Kiến trúc máy tính chương 5 Hệ thống bộ nhớ phân cấp

CHƯƠNG 5 :

HỆ THỐNG BỘ NHỚ PHÂN CẤP

GV.Ths : Nguyễn Thanh Đăng


5.1 Giới Thiệu :


5.2 Bộ

nhớ Phân Cấp Và Các Khái Niệm :
- Khả năng hiệu suất của bộ nhớ hiện đại là bộ nhớ phân cấp.
Không phải tất cả các bộ nhớ đều được tạo ra ngang nhau,
một số kém hiệu quả hơn.
- Để giải quyết sự chênh lệch này, ngày nay kết hợp các kiểu
bộ nhớ để cung cấp hiệu suất cao nhất với giá thành ít nhất.
Cách tiếp cận này được gọi là bộ nhớ phân cấp. Bộ nhớ càng
nhanh thì giá thành càng cao.
- Việc sử dụng bộ nhớ chia sẻ, với mỗi tốc độ truy cập và
dung lượng khác nhau, 1 hệ thống máy tính có thể nâng cao
hiệu suất trên cả khả năng có thể của chúng khi không kết
hợp các loại khác nhau lại.


Hệ thống bộ nhớ phân cấp bao gồm:

- Các thanh ghi.
- Cache.
- Bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ.

1.DRAM :
• DRAM được cấu tạo từ các tụ điện nhỏ , đòi hỏi cung cấp điện năng
liên tục mỗi vài mili giây để duy trì dữ liệu .
• Các loại DRAM:
Multibank DRAM (MDRAM) :

Fast-Page Mode (FPM) DRAM :


Extended Data Out (EDO) DRAM

Synchronous Dynamic Random
Access Memory (SDRAM)

Burst EDO DRAM (BEDO DRAM)

Synchronous-Link (SL) DRAM


Double Data Rate (DDR) SDRAM

Direct Rambus (DR) DRAM


2.SRAM :
• SRAM bao gồm các mạch tương tự nhanh hơn và đắt hơn DRAM và
duy trì nội dung cho tới khi chừng nào vẫn còn có điện .
• Các loại SRAM:

SRAM đồng bộ
SRAM không đồng bộ
pipeline burst SRAM


• Tuy nhiên người thiết kế sử dụng DRAM bởi vì nó có thể lưu trữ
nhiều bit trên 1 chip, tiêu tốn ít điện năng, và tỏa nhiệt ít hơn SRAM.

• Vì những lý do đó, cả hai công nghệ này được kết hợp sử dụng:
DRAM cho bộ nhớ chính và SRAM cho bộ nhớ cache.
• Hoạt động cơ bản của tất cả bộ nhớ DRAM đều tương tự nhau, nhưng
vẫn có nhiều đặc thù.


3.Flash :
• Về mặt kỹ thuật thì bộ nhớ flash có thể được dùng như một loại
EEPROM mà ở đó nó có thể được đọc/ghi bằng điện và không mất dữ
liệu khi ngừng cung cấp điện. Có 2 kiểu bộ nhớ flash chính đã được
tạo ra là NAND và NOR được cấu thành từ các cổng logic. Bộ nhớ
flash được cấu thành từ các phần tử (cell) nhớ riêng rẽ với các đặc
tính bên trong giống như những cổng logic tương ứng đã tạo ra nó;
do đó, ta có thể thực hiện thao tác đọc/ ghi, lưu trữ dữ liệu theo từng
phần tử (cell) nhớ một.
• Khác với các bộ nhớ EPROMs phải được xóa trước khi được ghi lại, thì
bộ nhớ flash kiểu cổng NAND có thể được ghi và đọc theo từng khối
(block) hoặc trang (page) nhớ, còn bộ nhớ flash kiểu cổng NOR thì có
thể được đọc hoặc ghi một cách độc lập theo từng từ (word) hoặc
byte nhớ của máy.[2]

• Các chip nhớ flash nhỏ được sử dụng trong bộ nhớ dữ liệu cấu hình
tĩnh của máy tính, trong máy dân dụng như tivi, quạt,... Các chip lớn
thì dùng trong máy nghe nhạc kĩ thuật số, máy ảnh kĩ thuật số, điện
thoại di động. Nó cũng được sử dụng trên các máy trò chơi, thay thế
cho EEPROM, hoặc cho RAM tĩnh nuôi bằng pin để lưu dữ liệu của trò
chơi.


