Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 5: Bộ nhớ máy tính - Đinh Đồng Lưỡng

Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Nguyên tắc: 
 Cache có tốc độ truy xuất nhanh hơn rất nhiều bộ nhớ 
chính
 Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng 
tốc độ trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ chính.
 Cache thường được đặt trong chip vi xử lý
Kiến trúc Máy tính 32GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.4 Bộ nhớ đệm nhanh
Thao tác của Cache
 CPU yêu cầu lấy nội dung của một ngăn nhớ bằng 
việc đưa ra một địa chỉ xác định ô nhớ.
 CPU kiểm tra xem có nội dung cần tìm trong Cache 
 Nếu có: CPU nhận dữ liệu từ bộ nhớ Cache
 Nếu không có: Bộ điều khiển Cache đọc Block nhớ 
chứa dữ liệu CPU cần vào Cache.
 Tiếp đó chuyển dữ liệu từ Cache đến CPU
 Sơ đồ thao tác cache, bộ nhớ chính và CPU
Kiến trúc Máy tính 33GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.4 Bộ nhớ đệm nhanh
Start
Done
Địa chỉ RA từ CPU
Truy cập bộ nhớ lấy ra 
BLOCK chứa địa chỉ RA
Đưa BLOCK vào một Line 
trong Cache
Chuyển từ ở địa chỉ RA 
tới CPU 
Có BLOCK nào trong 
cache chứa RA
Chuyển từ ứng RA 
tới CPU
miss
hit
Kiến trúc Máy tính 34GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.4 Bộ nhớ đệm nhanh
Tag Line 1
Line 2
Line 3
 Line C
CPU
Bộ nhớ Cache
Bộ nhớ chính
Block M
Block M-1
Block M-2
Block 4
Block 3
Block 2
Block 1
Kiến trúc Máy tính 35GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
 Tổ chức Cache
Giả sử bộ nhớ chính gồm có 2n từ nhớ đã được đánh 
địa chỉ ( mỗi từ nhớ có địa chỉ duy nhất rộng n bit)
Bộ nhớ chính chia thành M khối, mỗi khối có K từ nhớ 
M=2n/K
Bộ nhớ Cache có C khe mỗi khe có K từ nhớ.(C<<M)
Tại một thời điểm luôn có một tập con các khối nhớ 
thường trú trong cache.
Nếu một từ sẽ được đọc thì khối chứa từ đó sẽ được 
chuyển vào trong cache.
Kiến trúc Máy tính 36GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Ví dụ cho phương pháp ánh xạ cụ thể trong cache
 Cho dung lượng Cache là 64KB (m=16)
Mỗi khối kính thước 4 bytes
=> C=16K(214) lines mỗi line kích thước 4 bytes
 Cho dung lượng bộ nhớ chính 16MB (n=24)
Mỗi khối kính thước 4 bytes
=> M=4M(222) khối mỗi khối kích thước 4 bytes
Kiến trúc Máy tính 37GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Phương pháp ánh xạ trực tiếp (Direct mapping)
 Mỗi block được ánh xạ duy nhất tới 1 line trong cache
 Địa chỉ phát ra từ CPU được chia 2 phần
 w bits có trọng số thấp để xác định duy nhất từ cần 
truy xuất(WORD)
 s bits còn lại xác định khối nhớ. Trong s bits chia 2 
nhóm r bits LINE và s-r bits TAG
Cụ thể hóa ví dụ:
Tag s-r Line or Slot r Word w
8 14 2
Kiến trúc Máy tính 38GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Tổng bit trong địa chỉ bộ nhớ chính n=24 bit: trong đó 
2 bit phần word xác định chính xác 4 từ
22 bit xác định khối( 8 bit tag (=22-14) và 14 bit slot 
or line)
 Không có hai block nào trong Cache có cùng Line và 
Tag.
 Kiểm tra nội dung từ tồn tại Cache chính là kiểm tra 
địa chỉ line và Tag
Kiến trúc Máy tính 39GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 40GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Cache line Main Memory blocks
0 0, C, 2C, 3C2s-C
1 1,C+1, 2C+12s-C+1
C-1 C-1, 2C-1,3C-12s-1
Nhận xét:
 Đơn giản
 Chi phí ít
 Nhược điểm là sự cố định các khối trong các line của Cache. 
Trong trường hợp chương trình muốn truy xuất tới 2 Block tiên 
tục mà 2 block được phân nằm trong cùng line thì khả năng 
Cache miss rất cao.
