PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP ÁNH xạ TOÀN PHẦN (FULL) GIỮA bộ NHỚ CACHE và bộ NHỚ CHÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: VŨ KHOAN
MÃ SINH VIÊN: 20T1020428

PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG
THEO PHƯƠNG PHÁP ÁNH XẠ TỒN PHẦN (FULL)
GIỮA BỘ NHỚ CACHE VÀ BỘ NHỚ CHÍNH

TÊN HỌC PHẦN: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
MÃ HỌC PHẦN: TIN2013
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐẶNG THANH CHƯƠNG

HUẾ, THÁNG 5 NĂM 2021


Danh sách các từ viết tắt
BNC: Bộ nhớ chính
BXL: Bộ xử lý


Mục lục
PHẦN MỞ ĐẦU……………………………………………………….
1.1.
1.2.

Lý do chọn đề tài nghiên cứu ………………………………………..
Mục tiêu và nội dung đề tài …………………………………………….

1.2.1. Mục tiêu đề tài ………………………………………………………..

1.2.2. Nội dung đề tài ……………………………………………………
PHẦN NỘI DUNG………………………………………………………………
PHẦN KẾT LUẬN/NHẬN XÉT/ĐÁNH GIÁ/KIẾN NGHỊ………………..
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….

5


PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Hiện nay, hầu hết máy tính được xây dựng sử dụng mơ hình Von Neumann, với
trung tâm là bộ nhớ. Chương trình thực thi quá trình được lưu trong bộ nhớ.
Chúng ta đang ở trong kỷ nguyên của ngành Công nghệ thông tin, nó đóng góp rất
nhiều lợi ích trong đời sống sản xuất, khoa học kỹ thuật, kinh tế chính trị cũng như
trong mọi vận động của xã hội dưới mọi quy mơ. Việc nắm bắt thơng tin nhanh chóng,
kịp thời và chính xác ngày càng đóng vai trị cốt yếu trong quản lý và điều hành.
  Chắc hẳn trong chúng ta, vẫn cịn ít người biết một chiếc máy tính hoạt động như
thế nào và tuân theo những quy tắc nào. Các dữ liệu (data) được lưu ở đâu và hoạt
động theo phương pháp nào. Dựa theo các phương pháp đó, chúng ta cùng so sánh
giữa bộ nhớ cache (cache memory) và bộ nhớ chính (main memory. Để phân tích q
trình hoạt động theo phương pháp ánh xạ tồn phần giữa bộ nhớ cache và bộ nhớ
chính, chúng ta cùng tìm hiểu về nội dung đề tài.
1.2. Mục tiêu và nội dung đề tài
1.2.1. Mục tiêu đề tài
Đề tài sẽ nghiên cứu các vấn đề liên quan tới phương pháp ánh xạ toàn phần. Đặc
biệt là áp dụng phương pháp đó để so sánh giữa bộ nhớ cache và bộ nhớ chính. Cung
cấp những kiến thức sâu hơn về bộ nhớ nhanh, và các phương pháp ánh xạ bộ nhớ.
1.2.2. Nội dung đề tài
- Tìm hiểu hơn về khái niệm, tính ứng dụng của các kiểu bộ nhớ.
- Tìm hiểu sâu hơn về các phương pháp ánh xạ bộ nhớ (ánh xạ trực tiếp, ánh xạ liên

kết toàn phần, ánh xạ liên kết tập hợp).
- Phân tích q trình hoạt động của phương pháp ánh xạ toàn phần lên bộ nhớ cache
và bộ nhớ chính.


