Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture): Chương 7 - Nguyễn Kim Khánh

NKK-HUST

.c
om

Kiến trúc máy tính

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

Chương 7
BỘ NHỚ MÁY TÍNH

Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

352
/>

NKK-HUST

Nội dung học phần

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

.c
om

Chương 1. Giới thiệu chung
Chương 2. Cơ bản về logic số
Chương 3. Hệ thống máy tính
Chương 4. Số học máy tính
Chương 5. Kiến trúc tập lệnh
Chương 6. Bộ xử lý
Chương 7. Bộ nhớ máy tính
Chương 8. Hệ thống vào-ra
Chương 9. Các kiến trúc song song
2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

353
/>

NKK-HUST

.c
om

Nội dung của chương 7

cu

u

du

o

ng

th

an

co

ng

7.1. Tổng quan hệ thống nhớ
7.2. Bộ nhớ chính
7.3. Bộ nhớ đệm (cache)
7.4. Bộ nhớ ngồi
7.5. Bộ nhớ ảo

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

354
/>

NKK-HUST

7.1. Tổng quan hệ thống nhớ

n

Bộ nhớ ngoài:

du
o

n

các thiết bị lưu trữ

cu

n

n

bộ nhớ chính
bộ nhớ đệm (cache)

th

n

an

Bộ nhớ trong:

ng

n

tập thanh ghi

co

n

ng

Bên trong CPU:

u

n

.c
om

1. Các đặc trưng của bộ nhớ
n Vị trí

Dung lượng
n
n

Độ dài từ nhớ (tính bằng bit)
Số lượng từ nhớ

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

355
/>

NKK-HUST

Các đặc trưng của bộ nhớ (tiếp)

n
n

ng

n

Truy nhập tuần tự (băng từ)
Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa)
Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn)
Truy nhập liên kết (cache)

du
o

n

th

an

Phương pháp truy nhập

u

n

ng

n

Từ nhớ
Khối nhớ

co

n

.c
om

Đơn vị truyền

cu

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

356
/>

NKK-HUST

Các đặc trưng của bộ nhớ (tiếp)

n
n

Bộ nhớ bán dẫn
Bộ nhớ từ
Bộ nhớ quang

du
o

n

ng

co

Kiểu vật lý

u

n

an

n

th

n

Thời gian truy nhập
Chu kỳ nhớ
Tốc độ truyền

ng

n

.c
om

Hiệu năng (performance)

cu

n

2017

Kiến trúc máy tính

CuuDuongThanCong.com

357
/>

NKK-HUST

Các đặc trưng của bộ nhớ (tiếp)
Các đặc tính vật lý

Khả biến / Khơng khả biến
(volatile / nonvolatile)
Xố được / khơng xố được

th

Tổ chức

cu

u

du
o

ng

n

an

n

co

ng

n

.c
om

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

358
/>

NKK-HUST

2. Phân cấp bộ nhớ

ng

Bộ nhớ
chính

(HDD, SSD)

Bộ nhớ
mạng

an

co

Cache

Thiết bị
lưu trữ

du
o

ng

th

Tập
thanh
ghi

.c
om

Bộ vi xử lý

CPU

cu

u

Từ trái sang phải:
n
dung lượng tăng dần
n
tốc độ giảm dần
n
giá thành cùng dung lượng giảm dần

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

359
/>

NKK-HUST

Thời gian
truy nhập

SRAM

0,5 – 2,5 ns

$500 – $1000

DRAM

50 – 70 ns

$10 – $20
$0,75 – $1

ng

co

an

du
o

$0,05 – $0,1

u

5 – 20 ms

Bộ nhớ lý tưởng

cu

n

ng

Flash memory 5.000 – 50.000 ns
HDD

Giá thành/GiB
(2012)

