Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính: Chương 4 - ThS. Trần Quang Hải Bằng

Chia sẻ: Estupendo Estupendo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

154
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 4: Bộ nhớ máy tính. Nội dung chính trong chương này: Tổng quan về hệ thống nhớ, bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ chính, bộ nhớ đệm nhanh, bộ nhớ ngoài. Mời các bạn tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính: Chương 4 - ThS. Trần Quang Hải Bằng

KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH (Computer Organization and Architecture) Chương 4 Bộ nhớ máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Nội dung 1. Tổng quan về hệ thống nhớ – Đặc trưng của hệ thống nhớ – Phân cấp hệ thống nhớ 2. Bộ nhớ bán dẫn – Phân loại – Tổ chức chip nhớ – Thiết kế module nhớ bán dẫn 3. Bộ nhớ chính 4. Bộ nhớ đệm nhanh – Nguyên tắc chung của cache – Các phương pháp ánh xạ 5. Bộ nhớ ngoài bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 2
4.1. Tổng quan về hệ thống nhớ Các đặc trưng của hệ thống nhớ – Vị trí (location) • Bên trong Bộ xử lý: Các thanh ghi • Bộ nhớ trong: Bộ nhớ chính; Bộ nhớ cache • Bộ nhớ ngoài: Đĩa từ, băng từ, Đĩa quang – Dung lượng (capacity) • Độ dài ngăn nhớ (tính bằng bit: 16 bit, 32 bit, 64bit) • Số lượng ngăn nhớ – Đơn vị truyền (unit of transfer) • Truyền theo từ nhớ (word) • Truyền theo khối nhớ (block) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 3 4.1. Tổng quan về hệ thống nhớ (tt) Các đặc trưng (tiếp) – Phương pháp truy nhập (access method) • Truy nhập tuần tự (băng từ) • Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang) • Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ trong) • Truy nhập liên kết (bộ nhớ cache) – Kiểu vật lý của bộ nhớ (physical type) • Bộ nhớ bán dẫn • Bộ nhớ từ: băng từ và đĩa từ • Bộ nhớ quang: đĩa quang – Các đặc trưng vật lý (physical characteristics) • Bộ nhớ khả biến / không khả biến • Bộ nhớ xóa được / không xóa được bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 4
4.1. Tổng quan về hệ thống nhớ (tt) Các đặc trưng (tiếp) – Hiệu năng • Thời gian truy nhập • Chu kỳ nhớ • Tốc độ truyền bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 5 Phân cấp hệ thống nhớ Bộ xử lý Bộ nhớ Tập Bộ mạng Cache Cache Bộ thanh nhớ thi L1 L2 chính nhớ ngoài Từ trái sang phải: Dung lượng tăng dần Tốc độ trao đổi dữ liệu giảm dần Giá thành /1 bit giảm dần Tần xuất truy cập bởi CPU giảm dần Mức trái chứa 1 phần dữ liệu của mức phải bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 6
4.2. Bộ nhớ bán dẫn Phân loại bộ nhớ bán dẫn Kiểu bộ nhớ Tiêu chuẩn Khả năng xóa Cơ chế ghi Khả biến Read Only Memory Mặt nạ (ROM) Bộ nhớ chỉ Không xóa Programmable ROM đọc được (PROM) Erasable PROM Bằng tia cực Không (EPROM) Hầu như tím Electrically Erasable PROM chỉ đọc Bằng điện (EEPROM) từng byte Bằng điện Flash memory Bộ nhớ từng khối Bằng điện Random Access Memory Đọc-Ghi Bằng điện Có (RAM) từng byte bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 7 ROM (Read Only Memory) Bộ nhớ không khả biến Lưu trữ các thông tin: – Thư viện các chương trình con – Các chương trình điều kiển hệ thống – Các bảng chức năng – Vi chương trình bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 8
Các kiểu ROM ROM mặt nạ (ROM cố định): – Thông tin được ghi ngay khi sản xuất – Rất đắt PROM (Programmble ROM): – Khi sản xuất chưa ghi dữ liệu – Cần thiết bị chuyên dùng để ghi bằng chương trình, chỉ ghi được một lần EPROM (Erasable PROM): – Khi sản xuất chưa ghi dữ liệu – Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình, ghi được nhiều lần – Trước khi ghi lại, phải xóa bằng tia cực tím bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 9 Các kiểu ROM (tt) EEPROM (Electrically Erasable PROM): – Có thể ghi theo từng byte – Xóa bằng điện – Ghi lâu hơn đọc Flash memory (bộ nhớ cực nhanh) – Ghi theo khối – Xóa bằng điện bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 10