Kiến trúc Máy tính 41GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 42GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Phương pháp ánh xạ liên kết
(Associative mapping)
 Một Block của bộ nhớ chính có thể nhập bất kỳ line 
nào trong Cache.
 Địa chỉ CPU phát ra được chia thành 2 địa chỉ tag và 
word
 Địa chỉ Tag xác định khối duy nhất của bộ nhớ nằm 
trong Cache.
 Mỗi giá trị Tag của Line là khác nhau.
 Chi phí phương pháp này đối với Cache là cao.
Kiến trúc Máy tính 43GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 44GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
 22 bit Tag để lưu trữ Block 4 byte dữ liệu.
 Việc kiểm tra Cache dựa vào các giá trị Tag trong line 
(22 bit) để nhận biết Cache hit hay miss.
 2 bits cuối xác định chính xác từ cần truy xuất
 Ví dụ
Địa chỉ Tag Dữ liệu Cache line
FFFFFC FFFFFC 24682468 3FFF
Tag 22 bit
Word
2 bit
Kiến trúc Máy tính 45GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 46GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Phương pháp ánh xạ liên kết tập hợp
(Set Associative mapping)
 Các line trong Cache được chia ra thành tập(nhóm) 
line
 Mỗi block chỉ được ánh xạ vào bất kỳ line nào trong 
tập nào đó mà thôi. Ví dụ Block b chỉ có thể nập vào 
bất kỳ line nào trong nhóm các line thứ i. Ví dụ 2 lines 
một nhóm (two way associative mapping), Số Block 
bộ nhớ chính là modulo 213 
 000000, 00A000, 00B000, 00C000  ánh xạ cùng 
nhóm.
Kiến trúc Máy tính 47GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 48GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
 Sử dụng tập hợp để biết tập nào được truy xuất.
 So sánh trường Tag để xác đinh Cache hit hay miss
 Ví dụ:
Địa chỉ Tag Dữ liệu số tập
1FF 7FFC 1FF 12345678 1FFF
001 7FFC 001 11223344 1FFF
Tag 9 bit Set 13 bit
Word
2 bit
Kiến trúc Máy tính 49GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.3 Bộ nhớ đệm nhanh
Kiến trúc Máy tính 50GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.4 Bộ nhớ đệm nhanh
Một số Block của bộ nhớ chính được nạp vào trong các 
line của Cache
 Nội dung thẻ TAG (thẻ nhớ) cho biết block nào của bộ 
nhớ chính hiện đang được chứa trong line
 Khi CPU truy nhập đọc hay ghi một từ nhớ của bộ nhớ 
chính, có 2 khả năng xảy ra :
 Từ nhớ đó có trong Cache (cache hit). Từ nhớ đó đang 
không có trong cache (Cache miss).
Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit
 Ghi xuyên qua (Write Through): nội dung sau khi xử lý 
xong được cập nhập vào cả Cache và bộ nhớ chính. Tốc 
độ chậm.
Kiến trúc Máy tính 51GV: Đinh Đồng Lưỡng
Cache trong các bộ xử lý Intel
 Ghi sau (Write back): Dữ liệu xử lý chỉ được ghi ra 
Cache, tốc độ nhanh. Tuy nhiên khi Block trong cache 
không dùng nữa thì phải ghi trả cả block tới bộ nhớ 
chính.
Dung lượng Cache được sử dụng cho thế hệ máy:
 80486: có 3KB nhớ
 Pentium : có 2 cache L1 trên chip đó là Cache lệnh và 
cache dữ liệu (8KB). Cache L2 liên hợp
 Pentium 4: hai mức Cache L1 và L2 trên chip. Cache 
L1 mỗi cache 8KB. Cache L2: mỗi cache 256KB, 
512KB, 1GB 
Kiến trúc Máy tính 52GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.5 Bộ nhớ ngoài
 Các kiểu bộ nhớ ngoài
 Đĩa từ
 Đĩa quang
 Bộ nhớ Flash
 RAID
Kiến trúc Máy tính 53GV: Đinh Đồng Lưỡng
Đĩa cứng (HDD: Hard Disk Driver)
 Là thành phần quan trọng lưu trữ hệ điều hành 
và các phần mềm tiện ích máy tính.
 Một máy tính có thể một đĩa hoặc nhiều đĩa
 Dung lượng mỗi đĩa rất lớn. Năm 1993 đĩa lớn 
nhất 200MB đến nay 80 hay 120GB
 Tốc độ đọc ghi nhanh so các bộ nhớ ngoài khác
 Giá thành hạ
 Được sử dụng làm bộ nhớ RAID (Redundant 
Array of (Inexpensive) Independent Disks). 
