SlideShare una empresa de Scribd logo
1 de 19
Descargar para leer sin conexión
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                  22 August 2011


          NKK-HUT                                         NKK-HUT

                      Hệ thống máy tính                              Nội dung học phần


                                                                    Chương 1. Giới thiệu chung
                                                                    Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ
                                                                                ế
                    Chương 2
                                                                    Chương 3. Kiến trúc vào-ra
                    KIẾN TRÚC BỘ NHỚ                                Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý
                                                                    Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến


                    Nguyễn Kim Khánh
                    Trường Đại học Bách khoa Hà Nội



          22 August 2011                              1   22 August 2011                                       2




          NKK-HUT                                         NKK-HUT

                      Nội dung                                       2.1. Tổng quan về hệ thống nhớ
                                                                1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ
                     2.1. Tổng quan về hệ thống nhớ                Vị trí
                     2.2.
                     2 2 Bộ nhớ bán dẫn                                    Bên trong CPU:
                                                                           Bê t      CPU
                                                                             tập thanh ghi
                     2.3. Bộ nhớ chính
                                                                           Bộ nhớ trong:
                     2.4. Bộ nhớ cache                                       bộ nhớ chính
                     2.5. Bộ nhớ ảo                                          bộ nhớ cache
                                                                           Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ
                                                                            ộ      g                ị
                     2.6.
                     2 6 Hệ thố l t ữ RAID
                             thống lưu trữ
                                                                     Dung lượng
                                                                           Độ dài từ nhớ (tính bằng bit)
                                                                           Số lượng từ nhớ

          22 August 2011                              3   22 August 2011                                       4




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                1
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                 22 August 2011


          NKK-HUT                                                        NKK-HUT

                     Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)                          Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)

                           Đơn vị truyền                                                  Hiệu năng (performance)
                             Từ nhớ                                                         Thời gian truy nhập
                                                                                                 g       y ập
                             Khối nhớ                                                       Chu kỳ nhớ
                           Phương pháp truy nhập                                            Tốc độ truyền
                             Truy nhập tuần tự (băng từ)                                  Kiểu vật lý
                             Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa)                             Bộ nhớ bán dẫn
                             Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn)                          Bộ nhớ từ
                             Truy nhập liên kết (cache)                                     Bộ nhớ quang


          22 August 2011                                             5   22 August 2011                                       6




          NKK-HUT                                                        NKK-HUT

                     Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp)                          2. Phân cấp hệ thống nhớ

                           Các đặc tính vật lý
                             Khả biến / Không khả biến
                                              g
                             (volatile / nonvolatile)
                             Xoá được / không xoá được
                           Tổ chức




          22 August 2011                                             7   22 August 2011                                       8




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                               2
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                                          22 August 2011


          NKK-HUT                                                        NKK-HUT

                     Công nghệ bộ nhớ                                                Ví dụ hệ thống nhớ thông dụng
                      Static RAM (SRAM)
                           0.5ns – 2.5ns, $2000 – $5000 per GB
                      Dynamic RAM (DRAM)
                           50ns – 70ns, $20 – $75 per GB
                      Ổ đĩa từ
                           5ms – 20ms, $0.20 – $2 per GB
                      Bộ nhớ lý tưởng
                                  ở
                                                                                                      Từ trái sang phải:
                           Thời gian truy nhập như SRAM                                                 dung lượng tăng dần
                           Dung lượng và giá thành như ổ đĩa cứng                                       tốc độ giảm dần
                                                                                                        giá thành/1bit giảm dần

          22 August 2011                                             9   22 August 2011                                                                   10