RAM (Random Access Memory) Bộ nhớ đọc / ghi Khả biến Lưu trữ thông tin tạm thời Có hai loại RAM: – SRAM (Static RAM) – DRAM (Dynamic RAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 11 Các kiểu RAM (tt) SRAM (Ram tĩnh) – Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop – Không cần mạch làm tươi – Cấu trúc phức tạp hơn DRAM – Dung lượng nhỏ – Tốc độ nhanh hơn DRAM – Đắt hơn DRAM – Dùng làm bộ nhớ cache bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 12
Các kiểu RAM DRAM (Ram động) – 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 SRAM – Rẻ hơn SRAM – Dùng làm bộ nhớ chính DRAM có nhiều loại – SDR DRAM (Single Data Rate DRAM) – DDR DRAM (Double Data Rate DRAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 13 Các kiểu DRAM SD DRAM (Single Data Rate DRAM) – Truy xuất đồng bộ với xung đồng hồ DDR DRAM (Double Data Rate SDRAM) – DDR2 – DDR3 RDRAM (Rambus DRAM) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 14
Tổ chức chip nhớ §iÒu khiÓn §iÒu khiÓn Chän D÷ liÖu vµo Chän D÷ liÖu ra ¤ nhí ¤ nhí a) Ghi b) §äc Ô nhớ là phần tử nhớ được 1 bit thông tin Các tín hiệu: • Tín hiệu chọn được gửi đến để chọn ô nhớ • Tín hiệu điều khiển chỉ thị việc ghi hay đọc • Tín hiệu thứ ba là đường dữ liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 15 Tổ chức chip nhớ (tt) Sơ đồ cơ bản của chip nhớ A0 D0 A1 D1 . . . Chip nhớ . . 2n x m bit . . An - 1 . CS Dm - 1 RD WR bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 16
Các tín hiệu của chip nhớ Các đường địa chỉ: A0 ÷ An - 1 → có 2n ngăn nhớ. Các đường dữ liệu: D0 ÷ Dm - 1 → độ dài ngăn nhớ là m bit. Dung lượng chip nhớ = 2n x m bit Các đường điều khiển: – Tín hiệu chọn chip: CS (Chip Select) – Tín hiệu điều khiển đọc: RD / OE – Tín hiệu điều khiển ghi: WR / WE Các tín hiệu tích cực ở mức 0 bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 17 Tổ chức của DRAM Dùng n đường địa chỉ dồn kênh → 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 Ví dụ – DRAM có 14 chân địa chỉ dồn kênh, 8 chân dữ liệu dung lượng = 228 x 8 bit = 28 x 220 x 8 = 256 MB x 8 bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 18
VD: chip 16MB DRAM (4M x 4 bit) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 19 Các chip nhớ (nhìn bên ngoài) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 20
Thiết kế modul nhớ bán dẫn Dung lượng chip nhớ là 2n x m bit Cần thiết kế để tăng dung lượng: – Tăng độ dài từ nhớ (tăng m) – Tăng số lượng ngăn nhớ (tăng n) – Kết hợp cả hai loại (tăng m và n) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 21 Thiết kế tăng độ dài từ nhớ Ví dụ 1 Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit Hãy thiết kế module nhớ 4K x 8 bit Giải Chip nhớ 4K x 4 bit = 4 x 210 x 4 bit = 212 x 4 bit Chip nhớ có – 12 đường địa chỉ – 4 đường dữ liệu Module nhớ cần thiết kế có – 12 đường địa chỉ – 8 đường dữ liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 22
Ví dụ 1 (tiếp) Khi CS = 0 cả 2 chip cùng làm việc WE, OE chung nhau Cả 2 chip cùng ghi, cùng đọc bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 23 Thiết kế tăng độ dài từ nhớ (tt) Ví dụ 2 Cho chip nhớ SRAM 8K x 8 bit Hãy thiết kế module nhớ 8K x 32 bit Giải: ??? Chip nhớ 8K x 8 bit = 810 x 8 bit = 213 x 8 bit Chip nhớ sẽ có – 13 đường địa chỉ – 8 đường dữ liệu Module nhớ cần thiết kế có – 13 đường địa chỉ – 32 đường dữ liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 24
