Thời gian truy cập trung bình = Thời gian truy cập thành
công + tỷ lệ thất bại x penality thất bại
Thời gian truy cập = Thời gian truy cập một dữ liệu trong
cache
Tỷ lệ thất bại = số lần dữ liệu cần đọc không chứa trong
cache /số lần truy cập cache
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 64
Pentium Cache
80386 – no on chip cache
80486 – 8k using 16 byte lines and four way set associative organization
Pentium (all versions) – two on chip L1 caches
Data & instructions
Pentium III – L3 cache added off chip
Pentium 4
L1 caches
8k bytes
64 byte lines
four way set associative
L2 cache
Feeding both L1 caches
256k
128 byte lines
8 way set associative
L3 cache on chip
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 65
Problem Solution
Processor on
which feature
first appears
External memory slower than the system bus.
Add external cache using faster
memory technology.
386
Increased processor speed results in external
bus becoming a bottleneck for cache access.
Move external cache on-chip,
operating at the same speed as the
processor.
486
Internal cache is rather small, due to limited
space on chip
Add external L2 cache using faster
technology than main memory
486
Contention occurs when both the Instruction
Prefetcher and the Execution Unit simultane-
ously require access to the cache. In that case,
the Prefetcher is stalled while the Execution
Unit’s data access takes place.
Create separate data and
instruction caches.
Pentium
Increased processor speed results in external
bus becoming a bottleneck for L2 cache access.
Create separate back-side bus that
runs at higher speed than the main
(front-side) external bus. The BSB
is dedicated to the L2 cache.
Pentium Pro
Move L2 cache on to the processor
chip.
Pentium II
Some applications deal with massive databases
and must have rapid access to large amounts of
data. The on-chip caches are too small.
Add external L3 cache.
Pentium III
Move L3 cache on-chip.
Pentium 4
Pentium Cache
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 66
Pentium 4 Block Diagram
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 67
PowerPC Cache
601 – single 32kb 8 way set associative
603 – 16kb (2 x 8kb) two way set associative
604 – 32kb
620 – 64kb
G3 & G4
64kb L1 cache
8 way set associative
256k, 512k or 1M L2 cache
two way set associative
G5
32kB instruction cache
64kB data cache
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 68
PowerPC G5 Block Diagram
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 69
ARM Cache
Core Cache
Type
Cache Size
(kB)
Cache Line
Size
(words)
Associativity Location Write
Buffer Size
(words)
ARM720T Unified 8 4 4-way Logical 8
ARM920T Split 16/16 D/I 8 64-way Logical 16
ARM926EJ-S Split 4-128/4-128
D/I
8 4-way Logical 16
ARM1022E Split 16/16 D/I 8 64-way Logical 16
ARM1026EJ-S Split 4-128/4-128
D/I
8 4-way Logical 8
Intel StrongARM Split 16/16 D/I 4 32-way Logical 32
Intel Xscale Split 32/32 D/I 8 32-way Logical 32
ARM1136-JF-S Split 4-64/4-64
D/I
8 4-way Physical 32
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 70
Tổ chức ARM Cache
Small FIFO write buffer
Enhances memory write performance
Between cache and main memory
Small c.f. cache
Data put in write buffer at processor clock speed
Processor continues execution
External write in parallel until empty
If buffer full, processor stalls
Data in write buffer not available until written
So keep buffer small
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 71
Tổ chức ARM Cache
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 72
4. Bộ nhớ ngoài
RAM for storage
Flash
Đĩa từ - Magnetic Disk
HDD
RAID
Removable
Đĩa quang - Optical
CD-ROM
CD-Recordable (CD-R)
CD-R/W
DVD
Băng từ - Magnetic Tape
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 73
Magnetic Disks
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 74
Magnetic Disks
Ưu điểm: rẻ($/MB), độ tin cậy chấp nhận được
Primary storage, memory swapping
Nhược: chỉ có thể đọc/ghi toàn bộ một sector
không thể truy cập trực tiếp như bộ nhớ chính
Thời gian truy cập đĩa
Queuing delay
Wait until disk gets to do this operation
Seek time
Head moves to correct track
Rotational latency
Correct sector must get under the head
Data transfer time and controller time
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 75
Khuynh hướng của đĩa từ
Dung lượng: ~gấp đôi sau mỗi năm
Thời gian truy cập trung bình
5-12ms (việc cải thiện tốc độ tương đối chậm)
Latency quay trung bình (1/2 full rotation)
5,000 RPM to 10,000 RPM to 15,000 RPM
Cải thiện chậm, phức tạp (reliability, noise)
Tốc độ truyền dữ liệu
Phục thuộc vào bề mặt đĩa, dữ liệu trên một track
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 76
Đĩa quang
Giới hạn bởi các chuẩn
CD and DVD capacity fixed over years
Technology actually improves, but it takes time
for it to make it into new standards
Kích thước bé, dễ thay thế
Good for backups and carrying around
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 77
Băng từ
Thời gian truy cập rất chậm
Must rewind tape to correct place for read/write
Chi phí thấp ($/MB)
It’s just miles of tape!
But disks have caught up anyway
Được sử dụng để sao lưu dữ liệu (secondary storage)
Large capacity & Replaceable
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 78
RAM for Storage
Disks are about 100 times cheaper ($/MB)
DRAM is about 100,000 faster (latency)
Solid-State Disks
Actually, a DRAM and a battery
Much faster than disk, more reliable
Expensive (not very good for archives and such)
Flash memory
Much faster than disks, but slower than DRAM
Very low power consumption
Can be sold in small sizes (few GB, but tiny)
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 79
Một số vấn đề lỗi
Phân loại theo nguyên nhân
Hardware Faults
Hardware devices fail to perform as designed
Design Faults
Faults in software and some faults in HW
E.g. the Pentium FDIV bug was a design fault
Operation Faults
Operator and user mistakes
Environmental Faults
Fire, power failure, sabotage, etc.
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 80
Khắc phục: cải thiện độ tin cậy
Fault Avoidance
Prevent occurrence of faults by construction
Fault Tolerance
Prevent faults from becoming failures
Typically done through redundancy
Error Removal
Removing latent errors by verification
Error Forecasting
Estimate presence, creation, and consequences of errors
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 81
Disk Fault Tolerance with RAID
Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks
Several smaller disks play a role of one big disk
Can improve performance
Data spread among multiple disks
Accesses to different disks go in parallel
Can improve reliability
Data can be kept with some redundancy
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 82
RAID
Tập các đĩa vật lý thành một đĩa logic nhìn bởi hệ điều hành
RAID 0: không dư thừa dữ liệu
Truy cập song song các đĩa
Dữ liệu có thể phân tán trên nhiều đĩa
RAID 1:
Mirrored disks
2 copies được lưu trên 2 đĩa khác nhau
Đọc từ 1 trong 2, ghi đồng thời lên 2
Đắt
RAID 2:
Các đĩa được đồng bộ hoá
Dư thừa nhiều, giá thành cao
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 83
RAID
RAID 3
Như RAID 2
Chỉ sử dụng 1 đĩa dư thừa
RAID 4
Mỗi đĩa hoạt động một cách độc lập
Parity được lưu trong một đĩa parity riêng
RAID 5
Như RAID 4
Parity được phân ra trên tất cả các đĩa
RAID 6
Hai lần tính parity
Lưu các block khác nhau trên các đĩa khác nhau
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 84
RAID 0, 1, 2
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 85
RAID 3 & 4
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 86
RAID 5 & 6
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_bo_nho_va_cac_thiet_bi_luu_tru.pdf