          NKK-HUT                                                        NKK-HUT

                     Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ                        2.2. Bộ nhớ bán dẫn
                                                                              1. Phân loại
                           Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU
                                                                                   Kiểu bộ nhớ       Tiêu     Khả năng xoá        Cơ chế ghi    Tính
                           thường chỉ tham chiếu các thông tin                                      chuẩn                                      khả biến
                           trong một khối nhớ cục bộ
                                       ố                                    Read Only Memory
                                                                                                                                   Mặt nạ
                                                                            (ROM)                   Bộ nhớ      Không xoá
                           Ví dụ:                                           Programmable ROM        chỉ đọc       được
                                                                               (PROM)
                            Cấu trúc chương trình tuần tự
                                                                            Erasable PROM                     bằng tia cực tím,                 Không
                            Vòng lặp có thân nhỏ                            (EPROM)                 Bộ nhớ        cả chip                      khả biến
                                                                                                    hầu như                       Bằng điện
                                                                                                                                     g ệ
                            Cấu t ú
                            Cấ trúc dữ liệu mảng
                                        liệ   ả                             Electrically Erasable
                                                                            El t i ll E       bl
                                                                                                    chỉ đọc
                                                                                                                bằng điện,
                                                                                                                bằ điệ
                                                                            PROM (EEPROM)                      mức từng byte
                                                                            Flash memory                         bằng điện,
                                                                                                    Bộ nhớ       từng khối
                                                                            Random Access           đọc-ghi     bằng điện,                     Khả biến
                                                                                                                                  Bằng điện
                                                                            Memory (RAM)                       mức từng byte
          22 August 2011                                            11   22 August 2011                                                                   12




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                                        3
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                    22 August 2011


          NKK-HUT                                                         NKK-HUT

                     ROM (Read Only Memory)                                          Các kiểu ROM

                      Bộ nhớ không khả biến                                         ROM mặt nạ:
                                                                                       thông tin được ghi khi sản xuất
                      Lưu trữ các thông tin sau:
                                                                                       rất đắt
                           Thư viện các chương trình con
                           Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)              PROM (Programmable ROM)
                           Các bảng chức năng                                          Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương
                                                                                       trình   chỉ ghi được một lần
                           Vi chương trình
                                                                                    EPROM (E
                                                                                          (Erasable PROM)
                                                                                                bl
                                                                                       Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương
                                                                                       trình   ghi được nhiều lần
                                                                                       Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím
          22 August 2011                                             13   22 August 2011                                             14




          NKK-HUT                                                         NKK-HUT

                     Các kiểu ROM (tiếp)                                             RAM (Random Access Memory)

                                                                                      Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory)
                    EEPROM (Electrically Erasable PROM)
                                                                                      Khả biến
                       Có thể ghi theo từng byte
                                                                                      Lưu trữ thông tin tạm thời
                       Xóa bằng điện
                                                                                      Có hai loại: SRAM và DRAM
                    Flash memory (Bộ nhớ cực nhanh)
                                                                                               (Static and Dynamic)
                       Ghi theo khối
                       Xóa bằng điện
                             ằ




          22 August 2011                                             15   22 August 2011                                             16




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                  4
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                          22 August 2011


          NKK-HUT                                                    NKK-HUT

                     SRAM (Static) – RAM tĩnh                                   DRAM (Dynamic) – RAM động

                      Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop                    Các bit được lưu trữ trên tụ điện
                       thông tin ổn định                                           cần phải có mạch làm tươi
                      Cấu trúc phức tạp                                          Cấu trúc đơn giản
                      Dung lượng chip nhỏ                                        Dung lượng lớn
                      Tốc độ nhanh                                               Tốc độ chậm hơn
                      Đắt tiền                                                   Rẻ tiền hơn
                      Dùng làm bộ nhớ cache                                      Dùng làm bộ nhớ chính


          22 August 2011                                        17   22 August 2011                                    18




          NKK-HUT                                                    NKK-HUT

                     Một số DRAM tiên tiến                                      2. Tổ chức của chip nhớ
                                                                                 Sơ đồ cơ bản của chip nhớ
                    Enhanced DRAM
                    Cache DRAM
                    Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc
                    được đồng bộ bởi xung clock
                    DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)




          22 August 2011                                        19   22 August 2011                                    20




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                        5
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                        22 August 2011


          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     Các tín hiệu của chip nhớ                                               Tổ chức của DRAM

                      Các đường địa chỉ: An-1 ÷ A0 có 2n từ nhớ
                      Các đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0    độ dài từ                               Dùng n đường địa chỉ dồn kênh  cho
                      nhớ = m bit                                                             phép truyền 2n bit địa chỉ
                      Dung lượng chip nhớ = 2n x m bit                                        Tín hiệu chọn địa chỉ hàng RAS
                      Các đường điều khiển:                                                   (Row Address Select)
                         Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select)                                  Tín hiệu chọn địa chỉ cột CAS
                         Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable)                           (Column Address Select)
                         Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable)
                                                                                              Dung lượng của DRAM= 22n x m bit
                       (Các tín hiệu điều khiển thường tích cực với mức 0)



