Chương 5 Hệ thống nhớ máy tính
Bài 5: Cho IC nhớcó dung lượng 4K x 8
bit. Chỉ dùng Bộ giải mã 3: 8, hãy thiết kế
modul nhớ có dung lượng 8K x 8 bit.
Bài 6: Cho IC nhớcó dung lượng 2K x 8
bit. Chỉ dung Bộgiải mã 3:8, hãy thiết kế
modul nhớcó dung lượng 8K x 8 bit.
Bài 7: Cho IC nhớcó dung lượng 8K x 8
bit. Chỉ dùng Bộ giải mã 1:2, hãy thiết kế
modul nhớ có dung lượng 32K x 8bit.
97 trang |
Chia sẻ: phanlang | Lượt xem: 2527 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Chương 5 Hệ thống nhớ máy tính, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Phan Trung Kiên 1
Kiến trúc máy tính
Chương 5
HỆ
THỐNG NHỚ
MÁY
TÍNH
Phan Trung Kiên 2
Nội dung chương 5
Tổng quan về
hệ
thống nhớ
Bộ
nhớ
bán dẫn
Bộ
nhớ
chính
Bộ
nhớ
cache
Bộ
nhớ
ngoài.
Phan Trung Kiên 3
Các đặc trưng của hệ
thống nhớ
Vị
trí
(location)
•
Bên trong Bộ
xử
lý: Các thanh ghi
•
Bộ
nhớ
trong: Bộ
nhớ
chính
Bộ
nhớ
cache
•
Bộ
nhớ
ngoài: Đĩa từ, băng từ
Đĩa quang
Dung lượng (capacity)
•
Độ
dài ngăn nhớ (đơn vị
là
bit)
•
Số lượng ngăn nhớ
Phan Trung Kiên 4
Các đặc trưng của hệ
thống nhớ
Đơn vị
truyền (unit of transfer)
•
Truyền theo từ
nhớ
•
Truyền theo khối nhớ
Phương pháp truy nhập (access
method)
•
Truy nhập tuần tự (băng từ)
•
Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang)
•
Truy nhập ngẫu nhiên (bộ
nhớ
trong)
•
Truy nhập liên kết (bộ
nhớ
cache)
Phan Trung Kiên 5
Các đặc trưng của hệ
thống nhớ
Kiểu vật lý của bộ
nhớ
(physical type)
•
Bộ
nhớ
bán dẫn
•
Bộ
nhớ
từ: băng từ
và đĩa từ
•
Bộ
nhớ quang: đĩa quang
Các đặc trưng vật lý (physical
characteristics)
•
Bộ
nhớ
khả
biến / không khả
biến
•
Bộ
nhớ
xóa được / không xóa được
Phan Trung Kiên 6
Phân cấp hệ
thống nhớ
Từ
trái sang phải:
• Dung lượng tăng dần
• Tốc độ trao đổi dữ
liệu giảm dần
• Giá
thành /1 bit giảm dần
• Tần suất BXL truy nhập giảm dần
• Mức trái chứa một phần dữ
liệu của mức phải
Tập
thanh
ghi
Cache
L1
Cache
L2
Bộ
nhớ
chính
Bộ
nhớ
ngoài
Bộ
xử
lý
Phan Trung Kiên 7
Bộ
nhớ
bán dẫn
Phân loại
Tổ
chức chip nhớ
bán dẫn
Thiết kế
các modul nhớ
bán dẫn
Phan Trung Kiên 8
Bộ
nhớ
bán dẫn
Khả
biếnBằng điện,
từng byte
Random Access
Memory (RAM)
Bằng điện,
từng khốiBộ
nhớ
đọc -
ghi
Flash memory
Bằng điện,
mức từng byte
Electrically Erasable
PROM (EEPROM)
Bằng tia cực
tím, cả
chipBộ
nhớ
hầu như
chỉ đọc
Erasable PROM
(EPROM)
Bằng điện
Programmable ROM
(PROM)
Không
khả
biến
Mặt nạKhông
xóa được
Bộ
nhớ
chỉ đọc
Read Only Memory
(ROM)
Tính
thay đổi
Cơ chế
ghi
Khả năng
xóa
Tiêu
chuẩn
Kiểu bộ
nhớ
Phan Trung Kiên 9
ROM (Read Only Memory)
Là
loại bộ
nhớ
không khả
biến
Lưu trữ
các thông tin:
•
Thư viện các chương trình con
•
Các chương trình hệ
thống (BIOS)
•
Các bảng chức năng
•
Vi chương trình