4.Đĩa Từ :
• Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề
mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Tuỳ theo
hãng sản xuất mà các đĩa này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên
và dưới. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng
và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau.
• Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ,
chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt
động.
• Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết
tắt: HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa
hình tròn phủ vật liệu từ tính.


• Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là
chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho
chúng.
• Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng
chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người
sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ
thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị
mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy

lại được



5.4 Bộ nhớ đệm và các cách tổ
chức bộ nhớ đệm
5.4.1. Bộ nhớ đệm( Cache)
 Bộ nhớ đệm là thuật ngữ tổng quát dùng để miêu tả một nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời
để tận dụng ưu thế của 2 nguyên tắc cục bộ về mặt thời gian và không gian
 Đây là bộ nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh và chúng được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ
chính nhằm tăng tốc độ truy xuất của CPU tới bộ nhớ chính
 Dung lượng nhỏ hơn rất nhiều bộ nhớ chính
 Tốc độ nhanh hơn rất nhiều


 Vai trò của bộ nhớ đệm:
• Nâng cao hiệu năng hệ thống:
• Dung hòa giữa CPU có tốc độ cao và bộ nhớ chính tốc độ thấp (giảm số lượng
truy cập trực tiếp của CPU vào bộ nhớ chính)
• Thời gian trung bình CPU truy cập hệ thống bộ nhớ gần bằng thời gian truy cập
cache


 Các nguyên lý hoạt động của bộ nhớ đệm:
Cache được coi là bộ nhớ thông minh:
• Cache có khả năng đoán trước yêu cầu về lệnh và dữ liệu của CPU
• Dữ liệu và lệnh cần thiết được chuyển trước từ bộ nhớ chính về cache -> CPU chỉ truy
nhập cache -> giảm thời gian truy nhập bộ nhớ

Cache hoạt động dựa trên 2 nguyên lý cơ bản:

• Nguyên lý cục bộ/ lân cận về không gian (spatial locality)
• Nguyên lý cục bộ/ lân cận về thời gian (temporal locality)


• Giả sử bộ nhớ đệm đang chứa nội dung các khối từ X1 cho đến Xn-1. Có thể thấy các khối
từ X1 đến Xn-1 không theo một trật tự nào cả . Giả sử bộ nhớ cần truy xuất nội dung của
khối dịa chỉ Xn trong bộ nhớ chính, theo như nguyên tắc truy xuất bộ xử lý sẽ tìm kiếm bộ
nhớ đệm đầu tiên và trong trường hợp này sẽ có một lần trật ở bộ nhớ đệm xảy ra. Do đó nội
dung của khối Xn sẽ được chép từ bộ nhớ chính vào một khối còn trống trong bộ nhớ đệm .

Nội dung (X1)

Nội dung (X1)

Nội dung (X2)

Nội dung (X3)
Nội dung

(Xn)

Nội dung (X2)

Nội dung (X2)

Nội dung (Xn-1)

Nội dung (Xn-1)

• Tổng số bit nhớ cần thiết để thực hiện một khối trong bộ nhớ đệm được
tính theo công thức:
Số bit/khối=1+t+d
Trong đó, chỉ có d bit dùng để chứa dữ liệu và t+1 bit dùng để quản lí dữ
liệu. Nếu một bộ nhớ đệm có n khối thì tổng số bit nhớ cần thiết sẽ được
tính theo công thức
Tổng số bit= số bit/khối x n

v

Nhãn

Dữ liệu

v

Nhãn

Dữ liệu

v

Nhãn

Dữ liệu


5.4.2. Bộ nhớ đệ tổ chức theo phương pháp ánh xạ trực tiếp
• Ý tưởng phương pháp ánh xạ trực tiếp
• Trong phương pháp này, mỗi khối trong bộ nhớ đệm sẽ có 1 địa chỉ xác định.