          22 August 2011                                                     21   22 August 2011                                     22




          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     Chip nhớ                                                                3. Thiết kế mô-đun nhớ bán dẫn


                                                                                              Dung lượng chip nhớ 2n x m bit
                                                                                              Cần thiết kế để tăng dung lượng:
                                                                                               ầ     ế ế ể
                                                                                                   Thiết kế tăng độ dài từ nhớ
                                                                                                   Thiết kế tăng số lượng từ nhớ
                                                                                                   Thiết kế kết hợp




          22 August 2011                                                     23   22 August 2011                                     24




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                      6
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                         22 August 2011


          NKK-HUT                                                 NKK-HUT

                     Tăng độ dài từ nhớ                                      Ví dụ tăng độ dài từ nhớ
                     VD1:
                       Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit
                       Thiết kế mô-đun nhớ 4K x 8 bit
                                 ôđ     hớ
                     Giải:
                       Dung lượng chip nhớ = 212 x 4 bit
                       chip nhớ có:
                             12 chân địa chỉ
                             4 chân dữ liệu
                           mô-đun nhớ cần có:
                             12 chân địa chỉ
                             8 chân dữ liệu
          22 August 2011                                     25   22 August 2011                                      26




          NKK-HUT                                                 NKK-HUT

                     Bài toán tăng độ dài từ nhớ tổng quát                   Tăng số lượng từ nhớ
                                                                            VD2:
                                                                              Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit
                      Cho chip nhớ 2n x mbit                                  Thiết kế mô đun nhớ 8K x 8 bit
                                                                                       mô-đun
                      Thiết kế mô-đun nhớ 2n x (k.m) bit                    Giải:
                      Dùng k chip nhớ                                         Dung lượng chip nhớ = 212 x 8 bit
                                                                              chip nhớ có:
                                                                                   12 chân địa chỉ
                                                                                   8 chân dữ liệu
                                                                              Dung lượng mô-đun nhớ = 213 x 8 bit
                                                                                   13 chân địa chỉ
                                                                                   8 chân dữ liệu

          22 August 2011                                     27   22 August 2011                                      28




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                       7
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                        22 August 2011


          NKK-HUT                                                            NKK-HUT

                     Tăng số lượng từ nhớ                                               Bài tập
                                                                                       1. Tăng số lượng từ gấp 4 lần:
                                                                                              Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit
                                                                                              Thiết kế mô-đun nhớ 16K x 8 bit

                                                                                       2. Tăng số lượng từ gấp 8 lần:
                                                                                              Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit
                                                                                              Thiết kế mô-đun nhớ 32K x 8 bit
                       G   A   Y0 Y1                                                   3. Thiết kế kết hợp:
                       0   0   0   1
                                                                                              Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit
                       0   1   1   0
                       1   x   1   1                                                          Thiết kế mô-đun nhớ 8K x 8 bit
          22 August 2011                                                29   22 August 2011                                              30




          NKK-HUT                                                            NKK-HUT

                     Bộ giải mã 2 4                                                     2.3. Bộ nhớ chính

                                                                                       1. Các đặc trưng cơ bản
                                       G    B   A   Y0   Y1   Y2   Y3                    Chứa các chương trình đang thực hiện và các
                                                                                         dữ liệu đang được sử dụng
                                                                                                              ử
                                       0    0   0   0    1    1    1
                                       0    0   1   1    0    1    1
                                                                                         Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính
                                       0    1   0   1    1    0    1
                                                                                         Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực
                                                                                         tiếp bởi CPU
                                       0    1   1   1    1    1    0
                                                                                         Dung lượng của bộ nhớ chính nhỏ hơn không
                                                                                              g     g                                g
                                       1    x   x   1    1    1    1
                                                                                         gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý.
                                                                                         Việc quản lý logic bộ nhớ chính tuỳ thuộc vào
                                                                                         hệ điều hành

          22 August 2011                                                31   22 August 2011                                              32