Phan Trung Kiên 10
Các kiểu ROM
ROM mặt nạ
(ROM cố định):
•
Thông tin được ghi ngay khi sản xuất
•
Rất đắt
PROM (Programmble ROM):
•
Khi sản xuất chưa ghi dữ
liệu
•
Cần thiết bị
chuyên dùng để
ghi bằng chương
trình, chỉ ghi được một lần
EPROM (Erasable PROM):
•
Khi sản xuất chưa ghi dữ
liệu
•
Cần thiết bị
chuyên dụng để
ghi bằng chương
trình, ghi được nhiều lần
•
Trước khi ghi lại, phải xóa bằng tia cực tím
Phan Trung Kiên 11
Các kiểu ROM
EEPROM (Electrically Erasable
PROM):
•
Có
thể
ghi theo từng byte
•
Xóa bằng điện
•
Ghi lâu hơn đọc
Flash memory (bộ
nhớ
cực nhanh)
•
Ghi theo khối
•
Xóa bằng điện
Phan Trung Kiên 12
RAM (Random Access Memory)
Bộ
nhớ đọc / ghi
Khả
biến
Lưu trữ
thông tin tạm thời
Có
hai loại RAM:
•
SRAM (Static RAM)
•
DRAM (Dynamic RAM)
Phan Trung Kiên 13
Các kiểu RAM
DRAM
•
Các bit được lưu trữ
trên tụ điện ? cần
phải có
mạch làm tươi
•
Cấu trúc đơn giản
•
Dung lượng lớn
•
Tốc độ
chậm hơn SRAM
•
Rẻ hơn SRAM
•
Dùng làm bộ
nhớ
chính
Phan Trung Kiên 14
Các kiểu RAM
SRAM
•
Các bit được lưu trữ
bằng các Flip-Flop
•
Không cần mạch làm tươi
•
Cấu trúc phức tạp hơn DRAM
•
Dung lượng nhỏ
•
Tốc độ nhanh hơn DRAM
•
Đắt hơn DRAM
•
Dùng làm bộ
nhớ
cache
Phan Trung Kiên 15
Ví
dụ
về
DRAM
Phan Trung Kiên 16
Tổ
chức ô nhớ
Ô nhớ
là
phần tử
nhớ được 1 bit thông tin
Các tín hiệu:
• Tín hiệu chọn được gửi đến để
chọn ô nhớ
• Tín hiệu điều khiển
chỉ
thị
việc ghi hay đọc
• Tín hiệu thứ
ba là đường dữ
liệu
Chän
§iÒu khiÓn
D÷ liÖu vµo Chän
§iÒu khiÓn
D÷ liÖu ra
¤ nhí ¤ nhí
a) Ghi b) §äc
Phan Trung Kiên 17
Tổ
chức của chip nhớ
Chip nhớ
D0
D1
Dm -
1
A0
A1
An -
1
CS
RD WR
.
.
.
.
.
.
.
.
Phan Trung Kiên 18
Các tín hiệu của chip nhớ
Các đường địa chỉ: A0
An -
1
có
2n
ngăn nhớ.
Các đường dữ
liệu: D0
Dm -
1
độ
dài ngăn nhớ
là
m bit.
Dung lượng chip nhớ: 2n
x m
bit
Các đường điều khiển:
•
Tín hiệu chọn chip: CS
(Chip Select)
•
Tín hiệu điều khiển đọc: RD
/ OE
•
Tín hiệu điều khiển ghi: WR
/ WE
Phan Trung Kiên 19
Tổ
chức của DRAM
Dùng n đường địa chỉ
dồn kênh
cho phép truyền 2n bit địa chỉ
Tín hiệu chọn địa chỉ
hàng RAS
(Row
Address Select)
Tín hiệu chọn địa chỉ
cột CAS
(Column Address Select)
Dung lượng của DRAM: 22n
x m
bit
Phan Trung Kiên 20
Ví
dụ: chip 16Mb DRAM (4M x 4 bit)
Phan Trung Kiên 21
Các chip nhớ
(nhìn bên ngoài)
Phan Trung Kiên 22
Thiết kế
modul nhớ
bán dẫn
Dung lượng chip nhớ
là
2n
x m bit
Cần thiết kế để tăng dung lượng:
•
Tăng độ
dài ngăn nhớ (tăng m)
•
Tăng số lượng ngăn nhớ (tăng n)
•
Kết hợp cả
hai loại (tăng m và
n)
Phan Trung Kiên 23
Tăng độ
dài ngăn nhớ
Ví
dụ
1:
•
Cho chip nhớ
SRAM: 8K x 4
bit
•
Hãy thiết kế
modul nhớ
8K x 8
bit
Giải:
•
Dung lượng chip nhớ: 213
x 4 bit
•
Chip nhớ
có:
13 đường địa chỉ