.c
om

Công nghệ
bộ nhớ

th

Công nghệ bộ nhớ

n
n

Thời gian truy nhập như SRAM
Dung lượng và giá thành như ổ đĩa cứng

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

360
/>

NKK-HUST

Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ
Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU
thường chỉ tham chiếu các thơng tin
trong một khối nhớ cục bộ
Ví dụ:

co

ng

.c
om

n

an

n

th

cu

u

n

ng

n

Cấu trúc chương trình tuần tự
Vịng lặp có thân nhỏ
Cấu trúc dữ liệu mảng

du
o

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

361
/>

NKK-HUST

7.2. Bộ nhớ chính
Kiểu bộ nhớ

.c
om

1. Bộ nhớ bán dẫn
Khả năng xố

Read Only Memory
(ROM)

Khơng xố
được

cu

Flash memory

Tính
khả biến

Mặt nạ

th
ng

du
o

Bộ nhớ
hầu như
chỉ đọc

u

Electrically Erasable
PROM (EEPROM)

Cơ chế ghi

an

co

Bộ nhớ
chỉ đọc

Programmable ROM
(PROM)
Erasable PROM
(EPROM)

ng

Tiêu
chuẩn

Random Access
Memory (RAM)
2017

Bộ nhớ
đọc-ghi

bằng tia cực tím,
cả chip
bằng điện,
mức từng byte

Bằng điện

Khơng
khả biến

bằng điện,
từng khối
bằng điện,
mức từng byte

Bằng điện

Khả biến

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

362
/>

NKK-HUST

ROM (Read Only Memory)

.c

om

ng

n

co

cu

u

n

an

n

Thư viện các chương trình con
Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)
Các bảng chức năng
Vi chương trình

th

n

ng

n

Bộ nhớ khơng khả biến
Lưu trữ các thơng tin sau:

du
o

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

363
/>

NKK-HUST

Các kiểu ROM
n

n

co

Cần thiết bị chuyên dụng để ghi
Xóa được bằng tia tử ngoại
Ghi lại được nhiều lần

du
o

n

ng

th

EPROM (Erasable PROM)
n

n

Cần thiết bị chuyên dụng để ghi
Chỉ ghi được một lần

an

n

ng

PROM (Programmable ROM)
n

n

thông tin được ghi khi sản xuất

u

n

.c
om

ROM mặt nạ:

cu

n

EEPROM (Electrically Erasable PROM)
n
n

Có thể ghi theo từng byte
Xóa bằng điện

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

364
/>

NKK-HUST

ng

cu

u

du
o

ng

th

n

co

n

Ghi theo khối
Xóa bằng điện
Dung lượng lớn

an

n

.c
om

Bộ nhớ Flash

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

365
/>

NKK-HUST

RAM (Random Access Memory)

.c
om

ng

cu

u

du
o

ng

n

co

n

an

n

Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)
Khả biến
Lưu trữ thơng tin tạm thời
Có hai loại: SRAM và DRAM
(Static and Dynamic)

th

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

366
/>

NKK-HUST

SRAM (Static) – RAM tĩnh

.c
om

Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop
à thông tin ổn định
n Cấu trúc phức tạp
n Dung lượng chip nhỏ
n Tốc độ nhanh
n Đắt tiền
n Dùng làm bộ nhớ cache

cu

u

du
o

ng

th

an

co

ng

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

367
/>

NKK-HUST

DRAM (Dynamic) – RAM động

.c
om

Các bit được lưu trữ trên tụ điện
à cần phải có mạch làm tươi
Cấu trúc đơn giản
Dung lượng lớn
Tốc độ chậm hơn
Rẻ tiền hơn
Dùng làm bộ nhớ chính

n

n

an

th

cu

u

n

ng

n

du
o

n

co

ng

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

368
/>

NKK-HUST

ng

ng

cu

u

n

du
o

n

th

an

n

Cải tiến để tăng tốc độ
Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc
được đồng bộ bởi xung clock
DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)
DDR3, DDR4

co

n

.c
om

Một số DRAM tiên tiến thơng dụng

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

369
/>

NKK-HUST

Tổ chức của chip nhớ

A0

co

D0

ng

.c
om

§ Sơ đồ cơ bản của chip nhớ

A1

m-bit

Dm-1

cu

u

CS

.
.
.

th

du
o

An-1

ng

Chip nhớ
2n x m bit

an

D1

.
.
.