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                      8
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                 22 August 2011


          NKK-HUT                                                          NKK-HUT

                     2. Tổ chức bộ nhớ đan xen (interleaved memory)                   m=8bit      một băng nhớ tuyến tính


                      Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với
                      bộ nhớ: m = 8, 16, 32, 64,128 ... bit
                      Các ngăn nhớ được tổ chức theo byte
                       tổ chức bộ nhớ vật lý khác nhau




          22 August 2011                                              33   22 August 2011                                     34




          NKK-HUT                                                          NKK-HUT

                     m = 16bit     hai băng nhớ đan xen                               m = 32bit     bốn băng nhớ đan xen




          22 August 2011                                              35   22 August 2011                                     36




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                               9
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                      22 August 2011


          NKK-HUT                                                    NKK-HUT

                     m = 64bit    tám băng nhớ đan xen                          2.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory)
                                                                               1. Nguyên tắc chung của cache
                                                                                      Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính
                                                                                      Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm
                                                                                      tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ
                                                                                      Cache có thể được đặt trên chip CPU




          22 August 2011                                        37   22 August 2011                                                  38




          NKK-HUT                                                    NKK-HUT

                     Ví dụ về thao tác của cache                                Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính

                      CPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớ
                      CPU kiểm tra trên cache với dữ liệu này
                      Nếu có, CPU nhận dữ liệu từ cache
                      (nhanh)
                      Nếu không có, đọc Block nhớ chứa dữ
                      liệu từ bộ nhớ chính vào cache
                        ệ      ộ
                      Tiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào
                      CPU

          22 August 2011                                        39   22 August 2011                                                  40




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                   10
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                                22 August 2011


          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính (tiếp)                          Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính (tiếp)

                                                                                            Một số Block của bộ nhớ chính được
                    Bộ nhớ chính có 2N byte nhớ                                             nạp vào các Line của cache.
                    Bộ nhớ chính và cache được chia thành                                   Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block
                                                                                                            ẻ            ế
                    các khối có kích thước bằng nhau                                        nào của bộ nhớ chính hiện đang được
                           Bộ nhớ chính: B0, B1, B2, ... , Bp-1 (p Blocks)
                                                                                            chứa ở Line đó.
                                                                                            Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ,
                           Bộ nhớ cache: L0, L1, L2, ... , Lm-1 (m Lines)
                                                                                            có hai khả năng xảy ra:
                           Kích thước của Block = 8 16 32 64 128 b te
                                th ớc             8,16,32,64,128 byte                              Từ nhớ đó có trong cache (cache hit)
                                                                                                   Từ nhớ đó không có trong cache (cache
                                                                                                   miss).

          22 August 2011                                                     41   22 August 2011                                              42




          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     2. Các phương pháp ánh xạ                                               Ánh xạ trực tiếp
                                                                                            Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp
                      (Chính là các phương pháp tổ chức bộ                                  vào một Line của cache:
                      nhớ cache)                                                                   B0    L0
                      Ánh xạ trực tiếp                                                             B1    L1
                              (Direct mapping)                                                      ....
                      Ánh xạ liên kết toàn phần                                                    Bm-1    Lm-1
                              (Fully associative mapping)                                          Bm    L0
                                                                                                   Bm+1     L1
                      Ánh xạ liên kết tập hợp
                                                                                                    ....
                              (Set associative mapping)
                                                                                            Tổng quát
                                                                                                   Bj chỉ có thể nạp vào L j mod m
                                                                                                   m là số Line của cache.
          22 August 2011                                                     43   22 August 2011                                              44




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                             11
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                                22 August 2011


          NKK-HUT                                                       NKK-HUT

                     Minh hoạ ánh xạ trực tiếp                                     Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp
                                                                                    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:
                                                                                                 2W = kích thước của Block hay Line
                                                                                         Trường Line gồm L bit xác định một trong số các
                                                                                         Line trong cache:
                                                                                                 2L = số Line trong cache = m
                                                                                         Trường Tag gồm T bit:
                                                                                                 T = N - (W+L)
                                                                                    Bộ so sánh đơn giản
                                                                                    Xác suất cache hit thấp
          22 August 2011                                           45   22 August 2011                                                       46