(A0
A12
), 4 đường dữ
liệu (D0
D3
)
•
Modul nhớ
cần có:
13 đường địa chỉ
(A0
A12
), 8 đường dữ
liệu (D0
D7
)
Phan Trung Kiên 24
Hình vẽ
(ví
dụ
1)
A0
A12
8K x 4 bit
D0
D3
CS
WE OE
A0
A12
A0
A12
8K x 4 bit
D0 D3
CS
WE OE
CS
WE
OE
D0
D3
D4
D7
Phan Trung Kiên 25
Tăng độ
dài ngăn nhớ
Bài toán tăng độ
dài tổng quát:
Cho chip nhớ
2n
x m
bit
Cần thiết kế
modul nhớ
2n
x (k.m)
bit
Cần ghép nối k chip nhớ
Phan Trung Kiên 26
Tăng số lượng ngăn nhớ
Ví
dụ
2:
•
Cho chip nhớ
SRAM: 4K x 4
bit
•
Hãy thiết kế
modul nhớ
8K x 4
bit
Giải:
•
Dung lượng chip nhớ: 212
x 4 bit
•
Chip nhớ
có:
12 đường địa chỉ
(A0
A11
), 4 đường dữ
liệu (D0
D3
)
•
Modul nhớ
cần có:
13 đường địa chỉ
(A0
A12
), 4 đường dữ
liệu (D0
D3
)
Phan Trung Kiên 27
Hình vẽ
(ví
dụ
2)
A0
A11
D0
D3
CS
WE OE
A0
A11
D0
D3
CS
WE OE
11X1
1
0
0
1
0
1
0
0
Y0Y1AG
A0
A11
WE
OE
A Y0
G Y1
A12
D0
D3
CS
Phan Trung Kiên 28
Tăng số lượng ngăn nhớ
Bài toán tăng số lượng tổng quát:
Cho chip nhớ
2n
x m
bit
Cần ghép nối modul nhớ: 2k+n
x m
bit
Cần ghép nối 2k
chip và
phải dùng
bộ
giải mã k: 2k (k 2k)
Phan Trung Kiên 29
Tăng số lượng và độ
dài ngăn nhớ
Ví
dụ
3:
•
Cho chip nhớ
SRAM: 8K x 4
bit
•
Hãy thiết kế
modul nhớ
16K x 8
bit
Giải:
•
Dung lượng chip nhớ: 213
x 4 bit
•
Chip nhớ
có:
13 đường địa chỉ
(A0
A12
), 4 đường dữ
liệu (D0
D3
)
•
Modul nhớ
cần có:
14 đường địa chỉ
(A0
A13
), 8 đường dữ
liệu (D0
D7
)
Phan Trung Kiên 30
Hình vẽ
(ví
dụ
3)
A0
A12
D0
D3
CS
WE OE
A0
A12
D0
D3
CS
WE OE
A0
A12
D0
D3
CS
WE OE
A0
A12
D0
D3
CS
WE OE
A Y0
G Y1
A0
A12
WE
OE
A13
CS
D0
D7
D0
D7
Phan Trung Kiên 31
Tăng số lượng và độ
dài ngăn nhớ
Bài toán tăng số lượng và độ
dài tổng quát:
Cho chip nhớ
2n
x m
bit
Cần ghép nối modul nhớ: 2p+n
x (q.m)
bit
Cần ghép nối q.2p
chip thành 2p
bộ, mỗi
bộ
q chip và
phải dùng bộ
giải mã p: 2p (p
2p)
Phan Trung Kiên 32
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
•
Được đánh địa chỉ
trực tiếp bởi CPU: có
nhiều ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ được gán một
địa chỉ
xác định
•
Việc quản lý lôgic BNC tùy thuộc vào từng
HĐH
•
Về
nguyên tắc, người lập trình có
thể
can
thiệp trực tiếp vào toàn bộ
BNC của máy tính
Phan Trung Kiên 33
Bộ
nhớ
chính
Tổ
chức bộ
nhớ đan xen
•
Độ
rộng của bus dữ
liệu để trao đổi với
bộ
nhớ: m = 8, 16, 32, 64, ... bit
•
Các ngăn nhớ
tổ
chức theo byte
Phan Trung Kiên 34
Ví
dụ: m = 8 bit
Bus hệ
thống
Bank nhớĐịa chỉ
0
1
2
3
n
. . . . .
Phan Trung Kiên 35
m = 16 bit
Bus hệ
thống
Bank 0 Bank 1Địa chỉ
. . . . .
0
2
4
6
2n
Địa chỉ
1
3
5
7
2n+1
. . . . .
Phan Trung Kiên 36
m = 32 bit
Bus hệ
thống
Bank 0Địa chỉ
. . . . .
0
4
8
12
4n
Bank 1Địa chỉ
. . . . .
1
5
9
13
4n+1
Bank 2Địa chỉ
. . . . .
2
6
10
14
4n+2
Bank 3
. . . . .
