Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 6: Bộ nhớ máy tính

Chương 6: Bộ nhớ máy tính 
Bài giảng: kiến trúc máy tính và hợp ngữ 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
2 
3.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
Lê Văn Hiệp 
1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ 
2. Phân cấp hệ thống nhớ của máy tính 
3 
1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ 
Lê Văn Hiệp 
Vị trí: 
Bên trong CPU: tập thanh ghi 
Bộ nhớ trong: bộ nhớ chính và cache 
Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ 
Dung lượng: 
Độ dài từ nhớ (tính bằng bit) 
Số lượng từ nhớ 
Đơn vị truyền: 
Theo từng từ nhớ 
Theo từng khối (block) nhớ 
Phương pháp truy cập: 
Truy cập tuần tự (băng từ) 
Truy cập trực tiếp (các loại đĩa) 
Truy cập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) 
Truy cập liên kết (cache) 
4 
Các đặc trưng của hệ thống nhớ 
Lê Văn Hiệp 
Hiệu năng: 
Thời gian truy cập 
Chu kỳ nhớ 
Tốc độ truyền 
Kiểu vật lý: 
Bộ nhớ bán dẫn 
Bộ nhớ từ 
Bộ nhớ quang 
Các đặc tính vật lý: 
Khả biến (mất điện thì mất thông tin) / Không khả biến 
Xóa được / Không xóa được 
Tổ chức 
5 
2. Phân cấp hệ thống nhớ của MT 
Lê Văn Hiệp 
6 
Hệ thống nhớ của máy tính (tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
Tập thanh ghi (Registers): 
Là thành phần nhớ nằm trong CPU, được coi là mức nhớ đầu tiên 
Chứa các thông tin phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU 
Bộ nhớ đệm nhanh (Cache): 
Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU. 
Thường được chia thành một vài mức (L1, L2) 
Bộ nhớ chính (Main Memory): 
Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng. 
Bộ nhớ ngoài (External Memory): 
Chứa các tài nguyên phần mềm của máy tính. 
7 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
8 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
Lê Văn Hiệp 
1. Phân loại 
2. Mô hình cơ bản của chip nhớ 
9 
1. Phân loại 
Lê Văn Hiệp 
Gồm 2 loại chính: ROM và RAM 
ROM (Read Only Memory): bộ nhớ chỉ đọc 
Đặc điểm: 
Bộ nhớ chủ yếu dùng để đọc thông tin 
Bộ nhớ không khả biến 
Chứa các chương trình và dữ liệu cố định với hệ thống 
10 
ROM (tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
Các loại bộ nhớ ROM: 
Maskable ROM (ROM mặt nạ): thông tin được ghi khi chế tạo 
PROM (Programmable ROM): 
Khi chế tạo chưa có thông tin 
Cho phép ghi thông tin được 1 lần bằng thiết bị chuyên dụng 
EPROM (Erasable PROM): 
Cho phép xóa bằng tia cực tím 
Ghi lại bằng thiết bị nạp EPROM 
EEPROM (Electrically Erasable PROM): 
Có thể xóa bằng tín hiệu điện và ghi lại thông tin ngay trong mạch làm việc (không cần thiết bị ghi riêng) 
Có thể xóa và ghi lại ở mức từng Byte 
Dung lượng nhỏ 
Flash Memory: giống EEPROM nhưng: 
Đọc/ghi theo từng block 
Tốc độ rất nhanh 
Dung lượng lớn 
11 
EPROM 
Lê Văn Hiệp 
12 
EPROM 
Lê Văn Hiệp 
13 
PROM 
Lê Văn Hiệp 
14 
EEPROM 
Lê Văn Hiệp 
15 
Bo mạch của PROM 
Lê Văn Hiệp 
16 
RAM (Random Access Memory) 
Lê Văn Hiệp 
RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên 
Đặc điểm: 
Là bộ nhớ đọc/ghi (Read/Write Memory – RWM) 
Bộ nhớ khả biến 
Chứa các thông tin tạm thời 
17 
RAM (tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