Tăng độ dài từ nhớ tổng quát Cho chip 2n x m bit Thiết kế module nhớ 2n x (k.m) bit Giải: – Dùng k chip nhớ 2n x m – Các đường CS, WE, OE đấu chung tất cả các chip – Đường dữ liệu mỗi chip sẽ chiếp 1 đoạn trong chip kết quả bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 25 Thiết kế tăng số lượng ngăn nhớ Ví dụ 3: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Hãy thiết kế module nhớ 8K x 8 bit Giải Chip nhớ 4K x 8 bit = 4 x 210 x 8 bit = 212 x 8 bit Chip nhớ có – 12 đường địa chỉ – 8 đường dữ liệu Module nhớ cần thiết kế có dung lượng = 213 x 8 bit – 13 đường địa chỉ – 8 đường dữ liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 26
Ví dụ 3 (tt) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 27 Tăng số lượng ngăn nhớ tổng quát Cho chip nhớ 2n x m bit Hãy thiết kế module nhớ 2k+n x m bit Giải: Ghép nối 2k chip và dùng bộ giải mã k:2k (k 2k) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 28
Bộ giải mã 2 4 và 3 8 A Y0 B Y1 C Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 CS bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 29 Bài tập thiết kế module nhớ 1. Tăng số lượng từ nhớ gấp 4 lần – Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit – Thiết kế module nhớ 16K x 8 bit 2. Tăng số lượng từ nhớ gấp 8 lần – Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit – Thiết kế module nhớ 32K x 8 bit bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 30
Thiết kế module nhớ tăng hỗn hợp Tăng cả về số lượng ngăng nhớ và độ dài từ nhớ Ví dụ: – Cho chip nhớ SRAM: 8K x 4 bit – Hãy thiết kế modul nhớ 16K x 8 bit Giải: – Dung lượng chip nhớ: 213 x 4 bit – Chip nhớ có: 13 đường địa chỉ (A0 ÷ A12), 4 đường dữ liệu (D0 ÷ D3) – Modul nhớ cần có: 14 đường địa chỉ (A0 ÷ A13), 8 đường dữ liệu (D0 ÷ D7) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 31 Ví dụ (tt) A12÷A0 A0÷A12 A0÷A12 D7÷D0 D3÷D0 D0÷D3 CS CS A13 A Y0 WE OE WE OE CS A0÷A12 A0÷A12 G Y1 D3÷D0 D0÷D3 D7÷D0 CS CS WE OE WE OE WE OE bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 32
Lời giải tổng quát Bài toán tăng số lượng và độ dài tổng quát: – Cho chip nhớ 2n x m bit – Cần ghép nối modul nhớ: 2p+n x (q.m) bit ⇒ Cần ghép nối q.2p chip thành 2p bộ, mỗi bộ q chip và phải dùng bộ giải mã p: 2p (p → 2p) bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 33 Bài tập Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit Hãy thiết kế module nhớ 8K x 8 bit Làm ra giấy và nộp lại vào cuối buổi bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 34
4.3. Bộ nhớ chính 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 logic 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 bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 35 4.3. Bộ nhớ chính (tt) Tổ chức bộ nhớ đan xen – Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ thường là bội số của 2 (m = 8, 16, 32, 64, ... bit) – Các ngăn nhớ tổ chức theo byte tổ chức vật lý khác nhau. Ví dụ: m= 8 bit 1 băng nhớ tuyến tính Địa chỉ Bank nhớ 0 1 2 3 ..... n D7 ÷ D0 Bus hệ thống bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 36
m = 16 bit 2 băng nhớ đan xen bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ 37nhớ máy tính m = 32 bit, 4 băng đan xen bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 38
m=64 bit, 8 băng nhớ đan xen bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 39 4.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache) Nguyên tắc chung Các kỹ thuật ánh xạ địa chỉ Các thuật toán thay thế Hoạt động của cache Bài tập bangtqh@utc2.edu.vn Chương 4 - Bộ nhớ máy tính 40