PHẦN NỘI DUNG
2.1. Phương pháp ánh xạ toàn phần
2.1.1. Các dạng địa chỉ do Bộ xử lý phát ra


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
2.1.2. Sơ đồ thực hiện [1]

2.1.3. Một số ví dụ [1]
 Input:

 Kích thước Bộ nhớ chính: 4GB
 Kích thước Cache: 1MB
 Kích thước Line = 32 byte
5


 Output:
 Kích thước Bộ nhớ chính: 4GB = 232 byte => N = 32 bit
 Kích thước Line = 32 byte = 25 byte => Word = 5 bit
 => Số bit của trường Tag: T = 32 - 5 = 27 bit
Tag
27 bit

Word
5 bit

2.2. Bộ nhớ cache
2.2.1. Khái niệm
 Cache là bộ nhớ đệm chứa dữ liệu, các dữ liệu được nằm chờ yêu cầu từ ứng
dụng hoặc phần cứng.
 Dữ liệu được chứa trong cache có thể là các thuật toán đã được thực hiện khi
được yêu cầu hoặc các dữ liệu trùng được lưu trữ ở một nơi khác.
 Thường có kích thước nhỏ: 256KB, 512KB, 1MB, 2MB, …

Hình 2.2.1. Mơ hình hoạt động của bộ nhớ cache trong máy tính
2.2.2. Vai trị
 Nâng cao hiệu năng hệ thống:
 Cân bằng giữa tốc độ nhanh của CPU và tốc độ chậm của bộ nhớ chính.
 Thời gian truy cập trung bình của hệ thống nhớ gần bằng thời gian truy cập bộ
nhớ cache.

 Giảm chi phí sản xuất:
 Nếu 2 hệ thống có cùng hiệu năng thì hệ thống có cache sẽ rẻ hơn.


 Nếu 2 hệ thống có cùng chi phí, hệ thống có cache sẽ nhanh hơn.
2.2.3. Các nguyên lý cơ bản của bộ nhớ cache [2]
 Cục bộ về không gian:
 Nếu một vị trí bộ nhớ được truy cập, thì khả năng các vị trí gần đó được truy
cập trong thời gian gần tới là cao.
 Áp dụng với các mục dữ liệu và các lệnh có thứ tự tuần tự theo chương trình.
 Hầu hết các lệnh trong chương trình có thứ tự tuần tự, do đó cache đọc một
khối dữ liệu trông bộ nhớ, mà bao gồm cả các phần tử xung quanh vị trí phần
tử hiện tại được truy cập.

Neighbour cell
Current cell
Neighbour cell
Hình 2.2.3.a Cục bộ về không gian của bộ nhớ cache
 Cục bộ về thời gian:
 Nếu một vị trí bộ nhớ được truy cập, thì khả năng nó sẽ được truy cập trong
thời gian gần tới là khá cao.
 Áp dụng với các mục dữ liệu và các lệnh trong vòng lặp.
 Cache đọc khối dữ liệu trong bộ nhớ bao gồm tất cả các thành phần trong bộ
lặp.

Hình 2.2.3.b Cục bộ về thời gian của bộ nhớ cache
2.2.4. Trao đổi dữ liệu của bộ nhớ cache[2]
 CPU đọc/ghi từng mục dữ liệu riêng biệt từ/vào bộ nhớ cache.
 Cache đọc/ghi khối dữ liệu từ/vào bộ nhớ.

5


Hình 2.2.4. Sơ đồ trao đổi dữ liệu của bộ nhớ cache
2.2.5. Tỉ lệ Hit và Miss của bộ nhớ cache [2]






Hit là sự kiện CPU truy cập tới mục dữ liệu mà tìm được trong cache.
Khả năng có thể xảy ra Hit được gọi là tỷ lệ Hit (H).
0 <= H <= 1
H càng cao thì cache càng tốt.
Miss là sự kiện CPU truy cập tới mục dữ liệu mà khơng tìm thấy nó trong
cache.
 Khả năng có thể xảy ra Miss được gọi là tỷ lệ Miss hay (1-H).
 0 <= (1-H) <= 1
 Mong muốn tỉ lệ này thấp.
2.2.6. Kiến trúc bộ nhớ cache
 Nhìn từ ngồi
 Cache và bộ nhớ được kết nối tới bus hệ thống.
 Cache và bộ nhớ thấy chu kỳ bus CPU cùng một lúc.