Các loại bộ nhớ RAM: 
SRAM (Static): RAM tĩnh 
Mỗi phần tử nhớ là một mạch lật 2 trạng thái ổn định → thông tin trên SRAM ổn định 
Tốc độ nhanh 
Dung lượng chip nhớ nhỏ 
Giá thành đắt 
Thường dùng làm bộ nhớ Cache 
DRAM (Dynamic): RAM động 
Mỗi phần tử nhớ là một tụ điện rất nhỏ → cứ sau một khoảng thời gian thì điện tích trên tụ điện sẽ bị mất, cho nên thông tin trên DRAM không ổn định → khắc phục bằng mạch làm tươi (refresh) DRAM 
Tốc độ chậm (do mất thời gian làm tươi DRAM) 
Dung lượng chip nhớ lớn 
Giá thành rẻ 
Thường dùng làm bộ nhớ chính 
18 
2. Mô hình cơ bản của chip nhớ 
Lê Văn Hiệp 
19 
Mô hình cơ bản khác của chip nhớ 
Lê Văn Hiệp 
20 
Mô hình cơ bản của chip nhớ (tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
Có n chân địa chỉ (A n-1 ÷ A 0 ) : vận chuyển vào chip nhớ được n bit địa chỉ đồng thời → trong chip nhớ có 2 n từ nhớ. 
Có m chân dữ liệu: (D m-1 ÷ D 0 ) : cho phép vận chuyển đồng thời được m bit dữ liệu → độ dài từ nhớ là m bit. → Dung lượng của chip nhớ là: 2 n x m bit 
Các chân tín hiệu điều khiển: 
CS (Chip Select): tín hiệu điều khiển chọn chip nhớ làm việc 
OE (Output Enable): tín hiệu điều khiển đọc dữ liệu của 1 từ nhớ đã được xác định. 
WE (Write Enable): tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu vào 1 từ nhớ đã được xác định. 
21 
Hoạt động của chip nhớ 
Lê Văn Hiệp 
Hoạt động đọc: 
Các bit địa chỉ được đưa đến các chân địa chỉ. 
Tín hiệu điều khiển chọn chip nhớ làm việc được đưa đến CS 
Tín hiệu điều khiển đọc đưa đến OE 
Dữ liệu từ ngăn nhớ tương ứng với địa chỉ đã có sẽ được đưa ra các chân dữ liệu. 
22 
Hoạt động của chip nhớ (tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
Hoạt động ghi: 
Các bit địa chỉ được đưa đến các chân địa chỉ 
Dữ liệu cần ghi được đưa đến các chân dữ liệu 
Tín hiệu điều khiển chọn chip được đưa đến CS 
Tín hiệu điều khiển ghi được đưa đến WE 
Dữ liệu từ các chân dữ liệu sẽ được ghi vào ngăn nhớ tương ứng. 
23 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
24 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
Lê Văn Hiệp 
1. Các đặc trưng của bộ nhớ chính 
2. Tổ chức bộ nhớ đan xen 
25 
1. Các đặc trưng của bộ nhớ chính 
Lê Văn Hiệp 
Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ thống máy tính 
Chứa các chương trình đang được thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng 
Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU 
Dung lượng vật lý của bộ nhớ chính ≤ không gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý 
Việc quản lý logic bộ nhớ chính tùy thuộc vào hệ điều hành 
26 
2. Tổ chức bộ nhớ đan xen 
Lê Văn Hiệp 
Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ chính M = 8, 16, 32, 64, 128  bit 
Các ngăn nhớ được tổ chức theo từng Byte nhớ 
 → Tổ chức bộ nhớ chính khác nhau 
27 
M = 8 bit 
Lê Văn Hiệp 
VD: Intel 8088 
BN chính là 1 băng (bank) nhớ tuyến tính 
28 
M = 16 bit 
Lê Văn Hiệp 
VD: Intel 8086 ÷ 80286 
Bộ nhớ chính gồm 2 băng (bank) nhớ đan xen 
29 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
30 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
Lê Văn Hiệp 
1. Nguyên tắc chung của cache 
2. Các phương pháp ánh xạ 
