Bài giảng Kiến trúc máy tính và hệ điều hành: Bài 7 - Nguyễn Hồng Sơn

ng

.c
om

BÀI 7

Nguyễn Hồng Sơn
Khoa CNTT, PTITHCM

cu

u

du
o

ng

th

an

co

BỘ NHỚ TRONG

1/44

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Tổng quan hệ thống bộ nhớ máy tính
Đặc trưng của hệ thống bộ nhớ

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Vị trí: trong hay ngoài, trong CPU
Dung lượng: kích thước từ nhớ, số lượng từ nhớ
Đơn vị truyền tải: từ hay khối
Phương pháp truy xuất: truy xuất tuần tự, truy xuất
trực tiếp, truy xuất ngẫu nhiên, truy xuất liên kết

(cache)
Hiệu suất: thời gian truy xuất, tốc độ truyền, chu kỳ
Dạng vật lý: bán dẫn hay băng từ
Đặc tính vật lý: thay đổi/không thay đổi, xóa
được/không thể xóa
Tổ chức bộ nhớ: sắp xếp vật lý các bit để hình thành
2
một từ
CuuDuongThanCong.com

/>

th

an

co

Thanh
ghi

cache

du
o

ng

Main memory

u

Disk cache

cu

.c
om

ng

Phân cấp bộ nhớ

-Giảm giá thành
-Dung lượng tăng
-Thời gian truy
xuất tăng
-Tần suất truy
xuất của CPU
giảm

Đóa từ

Băng từ

Đóa quang
3

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ chính_các loại bộ nhớ
bán dẫn
ng

RAM (Random Access Memory)

an

co

RAM động: làm từ tụ điện, cần làm tươi, mật độ cao
RAM tónh: làm bằng các flip-flop, nhanh

ng

th

ROM (Read Only Memory)

cu

u

du
o

PROM (Programmable ROM)
EPROM(Erasable PROM)
EEPROM (Electrically EPROM)
Flash Memory: lập trình lại rất nhanh, mật độ cao,
xóa bằng điện và chỉ cần vài giaây.
4

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ chính_tổ chức bộ nhớ
co

ng

Cell nhớ là phần tử cơ bản có các thuộc
tính:

cu

u

du
o

ng

th

an

Hai trạng thái: 1 và 0
Có thể cài đặt trạng thái, hoạt động ghi
Có thể đọc trạng thái, hoạt động đọc

5

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Điều
khiển

Data vào

du
o
u

Ghi

ng

Cell

cu

Chọn

th

an

co

ng

Điều
khiển

Chọn

Cell

Data ra

Đọc

6

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ chính_chip logic

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Mỗi chip gồm một dãy các cell nhớ
Dãy được tổ chức thành W từ B bit (vd:
16_Mbit chip được tổ chức từ 1M từ 16
bit)
1bit chip: data được đọc ghi mỗi lần một

bit

7

CuuDuongThanCong.com

/>

RAS CAS

WE

OE

ng

.c
om

Định thời và điều khiển

du
o
cu

A1

Đệm
địa
chỉ

hàng

A10

4

Dãy bộ nhớ
2048x2048

u

A0

Giải
mã
hàng

ng

MUX

th

an

co

Bộ đếm
làm tươi

Đệm
địa
chỉ
cột

Bộ khuếch đại
và cổng I/O

Đệm nhập

D1
D2
D3

Đệm xuất

D4

Giải mã cột
8

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om
ng
co
an

th
ng
du
o
u
cu

9

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ chính_chip logic

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

RAS (row address select), CAS (column
address select)
Hàng kết nối đến ngõ Chọn (select) của
cell
Cột kết nối đến ngõ vào/ra data
Số đường địa chỉ cần = log2W

10

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ chính_tổ chức module

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Nếu chip 1 bit thì cần số chip ít nhất bằng
số bit/từ của RAM
Tổ chức một RAM căn cứ vào dung lượng
yêu cầu và loại chip

11

CuuDuongThanCong.com

/>

Decode 1/512

1
2

an

co

ng

9

Bit #1

.c
om

Decode 1/512

256K 1bit

du
o

th

ng

256K 1bit
Decode 1/512

Bit #7

MBR

u
Decode 1/512

cu

MAR

Decode 1/512

9

7
8

Boä nhớ 256
Kbyte

256K 1bit
Decode 1/512

Bit #8
12

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om
ng
co
an
th

ng
du
o
u
cu

13

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bài tập

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Thiết kế bộ nhớ DRAM dung lượng 1Mbyte với các chip
1bit (dung lượng một chip là tùy chọn)? Từ nhớ 1 byte.
Thiết kế DRAM 1Mbyte với các chip 1 bit co dung lượng
256Kbit? Từ nhớ 1 byte.
Hãy vẽ sơ đồ thiết kế DRAM 256Mbyte với các chip 2
bit có dung lượng 128Mbit? Từ nhớ 1 byte.
Thiết kế DRAM 1Mbyte với 16 chip 1 bit co dung lượng
256Kbit va cac chip 4 bit co dung luong 1Mbit? Từ nhớ 1
byte.
Thieát kế bộ nhớ DRAM dung lượng 4Mbyte với các chip
2bit (dung lượng một chip là tùy chọn)
14