Tuy nhiên, để dễ phân biệt với địa chỉ của bộ nhớ chính thì địa chỉ trong bộ nhớ
đệm thường được gọi là ‘chỉ số’. Khi 1 khối trong bộ nhớ chính được truy xuất,
nếu nó chưa tồn tại trong bộ nhớ đệm thì nó sẽ luôn được sao chép vào khối có
chỉ số được xác định băng công thức:
chỉ số khối=( địa chỉ khối)modulo(số lượng khối của bộ nhớ đệm)


Hiện thực phương pháp ánh xạ trực tiếp
• Trong thực tế, số lượng khối trong bộ nhớ chính và bộ nhớ đệm sẽ nhiều hơn
thay vì 32 và 8. Ngoài ra 1 khối sẽ là sự kết hợp của nhiều từ nhớ.
• Địa chỉ của từ nhớ sẽ là địa chỉ của byte có địa chỉ thấp nhất trong số 4 byte liên
tục tạo thành từ nhớ.Tuy nhiên không phải từ nhớ liên tục nào cũng tạo thành từ
một khối, nguyên tắc tạo khối từ các từ nhớ cũng giống nguyên tắc tạo khối từ
các byte tức là khối sẽ được tạo thành từ 4x n byte.VD: nếu 1 khối có kích thước
4 từ nhớ(16byte) thì địa chỉ khối phải là 0,16,32,....
• Khi cần truy xuất dữ liệu là 1 từ nhớ hay một byte thì việc đầu tiên bộ xử lý cần
làm là phân chia các bit địa chỉ thành vùng nhãn,chỉ số, độ dời byte.


Ảnh hưởng của kích thước khối đến tỉ lệ trúng
• Khi tăng kích thước khối thì có thể tận dụng thuộc tính cục bộ vè mặt không gian
khi truy xuất bộ nhớ để giảm tỉ lệ trật. Tuy nhiên, khi kích thước vùng dữ liệu của
bộ nhớ đệm cố định, tăng kích thước khối sẽ làm giảm số khối có trong bộ nhớ
đệm đó, qua đó tăng tính cạnh tranh vị trí giữa các khối được chép lên bộ nhớ
chính.
• Kết quả là các khối có thể bị đẩy ra khỏi bộ nhớ đệm dù các từ nhớ hoặc byte nhớ
chưa được tham khảo hết.
• Có thể thấy rằng khi tăng kích thước khối tù 16byte trên 1 khối thành 32 và 64
byte trên 1 khối thì tỉ lệ trật giảm trên tất cả các bộ nhớ đệm. Tuy nhiên khi tiếp
tục tăng thì độ giảm này không còn mà thậm chí còn tăng đối với các bộ đệm có

kích thước vùng dữ liệu nhỏ như 4KB hoặc 16KB.


Ví dụ bộ nhớ đệm trong bộ xử lý Intrinsity FastMATH
• Intrinsity FastMATH là 1 hệ thống nhúng sử dụng kiến trúc MIPS và 1 hệ
thống bộ đệm hiện thực theo phương pháp ánh xạ trực tiếp.
• Bộ xử lý có thể truy xuất dữ liệu và lệnh đồng thời ở mỗi chu kỳ do đó có
2 bộ đệm lệnh và bộ đệm dữ liệu được sử dụng đồng thời.
• Bởi vì tồn tại 2 bộ nhớ đệm độc lập nên các tín hiệu đọc ghi các bộ này là
độc lập nhau. Khi cần truy xuất lệnh hay dữ liệu thì địa chỉ chuyển xuống
bộ nhớ lệnh tương ứng.


Bộ nhớ đệm tổ chức theo phương pháp toàn phần
• Bộ nhớ đệm được tổ chức theo phương pháp ánh xạ trực tiếp.
• Ưu điểm : tìm kiếm nhanh
• Nhược điểm: phương pháp này một khối trong bộ nhớ chính sẽ
được đặt duy nhất tại một vị trí trong bộ nhớ đệm mà vị trí này sẽ
chứa rất nhiều các dữ liệu khác.


VD:5.2
• Khi truy xuất ở địa chỉ khối số 18 mặc dù còn nhiều khối
trống chưa chứa dữ liệu ( bit hơp lệ là 0) nhưng khối có địa
chỉ 22 vẵn phải thay thế để nhường chỗ cho khối có địa chỉ số
18 vì 2 khối này cùng được ánh xạ vào khối có chỉ số 2. điều
này sẽ làm giảm đi khả năng tận dụng thuộc tính cục bộ về
mặt thời gian