3. Thuật giải thay thế 
4. Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit 
5. Cache trên các bộ xử lý Intel 
31 
1. Nguyên tắc chung của cache 
Lê Văn Hiệp 
Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ: Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU thường chỉ tham chiếu các thông tin trong một khối nhớ cục bộ 
Ví dụ: 
Cấu trúc chương trình tuần tự 
Vòng lặp có thân nhỏ 
Cấu trúc dữ liệu mảng 
Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính 
Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU 
Cache có thể được đặt trên chip CPU 
32 
Hình minh họa tổ chức cache 
Lê Văn Hiệp 
33 
Tuyến theo word 
Tuyến theo block 
Cấu trúc chung của cache / Bộ nhớ chính 
Lê Văn Hiệp 
34 
B 0 
B 1 
B p-1 
L 1 
L 0 
L m-1 
Cấu trúc chung của cache / Bộ nhớ chính 
Lê Văn Hiệp 
Bộ nhớ chính có 2 N byte nhớ 
Bộ nhớ chính và cache được chia thành các khối có kích thước bằng nhau 
Bộ nhớ chính: B 0 , B 1 , B 2 , ... , B p-1 (p Blocks) 
Bộ nhớ cache: L 0 , L 1 , L 2 , ... , L m- 1 (m Lines) 
Kích thước của Block = 8,16,32,64,128 byte 
35 
Cấu trúc chung của cache / Bộ nhớ chính 
Lê Văn Hiệp 
Một số Block của bộ nhớ chính được nạp vào các Line của cache. 
Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block nào của bộ nhớ chính hiện đang được chứa ở Line đó. 
Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ, có hai khả năng xảy ra: 
Từ nhớ đó có trong cache (cache hit) 
Từ nhớ đó không có trong cache (cache miss). 
36 
Minh họa cache hit và cache miss 
Lê Văn Hiệp 
37 
2. Các phương pháp ánh xạ 
Lê Văn Hiệp 
Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping) 
Ánh xạ liên kết toàn phần (Fully associative mapping) 
Ánh xạ liên kết tập hợp (Set associative mapping) 
38 
Ánh xạ trực tiếp 
Lê Văn Hiệp 
39 
Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp vào một Line của cache: 
B0 L0 
B1 L1 
.... 
Bm-1 Lm-1 
Bm L0 
Bm+1 L1 
.... 
Tổng quát 
Bj chỉ có thể nạp vào L j mod m 
 với m là số Line của cache. 
Minh họa ánh xạ trực tiếp 
Lê Văn Hiệp 
40 
Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp 
Lê Văn Hiệp 
41 
Mỗi một địa chỉ N bit của bộ nhớ chính gồm ba trường: 
Trường Word gồm W bit xác định một từ nhớ trong Block hay Line: 
 2 W = kích thước của Block hay Line 
Trường Line gồm L bit xác định một trong số các Line trong cache: 
 2 L = số Line trong cache = m 
Trường Tag gồm T bit: 
	 T = N - (W+L) 
 Bộ so sánh đơn giản 
 Xác suất cache hit thấp 
Ánh xạ liên kết toàn phần 
Lê Văn Hiệp 
42 
Mỗi Block có thể nạp vào bất kỳ Line nào của cache. 
Địa chỉ của bộ nhớ chính bao gồm hai trường: 
Trường Word giống như trường hợp ở trên. 
Trường Tag dùng để xác định Block của bộ nhớ chính. 
Tag xác định Block đang nằm ở Line đó 
Minh họa ánh xạ liên kết toàn phần 
Lê Văn Hiệp 
43 
Đặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phần 
Lê Văn Hiệp 
44 
So sánh đồng thời với tất cả các Tag mất nhiều thời gian 
Xác suất cache hit cao. 
Bộ so sánh phức tạp. 
Ánh xạ liên kết tập hợp 
Lê Văn Hiệp 
45 
Cache đươc chia thành các Tập (Set) 
Mỗi một Set chứa một số Line 
Ví dụ: 
 4 Line/Set 􀂄 4- way associative mapping 
Ánh xạ theo nguyên tắc sau: 
B0 S0 
B1 S1 
B2 S2 
...... 