          NKK-HUT                                                       NKK-HUT

                     Ánh xạ liên kết toàn phần                                     Minh hoạ ánh xạ liên kết toàn phần

                      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

          22 August 2011                                           47   22 August 2011                                                       48




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                             12
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                    22 August 2011


          NKK-HUT                                                  NKK-HUT

                     Đặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phần                   Ánh xạ liên kết tập hợp

                                                                               Cache đươc chia thành các Tập (Set)
                      So sánh đồng thời với tất cả các Tag                     Mỗi một Set chứa một số Line
                                                                                      ộ          ộ
                      mất nhiều thời gian                                      Ví dụ:
                      Xác suất cache hit cao.                                       4 Line/Set     4-way associative mapping

                      Bộ so sánh phức tạp.                                     Ánh xạ theo nguyên tắc sau:
                                                                                    B0        S0
                                                                                    B1        S1
                                                                                    B2        S2
                                                                                    .......


          22 August 2011                                      49   22 August 2011                                                50




          NKK-HUT                                                  NKK-HUT

                     Minh hoạ ánh xạ liên kết tập hợp                         Đặc điểm của ánh xạ liên kết tập hợp

                                                                               Kích thước Block = 2W Word
                                                                               Trường Set có S bit dùng để xác định
                                                                               một trong số V = 2S 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
                                                                                              2,4,8,16Lines/Set




          22 August 2011                                      51   22 August 2011                                                52




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                 13
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                               22 August 2011


          NKK-HUT                                                             NKK-HUT

                     Ví dụ về ánh xạ địa chỉ                                             Với ánh xạ trực tiếp

                                                                                          Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte      N = 32 bit
                      Không gian địa chỉ bộ nhớ chính = 4GB
                                                                                          Cache = 256 KB = 2   18 byte.
                      Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB                                    Line = 32 byte = 25 byte     W = 5 bit
                      Kích thước Line (Block) = 32byte.                                   Số Line trong cache = 218/ 25 = 213 Line
                      Xác định số bit của các trường địa chỉ                                 L = 13 bit
                      cho ba trường hợp tổ chức:                                          T = 32 - (13 + 5) = 14 bit
                           Ánh xạ trực tiếp
                           Ánh xạ liên kết toàn phần
                           Ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường


          22 August 2011                                                 53   22 August 2011                                                  54




          NKK-HUT                                                             NKK-HUT

                     Với ánh xạ liên kết toàn phần                                       Với ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường
                                                                                          Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte        N = 32 bit
                      Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte     N = 32 bit                        Line = 32 byte = 25 byte     W = 5 bit
                      Line = 32 byte = 25 byte   W = 5 bit                                Số Line trong cache = 2
                                                                                            ố                      18/ 25 = 213 Line

                      Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - 5 = 27 bit                    Một Set có 4 Line = 22 Line
                                                                                           số Set trong cache = 213/ 22 = 211 Set
                                                                                          S = 11 bit
                                                                                          Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - (11 + 5)
                                                                                                          g g                     (       )
                                                                                          = 16 bit




          22 August 2011                                                 55   22 August 2011                                                  56




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                            14
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                               22 August 2011


          NKK-HUT                                                           NKK-HUT

                     Bài tập                                                           3. Thuật giải thay thế (1): Ánh xạ trực tiếp
                      Giả thiết rằng máy tính có 128KB cache tổ
                      chức theo kiểu ánh xạ liên kết tập hợp 4-line.                    Không phải lựa chọn
                      Cache có tất cả là 1024 Set từ S0 đến                             Mỗi Bl k chỉ á h xạ vào một Line xác
                                                                                            Block hỉ ánh      à  ột Li    á
                      S1023. Địa chỉ bộ nhớ chính là 32-bit và đánh
                      địa chỉ cho từng byte.
                                                                                        định
                      a) Tính số bit cho các trường địa chỉ khi truy                    Thay thế Block ở Line đó
                      nhập cache ?
                      b) Xá đị h b t nhớ có địa chỉ 003D02AF(16)
                         Xác định byte hớ ó đị hỉ
                      được ánh xạ vào Set nào của cache ?