Hình 2.2.6.a Sơ đồ kiến trúc bộ nhớ cache nhìn từ ngồi[2]
 Nhìn vào trong
 Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ.
 Cache thấy chu kỳ bus CPU trước, sau đó mới chuyển tới bộ nhớ.

Hình 2.2.6.b Sơ đồ kiến trúc bộ nhớ cache nhìn vào trong[2]
2.2.7. Tổ chức bộ nhớ cache
 Tổ chức bộ nhớ cache là làm sao để cache và bộ nhớ cùng làm việc với nhau.

Hình 2.2.7. Sơ đồ tổ chức bộ nhớ cache
2.2.8. Các kỹ thuật tổ chức bộ nhớ cache
 Ánh xạ trực tiếp.
 Ánh xạ liên kết toàn phần.
 Ánh xạ liên kết tập hợp.
2.3. Bộ nhớ chính
2.3.1.

5


PHẦN KẾT LUẬN/NHẬN XÉT/ĐÁNH GIÁ/KIẾN NGHỊ
3.2. PHẦN NHẬN XÉT
3.2.1. Ưu/nhược điểm của phương pháp ánh xạ toàn phần


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.

3.2.2. Ưu/nhược điểm của Bộ nhớ cache


Ưu điểm:




Tốc độ của bộ nhớ cache nhanh hơn so với tốc độ của bộ nhớ chính.

Nhược điểm:


Chi phí tính trên bit của bộ nhớ cache đắt hơn so với bộ nhớ chính.

3.2.3. Ưu/nhược điểm của kiến trúc cache (nhìn vào trong)


Ưu điểm:




Hit nhanh.

Nhược điểm:



Thiết kế phức tạp.



Chi phí đắt.



Miss chậm.

3.2.4. Ưu/nhược điểm của kiến trúc cache (nhìn từ ngồi)




Ưu điểm:


Thiết kế đơn giản.



Miss nhanh.

Nhược điểm:




Thiết kế phức tạp.



Hiss chậm.

3.2.5. Ưu/nhược điểm của các kỹ thuật tổ chức bộ nhớ cache
Ánh xạ trực tiếp




Ưu điểm:


Thiết kế đơn giản.



Nhanh (ánh xạ cố định).

Nhược điểm:


Do ánh sáng cố định nên khả năng xảy ra xung đột cao.



Tỷ lệ hit thấp.

Ánh xạ liên kết tồn phần




Ưu điểm:


Ít xung đột vì ánh sáng linh hoạt.



Tỷ lệ hit cao hơn.

Nhược điểm:


Chậm vì phải tìm kiếm địa chỉ bộ nhớ trong cache.



Phức tạp vì có them n bộ so sánh địa chỉ trong cache.

Ánh xạ liên kết tập hợp




Ưu điểm:



Nhanh vì ánh xạ trực tiếp được sử dụng cho ánh xạ line.



Ít xung đột vì ánh xạ từ trang nhớ tới way của cache là linh hoạt.



Tỷ lệ tìm thấy (hit) cao.

Nhược điểm:


Thiết kế và điều khiển phức tạp vì cache được chia thành các way.

5



Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt:
[1] TS. Phạm Công Thắng (2011). Khoa Công Nghệ Thông Tin, trường Đại học Bách
Khoa, Đại học Đà Nẵng. Bài giảng Kiến trúc máy tính, chương 10, tr. 14-18.
[2] fr.scribd.com/presentation/31792125 (2014). Bài giảng Kiến trúc máy tính,
chương 4, tr. 12-20.
[3] Tăng Cẩm Nhung (2011). Khoa Điện Tử, trường Đại học Kỹ thuật Thái Nguyên.
Bài giảng học phần Kiến trúc máy tính,
Tiếng Anh:

5