HC VIN NG N HNG KHOA H THNG

HỌC VIỆN NG N HÀNG KHOA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH CHƯƠNG 10: HỆ THỐNG NHỚ MÁY TÍNH Hà Nội – 2016

Bộ nhớ chính v Các đặc trưng cơ bản § Chứa các chương trình đang thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng § Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính § Được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU: có nhiều ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ được gán một địa chỉ xác định § Việc quản lý lôgic BNC tùy thuộc vào từng HĐH § Về nguyên tắc, người lập trình có thể can thiệp trực tiếp vào toàn bộ BNC của máy tính

Bộ nhớ chính v Tổ chức bộ nhớ đan xen v Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ: m = 8, 16, 32, 64, . . . bit v Các ngăn nhớ tổ chức theo byte

Ví dụ: m = 8 bit

Ví dụ: m = 16 bit

Ví dụ: m = 32 bit

Bộ nhớ cache v Nguyên tắc chung v Các kỹ thuật ánh xạ địa chỉ v Các thuật toán thay thế v Hoạt động của cache v Bài tập

Nguyên tắc chung v Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính v Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy nhập bộ nhớ của CPU v Cache có thể được đặt trên chip CPU

v Cache hit, cache miss: § Cache hit (trúng cache): khi CPU truy nhập một từ nhớ mà từ nhớ đó đang có trong cache. § Cache miss (trượt cache): khi CPU truy nhập một từ nhớ mà từ nhớ đó không có trong cache. v Nguyên lý định vị tham số bộ nhớ: § Định vị về thời gian: Một mục thông tin vừa được truy nhập thì có xác suất lớn là ngay sau đó nó được truy nhập lại. § Định vị về không gian: Một mục thông tin vừa được truy nhập thì có xác suất lớn là ngay sau đó các mục lân cận sẽ được truy nhập.

v Trao đổi thông tin giữa cache và BNC: § BNC được chia thành các Block nhớ § Cache được chia thành các Line nhớ § Kích thước Line bằng kích thước Block Số lượng Line << Số lượng Block v Mỗi Line trong cache được gắn thêm một Tag để xác định Block nào (của BNC) đang ở trong Line

Minh họa

Các kỹ thuật ánh xạ địa chỉ v Ánh xạ trực tiếp (direct mapping) v Ánh xạ liên kết hoàn toàn (fully associative mapping) v Ánh xạ liên kết tập hợp (set associative mapping)

Ánh xạ trực tiếp v Mỗi Block của BNC chỉ được ánh xạ vào một Line duy nhất: i = j mod m § i: số hiệu Line trong cache § j: số hiệu Block trong BNC v m: số lượng Line trong cache v Cụ thể: B 0 L 0 Bm L 0. . . B 1 L 1 Bm+1 L 1. . Bm-1 Lm-1 B 2 m-1 Lm-1. . .

Ánh xạ trực tiếp v Như vậy: L 0 : B 0, L 1 : B 1, Bm, B 2 m, . . . , Bnm Bm+1, B 2 m+1, . . . , Bnm+1. . . . Lm-1: Bm-1, B 2 m-1, B 3 m-1, . . . , B(n+1)m-1

Ánh xạ trực tiếp v Khi đó, địa chỉ do CPU phát ra gồm 3 trường: Ta g s-r Lin er bit Wor dw bit định số hiệu ngăn nhớ trong Block v Word: xác Block (Line) có 2 w ngăn nhớ v Line: xác định số hiệu Line trong cache Cache có 2 r Line, cache chứa 2 r + w ngăn nhớ v Tag: xác định Block nào đang ở trong Line BNC chứa 2(s - r) + r + w = 2 s + w ngăn nhớ

Ví dụ v Cho máy tính có dung lượng: § BNC = 128 MB, cache = 256 KB, line = 32 byte, § Độ dài ngăn nhớ = 1 byte. Tìm dạng địa chỉ do BXL phát ra? § § § Giải: Ta có: BNC = 128 MB = 27 * 220 byte = 227 byte Cache = 256 KB = 28 * 210 byte = 218 byte Line = 32 byte = 25 byte w = 5 Số lượng Line trong cache: 218/25 = 213 r = 13 Số bit của phần Tag: 27 - 13 - 5 = 9, s - r = 9 9 13 5

Nhận xét v Ưu điểm: § Dễ thực hiện, vì một Block được ánh xạ cố định vào một Line không cần thuật toán chọn Line. § Thiết kế mạch đơn giản. v Nhược điểm: § Tỉ lệ cache hit thấp.

