chương 3 hệ thống nhớ máy tính

1
KiÕn tróc m¸y tÝnh
Ch¬ng 3-
Hệ thống nhớ máy tính

2
Néi dung về hệ thống nhớ
 Tæng quan vÒ hÖ thèng nhí
 Bé nhí b¸n dÉn
 Bé nhí chÝnh
 Bé nhí cache
 Bé nhí ngoµi.
3
1. Tổng quan về hệ thống nhớ
Bộ nhớ (memmory) là không gian làm việc
của bộ vi xử lý. Đó là nơi cất giữ tạm thời các
chương trình và dữ liệu đang được thao tác với
bộ vi xử lý. Việc lưu trữ bộ nhớ được xem tạm
thời vì dữ liệu chỉ tồn tại trong thời gian máy
đang hoạt động và không bị khởi động lại.
Trước khi khởi động lại hay tắt máy, dữ liệu đã
thay đổi cần được ghi vào các thiết bị lưu trữ
lâu dài – storage – (thường là ổ đĩa cứng) để
sau này có thể nạp lại vào bộ nhớ.
4
Tổng quan về hệ thống nhớ
Một điểm quan trọng mà chúng ta cần ghi
nhớ đó là: một file khi được nạp vào trong bộ
nhớ, nó chỉ là bản sao của file đó, còn thực chất
file đó vẫn tồn tại trong ổ đĩa. Vì tính chất tạm
thời của bộ nhớ cho nên file đã bị thay đổi cần

được ghi lại vào đĩa cứng trước khi tắt máy, vì
khi tắt máy dữ liệu trong bộ nhớ sẽ bị xoá.

5
Tổng quan về hệ thống nhớ
Bộ nhớ lưu trữ các chương trình đang chạy
và dữ liệu của chúng sử dụng. Các chip nhớ có
lúc được gọi là “lưu trữ không ổn định” (volatile
storage) bởi vì khi tắt máy hoặc có sự cố về
nguồn điện, lưu trữ trong RAM sẽ bị mất. Vì bản
chất bất ổn định như vậy cho nên nhiều người
dùng có thói quen ghi lại thường xuyên (một số
chương trình ứng dụng có thể ghi một cách tự
động theo thời gian đã định).
6
2. Các đặc trng của hệ thống nhớ
Vị trí (location)
Bên trong Bộ xử lý: Tập các thanh ghi, cache
Bộ nhớ trong: Bộ nhớ chính
Bộ nhớ cache
Bộ nhớ ngoài: Các thiết bị nhớ, Đĩa từ, băng từ
Đĩa quang
Dung lợng (capacity)
Độ dài từ nhớ (đơn vị là bit)- Kích thớc trên 1 đơn vị lu
trữ.
Số lợng từ nhớ- Dung lợng bộ nhớ
7
Các đặc trng của hệ thống nhớ
Đơn vị truyền (unit of transfer)
Truyền theo từ nhớ- Truyền tuần tự từng Word

Truyền theo khối nhớ- Truyền 1 khối gồm n Word
Hiệu năng
Thời gian truy cập.
Chu kỳ truy xuất bộ nhớ.
Tốc độ truyền.

8
Các đặc trng của hệ thống nhớ
Phơng pháp truy nhập (access method)
Truy nhập tuần tự (băng từ)- Để đến đợc điểm n đầu từ
phải duyệt qua n-1 vị trí trớc.
Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang)- Đầu từ di chuyển
trực tiếp đến vị trí cần đọc.
Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ trong)- ô nhớ cần đọc sẽ
đợc giải mã để lấy thông tin ngay lập tức.
Truy nhập liên kết (bộ nhớ cache)- Truy cập thông qua
bản sao của ô nhớ cần đọc.