CuuDuongThanCong.com

/>

Decode
1/1024

1M 1bit

1
2

an

co

ng

10

Bit #1

.c
om

Decode 1/1024

du
o

ng

1M 1bit

Decode 1/1024

Bit #7

MBR

u
Decode
1/1024

cu

MAR

th

Decode 11024

10

7
8

Bộ nhớ
1Mbyte

1M 1bit
Decode 1/1024

Bit #8
15

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Bộ nhớ cache

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Nguyên lý:
Bộ nhớ cache là một giải pháp tăng tốc truy xuất bộ
nhớ chính. Cache chứa một phần bộ nhớ chính. Vì vậy
khi muốn truy xuất một từ nhớ, CPU sẽ tìm trong
cache, nếu có sẽ lấy từ nhớ rất nhanh, nếu không
thấy sẽ lấy từ bộ nhớ chính và nạp ngun khối nhớ
chứa từ đó vào cache. Lý do nạp cả khối nhớ vào
cache: trên cơ sở dự đoán các truy xuất tiếp theo sẽ
tham chiếu đến các từ nhớ lân cận từ nhớ vừa truy
xuất và như vậy truy xuất kế tiếp sẽ nhanh.
16

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

CPU

co

ng

Truyền vào từng từ
(word)

Truyền vào từng khối
(block)

cu

u

du
o

ng

th

an

Cache

Bộ nhớ chính

17

CuuDuongThanCong.com

/>

Chỉ số line

Nội dung

Block

0

0

1

1

2

Block

(K từ)

2

.c
om

Địa chỉ

Tag

an

co

ng

C-1

Cache

cu

u

du
o

ng

th

Block
(K từ)

K từ

Block
(K từ)

2n-1
Chiều dài một từ

Bộ Nhớ Chính
CuuDuongThanCong.com

18

/>

Bắt đầu

Hoạt động đọc cache

ng

Có block chứa
địa chỉ
này không?

.c
om

Nhận địa chỉ từ CPU

Truy xuất bộ nhớ chính

an

co

không

Cấp line cho khối
bộ nhớ chứa địa chỉ này

Chuyển nội dung
cho CPU

cu

u

Lấy nội dung
chuyển cho CPU

du
o

ng

th

có

Kết thúc

Nạp khối nhớ
vào cache
19

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Kích thước của cache

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Bộ nhớ có kích thước 2n, chia làm M khối, mỗi
khối có K từ => M=2n/K
Cache có C line, mỗi line chứa một tag và một
khối K từ
M>>C
Cache đủ nhỏ để chi phí ~ main memory và
không trở nên chậm
Cache đủ lớn để truy xuất nhanh
Phẩm chất cache∈công nghệ vi mạch
Hệ số tìm thấy (hit ratio): khả năng lấy được số
20
liệu cần thiết từ cache.
CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Ánh xạ bộ nhớ chính vào cache

th

an

co

ng

Tổ chức cache phụ thuộc vào phương
pháp ánh xạ được dùng
Có ba phương pháp ánh xạ chủ yếu

cu

u

du
o

ng

Trực tiếp
Liên kết tồn bộ
Liên kết nhóm

21

CuuDuongThanCong.com

/>

i= j modulo c

.c
om

Ánh xạ trực tiếp

an

co

ng

i : chỉ số line
j : chỉ số khối bộ nhớ chính
c : số lượng line của cache

du
o

ng

th

Hàm ánh xạ dễ dàng thực hiện bằng địa chỉ. Để
phục vụ cho việc truy xuất, mỗi địa chỉ bộ nhớ chính
có thể được chia thành ba phần:

cu

u

w bit thấp nhất định danh cho 1 từ hay một byte trong
một khối
s bit còn lại chỉ ra một trong 2s khối bộ nhớ chính
Trong đó s-r bit cao nhất là danh định của tag
r bit còn lại là danh định của cache line.

CuuDuongThanCong.com

/>
22


Ánh xạ trực tiếp….

Bộ nhớ chính

s+w

W0
W1
W2
W3

Line Tag

s-r

ng
co

an

w

S

th

r

từ
1

du
o

So sánh

w
Ki

W4j

W(4j+1)
W(4j+2)
W(4j+3)

Bj

u

w

B0

K0

ng

s-r

line

Nội dung

0

Địa chỉ bộ nhớ

tag

.c
om

Cache

cu

Có trong cache

C-1

Kc-1
Không có trong cache
23

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Ánh xạ trực tiếp…..

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Cache line Các khối bộ nhớ được gaùn
0
0,c,…,2s-c
1
1,c+1,…,2s-c+1

c-1

c-1,2c-1,….,2s-1
24

CuuDuongThanCong.com

/>

.c
om

Ánh xạ trực tiếp…

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Đơn giản, chi phí thực hiện thấp
Một khối bộ nhớ cho trước chỉ được gán
một vị trí cache cố định => hệ số tìm thấy
sẽ thấp trong một số trường hợp, không
tận dụng tối đa hiệu suất cache

25

CuuDuongThanCong.com

/>