Hình ảnh module nhớ
WE

OE

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

370
/>

NKK-HUST

Các tín hiệu của chip nhớ

an

n

th

n

co

ng

n

Các đường địa chỉ: An-1 ÷ A0 à có 2n từ nhớ
Các đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0 à độ dài từ
nhớ = m bit
Dung lượng chip nhớ = 2n x m bit
Các đường điều khiển:

.c
om

n

Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select)
n Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable)
n Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable)
(Các tín hiệu điều khiển thường tích cực với mức 0)

cu

u

du
o

ng

n

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

371
/>

NKK-HUST

Dùng n đường địa chỉ dồn kênh à 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

cu

n

u

du
o

n

ng

th

an

n

co

ng

n

.c
om

Tổ chức của DRAM

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

372
/>

NKK-HUST

by logic connected to the higher-order bits of the address bus (i.e., address bits
above A19). The use of this signal is illustrated presently.
• A program voltage (Vpp) that is supplied during programming (write operations).
A typical DRAM pin configuration is shown in Figure 5.4b, for a 16-Mbit chip
Víorganized
dụ
chip
nhớ
as
4M * 4. There
are several differences from a ROM chip. Because

32

Vcc

Vcc

A16

2

31

A18

D0

A15

3

30

A17

D1

A12

4

29

A14

A7

5

28

A13

A6

6

27

A8

A5

7

26

A9

A4

8

25

A11

A3

9 32-Pin Dip 24

Vpp

A2

10

A10

A1

11

A0

12

D0

13

D1

14

D2

15

Vss

22

Vss

2

23

D3

3

22

D2

WE

4

21

CAS

RAS

5

20

OE

NC

6 24-Pin Dip 19

A9

A10

7

18

A8

A0

8

17

A7

A1

9

16

A6

A2

10

15

A5

CE

A3

11

14

A4

D7

Vcc

12 Top View 13

Vss

D6

19

D5

18

D4

16 Top View 17

D3

u

20

cu

an

th

du
o

21

24

ng

23

0.6"

1

ng

1

co

A19

(a) 8-Mbit EPROM

Figure 5.4

.c
om

a RAM can be updated, the data pins are input/output. The write enable (WE)
and output enable (OE) pins indicate whether this is a write or read operation.

0.6"

(b) 16-Mbit DRAM

Typical Memory Package Pins and Signals

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

373
/>

NKK-HUST

cu

u

du
o

n

co

ng

n

Thiết kế tăng độ dài từ nhớ
Thiết kế tăng số lượng từ nhớ
Thiết kế kết hợp

an

n

th

n

Dung lượng chip nhớ 2n x m bit
Cần thiết kế để tăng dung lượng:

ng

n

.c
om

Thiết kế mơ-đun nhớ bán dẫn

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

374
/>

NKK-HUST

Tăng độ dài từ nhớ

ng

th

an

co

ng

.c
om

VD1:
n Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit
n Thiết kế mô-đun nhớ 4K x 8 bit
Giải:
12 x 4 bit
n Dung lượng chip nhớ = 2
n chip nhớ có:

n

du
o

cu

n

12 chân địa chỉ

4 chân dữ liệu

u

n

mơ-đun nhớ cần có:
n
n

12 chân địa chỉ
8 chân dữ liệu

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

375
/>

NKK-HUST

.c
om

Sơ đồ ví dụ tăng độ dài từ nhớ

ng

A11÷A0

ng

D7÷ D4

CS
WE

D3÷ D0

OE

u
cu

CS
WE
OE

OE

D3÷ D0

du
o

WE

th

an

D3÷ D0
CS

A11÷A0

co

A11÷A0

2017

Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com

376
/>