3
7
11
15
4n+3
Địa chỉ
Phan Trung Kiên 37
Bộ
nhớ
cache
Nguyên tắc chung
Các kỹ
thuật ánh xạ địa chỉ
Các thuật toán thay thế
Hoạt động của cache
Bài tập
Phan Trung Kiên 38
Nguyên tắc chung
Cache có
tốc độ nhanh hơn bộ
nhớ
chính
Cache được đặt giữa CPU và
bộ
nhớ
chính nhằm tăng tốc độ
truy nhập bộ
nhớ
của CPU
Cache có
thể được đặt trên chip CPU
Phan Trung Kiên 39
Các khái niệm
Cache
hit, cache miss:
•
Cache hit
(trúng cache): khi CPU truy nhập một từ
nhớ
mà
từ
nhớ đó
đang có
trong cache.
•
Cache miss (trượt cache): khi CPU truy nhập một từ
nhớ
mà
từ
nhớ đó
không có
trong cache.
Nguyên lý định vị
tham số
bộ
nhớ:
•
Định vị
về
thời gian: Một mục thông tin vừa được truy
nhập thì
có
xác suất lớn là ngay sau đó
nó được truy
nhập lại.
•
Định vị
về
không gian: Một mục thông tin vừa được
truy nhập thì
có
xác suất lớn là ngay sau đó
các mục
lân cận
sẽ được truy nhập.
Phan Trung Kiên 40
Các khái niệm
Trao đổi thông tin giữa cache và
BNC:
•
BNC được chia thành các Block
nhớ
•
Cache được chia thành các Line
nhớ
•
Kích thước Line bằng
kích thước Block
Số lượng Line << Số lượng Block
Mỗi Line trong cache được gắn thêm một
Tag để
xác định Block nào (của BNC)
đang ở
trong Line
Phan Trung Kiên 41
Hình vẽ
minh họa
BXL
Tag D÷ liÖu
Bé nhí cache
Bé nhí chÝnh
L0
L1
Lm-2
Lm-1
B0
B1
B2
Bp-2
Bp-1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Phan Trung Kiên 42
Các kỹ
thuật ánh xạ địa chỉ
Ánh xạ
trực tiếp
(direct mapping)
Ánh xạ
liên kết hoàn toàn
(fully associative mapping)
Ánh xạ
liên kết tập hợp
(set associative mapping)
Phan Trung Kiên 43
Ánh xạ
trực tiếp
Mỗi Block của BNC chỉ được ánh xạ
vào một
Line duy nhất:
i = j mod m
•
i: số
hiệu Line trong cache
•
j: số
hiệu Block trong BNC
•
m: số lượng Line trong cache
Cụ
thể: B0
L0
Bm
L0 . . .
B1
L1
Bm+1
L1
. . .
. . . . . .
Bm-1
Lm-1
B2m-1
Lm-1 . . .
Phan Trung Kiên 44
Ánh xạ
trực tiếp
Như vậy:
L0
: B0
, Bm
, B2m
, ..., Bnm
L1
: B1
, Bm+1
, B2m+1
, ..., Bnm+1
. . . . . . .
Lm-1
: Bm-1
, B2m-1
, B3m-1
, ..., B(n+1)m-1
Phan Trung Kiên 45
Ánh xạ
trực tiếp
Khi đó, địa chỉ
do CPU phát ra gồm 3 trường:
•
Word: xác định số
hiệu ngăn nhớ
trong Block
Block (Line) có
2w
ngăn nhớ
•
Line: xác định số
hiệu Line trong cache
Cache có
2r
Line, cache chứa 2r + w ngăn nhớ
•
Tag: xác định Block nào đang ở
trong Line
BNC chứa 2(s -
r) + r + w
= 2s + w
ngăn nhớ
Tag Line Word
s -
r bit w bitr bit
Phan Trung Kiên 46
Ví
dụ
1
Cho máy tính có dung lượng:
•
BNC = 128 MB, cache = 256 KB, line = 32 byte,
•
Độ
dài ngăn nhớ
= 1 byte.
Tìm dạng địa chỉ
do BXL phát ra?
Giải: Ta có:
•
BNC = 128 MB = 27
* 220
byte = 227
byte
•
Cache = 256 KB = 28
* 210
byte = 218
byte
•
Line = 32 byte = 25
byte w = 5
•
Số lượng Line trong cache: 218/25
= 213
r = 13
•
Số
bit của phần Tag: 27 -
13 -
5 = 9, s -
r = 9
5139
Phan Trung Kiên 47
Ví
dụ
2
Cho máy tính có dung lượng:
•
BNC = 256 MB, cache = 64 KB, line = 16 byte,
•
Độ
dài ngăn nhớ
= 4 byte.
Tìm dạng địa chỉ
do BXL phát ra?