9
Các đặc trng của hệ thống nhớ
Kiểu vật lý của bộ nhớ (physical type)
Bộ nhớ bán dẫn- Lu trữ bằng điện
Bộ nhớ từ- Lu trữ dùng từ tính.
Bộ nhớ quang: Lu trữ sử dụng công nghệ Laze
Các đặc trng vật lý (physical characteristics)
Bộ nhớ khả biến / không khả biến
Bộ nhớ xóa đợc / không xóa đợc
10
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Việc trao đổi dữ liệu giữa BVXL và BNC là

một thao tác quan trọng, chiếm đa số trong các
lệnh xử lý dữ liệu nên nó quyết định hiệu suất
của hệ thống VXL nói chung và máy tính nói
riêng. Bộ nhớ chính và bộ nhớ ngoài thường có
tốc độ trao đổi dữ liệu chậm (chênh lệch) hơn so
với tốc độ làm việc của CPU (kể cả việc vận
chuyển dữ liệu trong BVXL). Để nâng cao tốc độ
xử lý dữ liệu chung của toàn hệ thống, người ta
tìm cách nâng cao tốc độ trao đổi dữ liệu (kể cả
lệnh) giữa BVXL và bộ nhớ. Dựa trên nguyên lý
cục bộ về không gian và thời gian mà người ta
xây dựng hệ thống nhớ 5 cấp như sau:
11
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
CPU Registers
100s Bytes
1s ns
Cache
K Bytes
4 ns
1-0.1 cents/bit
Main Memory
M Bytes
100ns- 300ns
$.0001 00001 cents /bit
Disk
G Bytes, 10 ms
(10,000,000 ns)
10 - 10 cents/bit
Capacity

Access Time
Cost
Tape
infinite
sec-min
10
-8
Upper Level
-5
-6
Registers
Cache
Memory
Disk
Tape
Instr. Operands
Blocks
Pages
Files
Staging
Xfer Unit
prog./compiler
1-8 bytes
cache cntl
8-128 bytes
OS
512-4K bytes
user/operator
Mbytes
Lower Level

faster
Larger
12
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Cấp 0: Tập các thanh ghi nằm trong bộ
vi xử lý. Thanh ghi là bộ nhớ kiểu SRAM
nên tác động nhanh và thông tin ổn định.
Đây là thành phần nhớ có tốc độ trao đổi
dữ liệu nhanh nhất trong hệ thống vì nó
gần ALU và CU. Tuy nhiên nó có dung
lượng nhỏ.
13
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Cấp 1: Primary cache (cache sơ cấp): Là
bộ nhớ có tốc độ trao đổi dữ liệu rất nhanh
(nhỏ hơn thanh ghi), có dung lượng nhỏ và
được đặt trong bộ vi xử lý, nhưng cũng có
thể nằm ngoài bộ vi xử lý. Trong các bộ vi
xử lý tiên tiến, bộ nhớ cache thường được
tách (chia) làm 2 với mục đích tránh xung
đột trong xử lý song song (đại diện là
pipeline) là Icache: dành cho lệnh và
Dcache: dành cho dữ liệu.
14
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Cấp 2: Secondary cache (cache thứ
cấp): Cũng giống như Primary cache,
nhưng loại này nằm ngoài bộ vi xử lý. Nó
chỉ có khi có Primary cache (ngược lại, nó
chính là Primary cache). Dung lượng của

