Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 5: Hệ thống nhớ

Chương 5
HỆ THỐNG NHỚ

1


Nội dung





Tổng quan về hệ thống nhớ
Bộ nhớ chính
Bộ nhớ đệm
Bộ nhớ ngoài

2


5.1 Tổng quan về hệ thống nhớ
1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ
2. Phân cấp hệ thống nhớ

3


5.1 Tổng quan về hệ thống nhớ
1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ

4

1. Các đặc trưng của hệ thống
nhớ


Dung lượng (Capacity)



Số lượng từ nhớ (Number of words)
Số byte nhớ (Number of bytes)

0
1
2

Dung lượng = 2n. W0 (bytes)
Số lượng từ nhớ

Độ dài của một từ nhớ
(1, 2 hoặc 3 bytes)

2n - 1
5


1. Các đặc trưng của hệ thống
nhớ


Dung lượng (Capacity)
1
1
1
1
1

byte = 8 bits
kilobyte (KB) = 210 Bytes
megabyte (MB) = 210 KB
gigabyte (GB) = 210 MB
terabyte (TB) = 210 GB

6


1. Các đặc trưng của hệ thống
nhớ


Hiệu năng (Performance)


Thời gian truy nhập (Access time):








Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (random-access memory): Access time
là thời gian từ khi phát ra địa chỉ ô nhớ cho tới khi dữ liệu được
ghi/đọc vào/từ ô nhớ đó
Bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên (non-random-access memory):
Access time là khoảng thời gian cần thiết để định vị đầu đọc/ghi ở vị
trí mong muốn

Chu kỳ nhớ (Cycle time): Là khoảng thời gian ngắn nhất
giữa 2 lần truy nhập kế tiếp
Tốc độ truyền (Transfer rate): là tỉ lệ dữ liệu được ghi/đọc
7
vào/từ bộ nhớ trong một chu kỳ xung nhịp


1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ


Đơn vị truyền (Unit of Transfer):



Từ nhớ (Word)
Khối nhớ (Block)

8

1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)


Phương pháp truy nhập (Access Method):





Tuần tự (Sequential)
Trực tiếp (Direct)
Ngẫu nhiên (Random)
Kết hợp (Associative)

9


1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)


Các đặc tính vật lý (Physical Characteristics)



Khả biến/khơng khả biến (Volatile/nonvolatile)
Xóa được/khơng xóa được (Erasable/nonerasable)

10

1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ
(tiếp)


Tổ chức (Organization)


Đơn vị nhớ cơ bản của bộ nhớ bán dẫn là phần tử nhớ:
Điều khiển
ghi
Chọn



Din

Chọn

Phần tử
nhớ

Thông thường bộ nhớ được tổ chức thành module với dung
lượng xác định




Phần tử
nhớ

Điều khiển
đọc
Dout

Ví dụ: 256 KB  218 từ nhớ 1 Byte

1 MB
 220 từ nhớ 1 Byte
Có thể kết hợp nhiều modules nhớ để tăng dung lượng
11


2. Phân cấp hệ thống nhớ
CPU

Tập
thanh
ghi

Nhanh hơn
Dung lượng

nhỏ

Bộ
nhớ

Cache

Bộ

nhớ
chính

Bộ
nhớ
ngồi

Chậm
Dung lượng

lớn
12


5.2 Bộ nhớ chính
1. Phân loại

13


ROM (Read Only Memory)





Bộ nhớ chỉ đọc
Bộ nhớ không khả biến (nonvolatile)
Lưu trữ các thông tin sau:





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

14


ROM mặt nạ



Thông tin được ghi khi sản xuất
Rất đắt
+E

Ma trận nhớ

Phần tử nhớ

A1

W0

A0
Dây từ
Dây bit

W1
W2
W3

A1

A0

D3

D2

D1

D0

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

1

1

0

Mạch đầu ra
Mạch giải mã

D3

D2

D1

D0

15


PROM (Programmable ROM)


PROM (Programmable ROM)




Tại những nơi giao nhau giữa dây từ và dây bit đều có
các Tranzistor nối với các cầu trì (cầu trì được nối bit
nhớ có giá trị 1, cầu chì ngắt bit nhớ có giá trị 0)
Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình 

chỉ ghi được một lần
+E

16


EPROM (Erasable PROM)




Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình
Ghi được nhiều lần
Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím

S

G

N

Floating Gate

D

N
P
17

EEPROM (Electrically Erasable PROM)



Cửa nổi có thêm một kênh thốt
Xóa bằng điện
S

G

N

Floating Gate

D

N
Kênh thoát

P

18


RAM (Random Access Memory)






Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)
Khả biến (volatile): Mất điện mất dữ liệu
Lưu trữ thơng tin tạm thời
Có hai loại:



SRAM (Static RAM)
DRAM(Dynamic RAM)

19


SRAM








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

6 Tranzistor trong một
phần tử nhớ
20


DRAM








Các bit được lưu trữ trên tụ điện
 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

Một tranzistor và một tụ
điện trong một phần tử nhớ

21


2. Tổ chức của chip nhớ




RAM được tổ chức thành các chip nhớ
Chip nhớ gồm:








Mạch giải mã địa chỉ
Ma trận nhớ
Mạch điều khiển ghi
Mạch điều khiển đọc
Mạch đầu ra

Sơ đồ khối cơ bản của chip nhớ:
CS: Chip Select

WE: Write Enable
OE: Output Enable
Ai (i =0 ÷ n-1): Các đường địa chỉ
Dj (j =0 ÷ m-1): Các đường dữ liệu

22


2. Tổ chức của chip nhớ (tiếp)



Có 2 phương pháp tổ chức
 Tổ chức bộ nhớ một chiều
 Tổ chức bộ nhớ hai chiều

23


Tổ chức bộ nhớ một chiều

24


Ví dụ


Tổ chức bộ nhớ có dung lượng 256K x 8 bằng các
phương pháp tổ chức bộ nhớ một chiều.

25