Giải: Ta có:
•
BNC = 256 MB = 228
byte = 228/22
= 226
ng/nhớ
•
Cache = 64 KB = 216
byte = 216/22
= 214
ng/nhớ
•
Line = 16 byte =24/22
= 22
ng/nhớ
w = 2
•
Số lượng Line trong cache: 214/22
= 210
r = 10
•
Số
bit của phần Tag: 26 -
10 -
2 = 9, s -
r = 14
21014
Phan Trung Kiên 48
Sơ đồ
thực hiện
Phan Trung Kiên 49
Nhận xét
Ưu điểm:
•
Dễ
thực hiện, vì
một Block được ánh xạ
cố định
vào một Line không cần
thuật toán chọn Line.
•
Thiết kế
mạch đơn giản.
Nhược điểm:
•
Tỉ
lệ
cache hit thấp.
Phan Trung Kiên 50
ánh xạ
liên kết hoàn toàn
Mỗi Block trong BNC được ánh xạ
vào một Line
bất kỳ trong Cache
Khi đó, địa chỉ
do BXL phát ra có
dạng:
•
Word: xác định ngăn nhớ
trong Block
Block có
2w
ngăn nhớ
•
Tag: xác định Block đang ở
trong Line
Số lượng Block: 2s
Dung lượng BNC: 2s + w
ngăn nhớ
Tag Word
s bit w bit
Phan Trung Kiên 51
Sơ đồ
thực hiện
Phan Trung Kiên 52
Nhận xét
Ưu điểm:
•
Tỉ
lệ
cache hit cao hơn
ánh xạ
trực tiếp
vì
một Block được phép vào một Line
bất kỳ.
Nhược điểm:
•
Thiết kế
mạch tương đối phức tạp, thể
hiện ở
mạch so sánh.
Phan Trung Kiên 53
Ánh xạ
liên kết tập hợp
Cache được chia thành nhiều Set, mỗi
Set gồm nhiều Line liên tiếp
Một Block của BNC chỉ được ánh xạ
vào
một Set
duy nhất trong cache, nhưng
được ánh xạ
vào Line
bất kỳ trong set đó:
i = j mod v
•
i: số
hiệu Set trong cache
•
j: số
hiệu Block trong BNC
•
v: số lượng Set trong cache
Phan Trung Kiên 54
Ánh xạ
liên kết tập hợp
Khi đó, địa chỉ
do BXL phát ra gồm:
•
Word: xác định số
hiệu ngăn nhớ
trong Block
Block (Line) có
2w
ngăn nhớ
•
Set: xác định số
hiệu Set trong cache
Cache có
2d
Set
•
Tag: xác định Block nào đang ở
trong Line
BNC chứa 2(s -
d) + d + w
= 2s + w
ngăn nhớ
Tag Set Word
s -
d bit w bitd bit
Phan Trung Kiên 55
Ví
dụ
1
Cho máy tính có dung lượng:
•
BNC = 512 MB, cache = 128 KB, line = 32 byte,
•
Set = 8 Line, độ
dài ngăn nhớ
= 1 byte.
Tìm dạng địa chỉ
do BXL phát ra?
Giải: Ta có:
•
BNC = 512 MB = 229
byte; Cache = 128 KB = 217
byte
•
Line = 25
byte w = 5
•
Dung lượng Set: 23
* 25
= 28
byte
số lượng Set trong Cache: 217/28
= 29
d = 9
•
Số
bit của phần Tag: 29 -
9 -
5 = 15, s -
d = 15
5915
Phan Trung Kiên 56
Ví
dụ
2
Cho máy tính có dung lượng:
•
BNC = 256 MB, cache = 128 KB, line = 64 byte,
•
Set = 4 Line, độ
dài ngăn nhớ
= 4 byte.
Tìm dạng địa chỉ
do BXL phát ra?
Giải: Ta có:
•
BNC = 228
byte = 228/22
= 226
ng/nhớ
•
Cache = 217
byte = 217/22
= 215
ng/nhớ
•
Line = 26/22
= 24
ng/nhớ
? w = 4
•
D/l Set: 22 * 24= 26
s/l Set: 215/26 = 29 d
= 9
•
Số
bit của phần Tag: 26 -
9 -
4 = 12, s -
d =
12 5912
Phan Trung Kiên 57
Sơ đồ
thực hiện
Phan Trung Kiên 58
Nhận xét
ưu điểm:
•
Tỉ
lệ
cache hit cao vì
một Block được
phép vào một Line bất kỳ
trong Set, và
dễ
so sánh.
•
Đây là
kỹ
thuật ánh xạ
tốt nhất trong 3
kỹ
thuật.
Nhược điểm:
•
Thiết kế
mạch phức tạp.