Kiến trúc Máy tính 54GV: Đinh Đồng Lưỡng
Đĩa quang (CD-ROM, DVD)
 CD-ROM (Compact Disk ROM)
 CD-R (Recordable CD)
 CD-RW (Rewriteable CD)
 Dung lượng phổ biến 650MB
 ổ CD ROM: có thể đọc dữ liệu từ đĩa CD
 ổ CD RW : Có thể vừa ổ đọc đĩa CD và có thể ghi dữ liệu lên 
đĩa CD-R, và CD-RW.
 Tốc độ đọc cơ sở 150KB/s
 Tốc độ bội lần : 40x, 52x, 60x,
 DVD(Digital Video Disk): chỉ dùng trên đầu đọc 
 DVD (Digital Versatile Disk): dùng trên ổ đĩa máy tính
 Dung lượng thông dụng 4.7GB
Kiến trúc Máy tính 55GV: Đinh Đồng Lưỡng
Flash disk
 Thường kết nối qua cổng USB
 Không phải dạng đĩa là bộ nhớ bán dẫn cực nhanh 
 Dung lượng phát triển nhanh
 Gọn nhẹ và tiện lợi
 Đặc điểm đĩa Flash
1)Supports USB full-speed (12MBps) transmission
2) Driverless installation in Windows ME / 2000 / XP, 
Mac 9.0 and 
above, Linux 2.4 and above
3) Supports boot-up by USB-HDD or USB-ZIP mode
4) LED indicator displays status
Kiến trúc Máy tính 56GV: Đinh Đồng Lưỡng
Flash disk
 5) Write protection switch
6) Reading and writing speed: 
900k/s and 700k/s
7) Password protection and data 
encryption prevents unauthorized 
access to data
8) Application software support 
in Windows OS security function
9) Application software resize 
(partition) available
10) Capacity: 16MB, 32MB, 
64MB, 128MB, 256MB, 512MB, 
1GB
11) Compliance: FCC(B), CE, C-
Tick 
Kiến trúc Máy tính 57GV: Đinh Đồng Lưỡng
RAID
(Redundant Array of Independent Disk)
 Khái niệm
RAID là sơ đồ chuẩn hóa dữ liệu đa đĩa.
 Mục đích
• Nâng cao hiệu suất vận hành của toàn bộ hệ thống.
• Quản lý song song cho yêu cầu nhập xuất.
• Tận dụng tính dư thừa dữ liệu nhằm cải thiện độ tin 
cậy đĩa.
Kiến trúc Máy tính 58GV: Đinh Đồng Lưỡng
 Đặc điểm chúng của RAID
RAID là tập hợp các ổ đĩa vật lý được nhìn từ hệ điều 
hành như ổ đĩa logic đơn.
Dữ liệu được phân bố trên mảng các ổ đĩa vật lý.
Dung lượng đĩa dư thừa được sử dụng để lưu trữ thông 
tin chẵn lẻ nhằm đảm bảo khả năng phục hồi dữ liệu 
trong trường hợp có hư hỏng về đĩa.
RAID
(Redundant Array of Independent Disk)
Kiến trúc Máy tính 59GV: Đinh Đồng Lưỡng
RAID
(Redundant Array of Independent Disk)
Kiến trúc Máy tính 60GV: Đinh Đồng Lưỡng
RAID
(Redundant Array of Independent Disk)
Kiến trúc Máy tính 61GV: Đinh Đồng Lưỡng
RAID
(Redundant Array of Independent Disk)
Kiến trúc Máy tính 62GV: Đinh Đồng Lưỡng
5.6 Hệ thống nhớ trên máy PC hiện nay
 Hệ thống Cache: tích hợp trực tiếp trên các chip vi xử 
lý
 Bộ nhớ chính: tồn tại dưới dạng module nhớ RAM
 SIMM: Single Inline Memory Module
 30 pin : 8 đường dữ liệu
 72 pin : 32 đường dữ liệu
 DIMM: Dual Inline Memory Module
 168 pin: 64 đường dữ liệu
 RIMM: Rambus Inline Memory Module
Kiến trúc Máy tính 63GV: Đinh Đồng Lưỡng
ROM BIOS
ROM BIOS: Basic Input Output System ROM chứa 
chương trình sau:
Chương trình POST (Power On Self Test)
Chương trình CMOS setup (Compementary Metal 
Oxide Semiconductor)
Chương trình Bootstrap Looader
Chương trình điều khiển vào ra cơ bản (BIOS)
CMOS RAM
Chứa cấu hình hệ thống hiện thời
Đồng hồ và ngày tháng năm hệ thống