Ánh xạ liên kết hoàn toàn v Mỗi Block trong BNC được ánh xạ vào một Line bất kỳ trong Cache v Khi đó, địa chỉ do BXL phát ra có dạng: Ta g s bit § Word: xác định ngăn nhớ trong Block có 2 w ngăn nhớ § Tag: xác định Block đang ở trong Line Số lượng Block: 2 s Dung lượng BNC: 2 s + w ngăn nhớ Wor dw bit

Nhận xét v Ưu điểm: § Tỉ lệ cache hit cao hơn ánh xạ trực tiếp vì một Block được phép vào một Line bất kỳ. v Nhược điểm: § Thiết kế mạch tương đối phức tạp, thể hiện ở mạch so sánh.

Ánh xạ liên kết tập hợp v Cache được chia thành nhiều Set, mỗi Set gồm nhiều Line liên tiếp v Một Block của BNC chỉ được ánh xạ vào một Set duy nhất trong cache, nhưng được ánh xạ vào Line bất kỳ trong set đó: i = j mod v § i: số hiệu Set trong cache § j: số hiệu Block trong BNC § v: số lượng Set trong cache

Ánh xạ liên kết tập hợp v Khi đó, địa chỉ do BXL phát ra gồm: Ta g s-d Set d bit Wor dw bit § Word: xác định số hiệu ngăn nhớ trong Block (Line) có 2 w ngăn nhớ § Set: xác định số hiệu Set trong cache Cache có 2 d Set § Tag: xác định Block nào đang ở trong Line BNC chứa 2(s - d) + d + w = 2 s + w ngăn nhớ

Ví dụ v Cho máy tính có dung lượng: § BNC = 512 MB, cache = 128 KB, line = 32 byte, § Set = 8 Line, độ dài ngăn nhớ = 1 byte. Tìm dạng địa chỉ do BXL phát ra? v Giải: Ta có: § BNC = 512 MB = 229 byte; Cache = 128 KB = 217 byte § Line = 25 byte w = 5 § Dung lượng Set: 23 * 25 = 28 byte số lượng Set trong Cache: 217/28 = 29 d = 9 § Số bit của phần Tag: 29 - 5 = 15, s - d = 15 15 9 5

Nhận xét v Ưu điểm: § Tỉ lệ cache hit cao vì một Block được phép vào một Line bất kỳ trong Set, và dễ so sánh. § Đây là kỹ thuật ánh xạ tốt nhất trong 3 kỹ thuật. v Nhược điểm: § Thiết kế mạch phức tạp.

Các thuật toán thay thế v Kỹ thuật ánh xạ trực tiếp: Không thay được v Hai kỹ thuật ánh xạ liên kết: có 4 thuật toán § Random: thay ngẫu nhiên một Block cũ nào đó Dễ thực hiện, nhanh nhất, tỉ lệ cache hit thấp. § FIFO (First In - First Out): thay Block ở đầu tiên trong số các Block đang có trong cache tỉ lệ cache hit không cao § LFU (Least Frequently Used): thay Block được dùng với tần suất ít nhất tỉ lệ cache hit tương đối cao § LRU (Least Recently Used): thay Block được dùng gần đây ít nhất tỉ lệ cache hit cao

Hoạt động của cache v Đọc: § Nếu cache hit: đọc ngăn nhớ từ cache § Nếu cache miss: thay Block cache hit v Ghi: § Nếu cache hit: có 2 phương pháp: • Write through: ghi dữ liệu vào cả cache và cả BNC không cần thiết, tốc độ chậm, mạch đơn giản. • Write back: chỉ ghi vào cache, khi nào Block (trong cache) được ghi bị thay đi ghi vào BNC tốc độ nhanh, mạch phức tạp. § Nếu cache miss: thay Block cache hit

Ho¹t ®éng cña cache BXL Cache BNC a) Write Through BXL Cache BNC b) Write Back 29

Bộ nhớ ngoài v Đĩa từ v RAID v Đĩa quang v Flash disk v Băng từ

Các đặc tính của đĩa từ v Đầu từ cố định hay chuyển động v Đĩa cố định hay thay đổi v Một mặt hay hai mặt v Một hay nhiều đĩa v Cơ chế đầu từ § Tiếp xúc (đĩa mềm) § Không tiếp xúc: + Khe cố định § + Khe thay đổi

RAID v Redundant Array of Independent Disks v Có 7 loại RAID (RAID 0 RAID 6) v Không phân cấp RAID v Tập hợp nhiều đĩa vật lý được HĐH coi như một đĩa (logic) duy nhất

Đĩa quang CD-ROM v Dung lượng thông dụng: 650 MB 700 MB v Chất dẻo được phủ một lớp polycarbonate, bên dưới tráng lớp có khả năng phản xạ cao, thường là nhôm v Dữ liệu được lưu trữ nhờ các hốc (pit) và phần bằng (land) v Đọc dữ liệu dựa vào sự phản xạ tia laser

Flash disk v Kết nối qua cổng USB v Không phải dạng đĩa v Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory) v Dung lượng tăng nhanh v Thuận tiện