Phan Trung Kiên 59
Các thuật toán thay thế
Kỹ
thuật ánh xạ
trực tiếp: Không thay
được
Hai kỹ
thuật ánh xạ
liên kết: có
4 thuật
toán
•
Random: thay ngẫu nhiên một Block cũ
nào
đó
? Dễ
thực hiện, nhanh nhất, tỉ
lệ
cache hit thấp.
•
FIFO
(First In -
First Out): thay Block ở đầu
tiên trong số
các Block đang có
trong cache
? tỉ
lệ
cache hit không cao
•
LFU (Least Frequently Used): thay Block
được dùng với tần suất ít nhất ? tỉ
lệ cache
hit
tương
đối cao
Phan Trung Kiên 60
Hoạt động của cache
Đọc:
•
Nếu cache hit: đọc ngăn nhớ
từ
cache
•
Nếu cache miss: thay Block ? cache hit
Ghi:
•
Nếu cache hit: có 2 phương pháp:
Write through: ghi dữ
liệu vào cả
cache và
cả
BNC không cần thiết, tốc độ
chậm, mạch đơn giản.
Write back: chỉ
ghi vào cache, khi nào Block
(trong cache) được ghi bị thay đi ghi vào BNC
tốc độ
nhanh, mạch phức tạp.
•
Nếu cache miss: thay Block cache hit
Phan Trung Kiên 61
Hoạt động của cache
BXL Cache BNC
a) Write Through
BXL Cache BNC
b) Write Back
Phan Trung Kiên 62
Ví
dụ
cache trên các bộ
xử
lý Intel
80386: không có
cache trên chip
80486: •
8KB, kích thước Line: 16 byte
•
ánh xạ
liên kết tập hợp 4 đường
Pentium: có
hai cache L1 trên chip
•
Cache lệnh: 8KB, cache dữ
liệu: 8KB:
Petium 4: cache L1 (2 loại) và
L2 trên chip:
•
Cache L1: +
Mỗi cache: 8KB, kích thước Line: 64 byte
+
Ánh xạ
liên kết tập hợp 4 đường
•
Cache L2: +
256KB, kích thước Line: 128 byte
+
Ánh xạ
liên kết tập hợp 8 đường
Phan Trung Kiên 63
Bộ
nhớ
ngoài
Đĩa từ
RAID
Đĩa quang
Flash disk
Băng từ
Phan Trung Kiên 64
Các đặc tính của đĩa từ
Đầu từ
cố định hay chuyển động
Đĩa cố định hay thay đổi
Một mặt hay hai mặt
Một hay nhiều đĩa
Cơ chế đầu từ
•
Tiếp xúc (đĩa mềm)
•
Không tiếp xúc: +
Khe cố định
+ Khe thay đổi
Phan Trung Kiên 65
Mặt đĩa
Phan Trung Kiên 66
Khuôn dạng của một rãnh (track)
Gap1 ID Gap2 DataGap3Gap1 ID Gap2 DataGap3
Track
Sync
Byte Head Sector CRC
Sync
Byte
Data CRC
Byte 1 2 1 1 2 1 512 2
Sector 0 Sector 1
Byte 17 7 41 515 20 17 7 41 515 20
Phan Trung Kiên 67
Nhiều đĩa
Phan Trung Kiên 68
Cylinders
Phan Trung Kiên 69
Tốc độ đĩa
Thời gian truy nhập
= t/g tìm kiếm + t/g trễ
Tốc độ
truyền
Thời gian tìm kiếm
•
Di chuyển đầu từ đến đúng rãnh
Thời gian trễ
•
Chờ đến khi dữ
liệu nằm ngay dưới đầu từ
Phan Trung Kiên 70
Đĩa mềm
8”, 5.25”, 3.5”
Tốc độ
chậm
Thông dụng
Dung lượng nhỏ
•
Chỉ
tới 1.44MB
(loại 2.88 MB không phổ
dụng)
Rẻ
tiền
Tương lai có
thể
không dùng nữa?