Minh họa ánh xạ liên kết tập hợp 
Lê Văn Hiệp 
46 
Đặc điểm của ánh xạ liên kết tập hợp 
Lê Văn Hiệp 
47 
Kích thước Block = 2 W Word 
Trường Set có S bit dùng để xác định một trong số V = 2 S Set 
Trường Tag có T bit: T = N - (W+S) 
Tổng quát cho cả hai phương pháp trên 
Thông thường 2,4,8,16Lines/Set 
Thuật giải thay thế (Ánh xạ trực tiếp) 
Lê Văn Hiệp 
48 
Không phải lựa chọn 
Mỗi Block chỉ ánh xạ vào một Line xác định 
Thay thế Block ở Line đó 
Được thực hiện bằng phần cứng (nhanh) 
Random: Thay thế ngẫu nhiên 
FIFO (First In First Out): Thay thế Block nào nằm lâu nhất ở trong Set đó 
LFU (Least Frequently Used): Thay thế Block nào trong Set có số lần truy nhập ít nhất trong cùng một khoảng thời gian 
LRU (Least Recently Used): Thay thế Block ở trong Set tương ứng có thời gian lâu nhất không được tham chiếu tới. 
Tối ưu nhất: LRU 
Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit 
Lê Văn Hiệp 
49 
Ghi xuyên qua (Write-through): 
ghi cả cache và cả bộ nhớ chính 
tốc độ chậm 
Ghi trả sau (Write-back): 
chỉ ghi ra cache 
tốc độ nhanh 
khi Block trong cache bị thay thế cần phải ghi trả cả Block về bộ nhớ chính 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
50 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài  
Lê Văn Hiệp 
51 
1. Đĩa từ 
2. Đĩa quang 
3. Flash disk 
4. Các chuẩn nối ghép ổ đĩa 
5. RAID 
Tham khảo chương 4 
Lê Văn Hiệp 
52 
1. Đĩa từ 
2. Đĩa quang 
3. Flash disk 
4. Các chuẩn nối ghép ổ đĩa 
5. RAID 
Lê Văn Hiệp 
53 
Redundant Array of Independent Disks 
Là tập hợp các ổ đĩa cứng vật lý mà hệ điều hành coi như là một ổ đĩa logic duy nhất 
Khi ghi lên hệ thống RAID, các tệp dữ liệu được phân mảnh và lưu trữ phân tán trên các ổ cứng vật lý 
Có khả năng tạo ra và lưu trữ thông tin dư thừa để đảm bảo khôi phục lại thông tin trong trường hợp ổ đĩa bị hỏng 
Có 7 loại phổ biến: RAID 0 6 
RAID 3, 4 
Lê Văn Hiệp 
54 
RAID 0, 1, 2 
Lê Văn Hiệp 
55 
RAID 5, 6 
Lê Văn Hiệp 
56 
Ánh xạ dữ liệu của RAID 0 
Lê Văn Hiệp 
57 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
58 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
Lê Văn Hiệp 
59 
Khái niệm bộ nhớ ảo: là bộ nhớ bao gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ ngoài mà được CPU coi như là một bộ nhớ duy nhất. 
Các kỹ thuật thực hiện bộ nhớ ảo: 
Kỹ thuật phân trang: Chia không gian địa chỉ bộ nhớ thành các trang nhớ có kích thước bằng nhau và nằm liền kề nhau 
 	 Thông dụng: kích thước trang = 4KBytes 
Kỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn nhớ có thể gối lên nhau. 
Bộ nhớ máy tính 
Lê Văn Hiệp 
6.3.1. Tổng quan hệ thống nhớ 
6.3.2. Bộ nhớ bán dẫn 
6.3.3. Bộ nhớ chính 
6.3.4. Bộ nhớ cache 
6.3.5. Bộ nhớ ngoài 
6.3.6. Bộ nhớ ảo 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân 
60 
6.3.7. Bộ nhớ trên máy tính cá nhân P.379 
Lê Văn Hiệp 
61 
1. Bộ nhớ Cache 
2. RAM 
3. ROM BIOS 
4. CMOS RAM 
5. Video RAM 
6. Các loại bộ nhớ ngoài