Secondary cache thường lớn hơn Primary
cache và nhỏ hơn bộ nhớ.
15
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Cấp 3: Main Memory (Bộ nhớ chính):
Chứa chương trình và dữ liệu đang hoạt
động. BN này được BVXL đánh địa chỉ trực
tiếp và quản lý thông qua địa chỉ đó. Một
phần của chương trình đang được thi hành
có thể nằm trong cache (lệnh và dữ liệu)
nhằm tăng tốc độ hoạt động của hệ thống.
Dung lượng của BN chính thường lớn hơn
rất nhiều lần dung lượng BN cache. Như
đã biết, trong các hệ thống máy tính hiện
đại ngày nay thì BNC thường là DRAM.
16
3. M« h×nh ph©n cÊp hÖ thèng nhí
Cấp 4: Secondary memory (Bộ nhớ thứ
cấp – bộ nhớ ngoài): Bộ nhớ này có dung
lượng rất lớn nhưng tốc độ trao đổi dữ liệu
chậm. Bộ nhớ này để lưu trữ chương trình
và dữ liệu một cách lâu dài, cho nhiều
người sử dụng (ghi/đọc, mất nguồn điện
vẫn còn thông tin). Đại diện cho các bộ
nhớ loại này đó chính là các ổ đĩa cứng,
mềm CD ROM, CD – WOM, CD WR, băng
từ, …
17
3. Mô hình phân cấp hệ thống nhớ
Từ trái sang phải:

Dung lợng 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
18
4. Bé nhí b¸n dÉn
 Ph©n lo¹i
 Tæ chøc chip nhí b¸n dÉn
 ThiÕt kÕ c¸c modul nhí b¸n dÉn
 Bµi tËp
19
Bộ nhớ bán dẫn
Kiểu bộ nhớ Tiêu chuẩn Khả năng xóa Cơ chế ghi
Tính
thay đổi

Read Only Memory
(ROM)

Bộ nhớ
chỉ đọc

Không
xóa đợc

Mặt nạ





Không
khả biến
Programmable ROM
(PROM)






Bằng điện
Erasable PROM
(EPROM)

Bộ nhớ

hầu nh
chỉ đọc
Bằng tia cực tím,
cả chip
Electrically Erasable PROM
(EEPROM)
Bằng điện,
mức từng byte
Flash memory

Bộ nhớ
đọc - ghi
Bằng điện,
từng khối
Random Access Memory
(RAM)
Bằng điện,
từng byte
Khả biến
20
ROM (Read Only Memory)
Là loại bộ nhớ không khả biến
Lu trữ các thông tin:
Th viện các chơng trình con
Các chơng trình hệ thống (BIOS)
Các bảng chức năng
Vi chơng trình
21
Các kiểu ROM
ROM mặt nạ (ROM cố định):

Thông tin đợc ghi ngay khi sản xuất
Rất đắt
PROM (Programmble ROM):
Khi sản xuất cha ghi dữ liệu
Cần thiết bị chuyên dùng để ghi bằng chơng trình, chỉ
ghi đợc một lần
EPROM (Erasable PROM):
Khi sản xuất cha ghi dữ liệu
Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chơng trình, ghi đ-
ợc nhiều lần
Trớc khi ghi lại, phải xóa bằng tia cực tím
22
C¸c kiÓu ROM
 EEPROM (Electrically Erasable PROM):
„ Cã thÓ ghi theo tõng byte
„ Xãa b»ng ®iÖn
„ Ghi l©u h¬n ®äc
 Flash memory (bé nhí cùc nhanh)
„ Ghi theo khèi
„ Xãa b»ng ®iÖn
23
RAM (Random Access Memory)
 Bé nhí ®äc / ghi
 Kh¶ biÕn
 Lu tr÷ th«ng tin t¹m thêi
 Cã hai lo¹i RAM:
„ SRAM (Static RAM)
„ DRAM (Dynamic RAM)

24

Các kiểu RAM
DRAM
Các bit đợc lu trữ trên tụ điện cần phải có
mạch làm tơi
Cấu trúc đơn giản
Dung lợng lớn
Tốc độ chậm hơn SRAM
Rẻ hơn SRAM
Dùng làm bộ nhớ chính

25
Các kiểu RAM
SRAM
Các bit đợc lu trữ bằng các Flip-Flop
Không cần mạch làm tơi
Cấu trúc phức tạp hơn DRAM
Dung lợng nhỏ
Tốc độ nhanh hơn DRAM
Đắt hơn DRAM
Dùng làm bộ nhớ cache