Phan Trung Kiên 71
Đĩa mềm
Ổ đĩa mềm
Phan Trung Kiên 72
Đĩa cứng
Do IBM phát triển
Một hoặc nhiều đĩa
Thông dụng
Dung lượng tăng rất nhanh
•
2003: 20 GB, 30 GB, 40 GB
•
2004: > 300 GB
Tốc độ đọc/ghi nhanh
Giá
thành rẻ
Phan Trung Kiên 73
Đĩa cứng
Đĩa
Trục quay
Cần mang đầu từ
Cơ cấu chuyển động
đầu từ
Cáp dữ
liệu
(SCSI hoặc EIDE)
Điện
Đầu từ
Phan Trung Kiên 74
RAID
Redundant Array of Independent Disks
Có
7 loại RAID (RAID 0
RAID 6)
Không phân cấp RAID
Tập hợp nhiều đĩa vật lý được HĐH coi
như một đĩa (logic) duy nhất
Dữ
liệu được phân bố
trên nhiều đĩa vật lý
khác nhau
Dung lượng RAID lên tới hàng nghìn GB
Do dung lượng lớn
cần có
một phần
đĩa dùng để lưu trữ
thông tin an toàn
Phan Trung Kiên 75
RAID 0
Không có
phần dư thừa (thông tin an
toàn)
Dữ
liệu được chứa trong các strip
Tăng tốc độ:
•
Dữ
liệu không chứa trên cùng một đĩa
•
Các đĩa tìm kiếm theo cơ chế
song song
Phan Trung Kiên 76
ánh xạ
dữ
liệu đối với RAID 0
Phan Trung Kiên 77
RAID 1
Dùng kỹ
thuật mirroring (n + n đĩa)
Dữ
liệu được chứa trong các strip, được nhân
thành 2 bản
chứa trên 2 đĩa khác nhau
Khi đọc: bất kỳ
bản nào; Khi ghi: ghi vào cả
hai
bản
Khi bị
lỗi: đọc từ
bản kia và
nhân bản lại
Giá
thành đắt
Phan Trung Kiên 78
RAID 2
Dùng (n + m) đĩa: n đĩa dữ
liệu, m đĩa mã Hamming
Các strip rất bé: khoảng 1 hoặc 2 byte
Việc sửa lỗi được tính dựa theo các bit tương
ứng trên các đĩa
Nhiều đĩa chứa mã Hamming để
sửa lỗi ở
các
vị
trí tương ứng
Nhiều phần dư thừa: đắt; không phổ
dụng
Phan Trung Kiên 79
RAID 3
Tương tự RAID 2, nhưng phần thông tin an toàn chỉ
dùng 1 đĩa
Chỉ
dùng 1 bit parity
cho tập các bit dữ
liệu tương
ứng
Dữ
liệu bị
lỗi được khôi phục lại nhờ
phần dữ
liệu
“còn sống”
và
thông tin parity:
1 + 3 + 8 + ?
= 20 ?
= 7
Tốc độ
truyền dữ
liệu nhanh
Phan Trung Kiên 80
RAID 4
Mỗi đĩa hoạt động độc lập
Thích hợp với truyền dữ
liệu tốc độ
cao
Strip lớn
Bit parity được tính toán dựa vào các strip trên
mỗi đĩa
Parity được lưu trữ trên đĩa parity theo từng khối
Phan Trung Kiên 81
RAID 5
Tương tự RAID 4, nhưng parity được
phân bố đều trên các đĩa
tránh được
tắc nghẽn trên đĩa parity.
Thường được dùng trong các server
mạng
Phan Trung Kiên 82
RAID 6
Dùng (n + 2) đĩa
Dùng 2 khối parity
Hai khối parity được lưu trữ
riêng biệt trên
các đĩa khác nhau
Phan Trung Kiên 83
Đĩa quang CD-ROM
Dung lượng thông dụng: 650MB
700MB
Chất dẻo được phủ
một lớp
polycarbonate, bên dưới tráng lớp có
khả
năng phản xạ cao, thường là
nhôm
Dữ
liệu được lưu trữ
nhờ
các hốc (pit) và
phần bằng (land)
Đọc dữ
liệu dựa vào sự
phản xạ
tia laser
Phan Trung Kiên 84
Hoạt động của đĩa CD
Nh·n ®Üa
TÇng b¶o vÖ (axit acrylic)
TÇng ph¶n x¹ (nh«m)
Líp polycarbonate (plastic)
§Üa CD-ROM, dung l−îng 682 MB
C¸c tiªu ®iÓm laser trªn c¸c hèc
polycarbonate ë phÝa tr−íc tÇng ph¶n x¹
Axit acrylic b¶o vÖ
Polycarbonate
Hèc
PhÇn
b»ng Nh«m
Göi/nhËn tia laser
Phan Trung Kiên 85
Vận tốc đĩa CD-ROM
Đĩa nhạc có
vận tốc đơn
•
Kiểu đọc: vận tốc tuyến tính không đổi (CLV
-
Constant Linier Velocity)
•
1,2 m/s
•
Rãnh (xoáy ốc) dài khoảng 5,27 km
•
Thời gian đọc cần 4391giây = 73,2 phút
•
Tốc độ đọc cơ sở: 150Kb/s
Các tốc độ
khác là
bội số, ví
dụ: 48x, 52x,
...
Phan Trung Kiên 86
Khuôn dạng CD-ROM
Mode 0: trường dữ
liệu trống
Mode 1: 2048 byte dữ
liệu + sửa lỗi
Mode 2: 2336 byte dữ
liệu
Phan Trung Kiên 87
Các bộ
nhớ
quang khác
CD-R (CD Recordable)
•
WORM
•
Tương thích với ổ đĩa CD-ROM
CD-RW (CD ReWriteable)
•
Có
thể
xóa được
•
Không đắt
•
Hầu hết tương thích với ổ đĩa CD-ROM
•
Thay đổi pha
Dùng vật liệu có
hai hệ
số
phản xạ
khác
nhau thuộc hai pha khác nhau
Phan Trung Kiên 88
Các bộ
nhớ
quang khác
DVD
•
Digital Video Disk: chỉ
dùng trên ổ đĩa xem video
•
Digital Versatile Disk: dùng trên ổ
máy tính
•
Ghi một hoặc hai mặt
•
Nhiều lớp trên một mặt
•
Dung lượng: 4,7 GB trên một lớp
Líp polycarbonate, mÆt 2
Líp polycarbonate, mÆt 1
TÇng b¸n ph¶n x¹, mÆt 2
TÇng b¸n ph¶n x¹, mÆt 1
TÇng polycarbonate, mÆt 2
TÇng polycarbonate, mÆt 1
TÇng ph¶n x¹ hoµn toµn, mÆt 2
TÇng ph¶n x¹ hoµn toµn, mÆt 1
C¸c tiªu ®iÓm trªn c¸c hèc cña
mét tÇng (cña mét mÆt). §Üa
ph¶i ®−îc lËt ®Ó ®äc mÆt kia
§Üa DVD, hai mÆt, hai tÇng, dung l−îng: 17 GB
Phan Trung Kiên 89
Flash disk
Kết nối qua cổng USB
Không phải dạng đĩa
Bộ
nhớ
bán dẫn cực nhanh (flash memory)
Dung lượng tăng nhanh
Thuận tiện
Phan Trung Kiên 90
Băng từ
Băng từ
•
Truy nhập tuần tự
•
Tốc độ
chậm
•
Giá
thành rất rẻ
•
Dùng để lưu trữ
và
backup
Băng audio số
(DAT)
•
Được dùng với đầu từ quay (như đầu từ video)
•
Dung lượng tương đối lớn
4 GB không nén
8 GB nén
•
Dùng để
backup PC, server mạng
Phan Trung Kiên 91
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
•
SIMM –
Single Inline Memory Module
30 chân: 8 đường dữ
liệu
72 chân: 32 đường dữ
liệu
•
DIMM -
Dual Inline Memory Module
168 chân: 64 đường dữ
liệu
•
RIMM –
Rambus DRAM
Phan Trung Kiên 92
Hệ
thống nhớ
trên PC (tiếp)
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:
•
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
Phan Trung Kiên 93
Kiến trúc máy tính
HẾT CHƯƠNG 5
Phan Trung Kiên 94
Câu hỏi
Câu 1: Mô tả
hoạt động của kỹ
thuật
ánh xạ
trực tiếp
Câu 2: Mô tả
hoạt động của kỹ
thuật
ánh xạ
liên kết hoàn toàn
Câu 3: Mô tả
hoạt động của kỹ
thuật
ánh xạ
liên kết tập hợp
Phan Trung Kiên 95
Bài tập
Bài 1: Cho IC nhớ
có dung lượng 8K x 8 bit.
Hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 8K x 32
bit.
Bài 2: Cho IC nhớ
có dung lượng 4K x 16 bit.
Hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 16K x 16
bit.
Bài 3: Cho IC nhớ
có dung lượng 4K x 8 bit.
Hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 32K x 8
bit.
Bài 4: Cho IC nhớ
có dung lượng 8K x 4 bit. Chỉ
dùng Bộ
giải mã 2:4, hãy thiết kế
modul nhớ
có
dung lượng 16K x 4 bit.
Phan Trung Kiên 96
Bài tập
Bài 5: Cho IC nhớ
có dung lượng 4K x 8
bit. Chỉ
dùng Bộ
giải mã 3: 8, hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 8K x 8 bit.
Bài 6: Cho IC nhớ
có dung lượng 2K x 8
bit. Chỉ
dung Bộ
giải mã 3:8, hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 8K x 8 bit.
Bài 7: Cho IC nhớ
có dung lượng 8K x 8
bit. Chỉ
dùng Bộ
giải mã 1:2, hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 32K x 8bit.
Phan Trung Kiên 97
Bài tập
Bài 8: Cho IC nhớ
có dung lượng 8K x 8
bit. Chỉ
dùng Bộ
giải mã 1:2, hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 64K x 32 bit.
Bài 9: Cho IC nhớ
có dung lượng 8K x 4
bit. Chỉ
dùng Bộ
giải mã 2:4, hãy thiết kế
modul nhớ
có dung lượng 64K x 4 bit.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- ktmt_chuong_5_0184.pdf