          22 August 2011                                               57   22 August 2011                                                  58




          NKK-HUT                                                           NKK-HUT

                     Thuật giải thay thế (2): Ánh xạ liên kết                          4. Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit
                    Được thực hiện bằng phần cứng (nhanh)
                    Random: Thay thế ngẫu nhiên
                                                                                        Ghi xuyên qua (Write-through):
                                                                                             ghi cả cache và cả bộ nhớ chính
                    FIFO (First In First Out): Thay thế Block nào
                    nằm lâu nhất ở trong Set đó                                              tốc độ chậm
                    LFU (Least Frequently Used): Thay thế Block                         Ghi trả sau (Write-back):
                    nào trong Set có số lần truy nhập ít nhất trong                          chỉ ghi ra cache
                    cùng một khoảng thời gian
                                                                                             tốc độ nhanh
                    LRU (Least Recently Used): Thay thế Block ở
                    trong Set tương ứng có thời gian lâu nhất không                          khi Block trong cache bị thay thế cần phải
                    được tham chiếu tới.                                                     ghi trả cả Block về bộ nhớ chính
                    Tối ưu nhất: LRU
          22 August 2011                                               59   22 August 2011                                                  60




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                            15
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                                   22 August 2011


          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     2.5. Bộ nhớ ảo (Virtual Memory)                                         Phân trang
                      Khái niệm bộ nhớ ảo: gồm bộ nhớ chính và                                Phân chia bộ nhớ thành các phần có kích
                      bộ nhớ ngoài mà được CPU coi như là một                                 thước bằng nhau gọi là các khung trang
                      bộ nhớ duy nhất (bộ nhớ chính).
                                                                                              Chia chương trình (tiến trình) thành các trang
                                                                                                                   ế
                      Các kỹ thuật thực hiện bộ nhớ ảo:
                                                                                              Cấp phát số hiệu khung trang yêu cầu cho
                           Kỹ thuật phân trang (thông dụng): Chia không
                           gian địa chỉ bộ nhớ thành các trang nhớ có kích                    tiến trình
                           thước bằng nhau và nằm liền kề nhau                                HĐH duy trì danh sách các khung trang nhớ
                           Thông dụng: kích thước trang = 4KBytes                             trống
                           Kỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành                      Tiến trình không yêu cầu các khung trang liên
                           các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn                      tiếp
                           nhớ có thể gối lên nhau.
                                                                                              Sử dụng bảng trang để quản lý

          22 August 2011                                                     61   22 August 2011                                                62




          NKK-HUT                                                                 NKK-HUT

                     Cấp phát các khung trang                                                Địa chỉ logic và địa chỉ vật lý của phân trang




          22 August 2011                                                     63   22 August 2011                                                64




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                                16
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                                               22 August 2011


          NKK-HUT                                                                   NKK-HUT

                     Nguyên tắc làm việc của bộ nhớ ảo phân trang                              Thất bại

                      Phân trang theo yêu cầu                                                   Quá nhiều tiến trình trong bộ nhớ quá nhỏ
                           Không yêu cầu tất cả các trang của tiến trình nằm                    HĐH tiêu tốn toàn bộ thời gian cho việc hoán
                           trong bộ nhớ                                                         đổi
                                                                                                 ổ
                           Chỉ nạp vào bộ nhớ những trang được yêu cầu
                                                                                                Có ít hoặc không có công việc nào được thực
                      Lỗi trang                                                                 hiện
                           Trang được yêu cầu không có trong bộ nhớ
                                                                                                Đĩa luôn luôn sáng
                           HĐH cần hoán đổi trang yêu cầu vào
                                                                                                Giải pháp:
                                                                                                     p p
                           Có thể cần hoán đổi một trang nào đó ra để lấy
                           chỗ                                                                       Thuật toán thay trang
                           Cần chọn trang để đưa ra                                                  Giảm bớt số tiến trình đang chạy
                                                                                                     Thêm bộ nhớ


          22 August 2011                                                       65   22 August 2011                                             66




          NKK-HUT                                                                   NKK-HUT

                     Lợi ích                                                                   Cấu trúc bảng trang
                      Không cần toàn bộ tiến trình nằm trong
                      bộ nhớ để chạy
                      Có thể hoán đổi trang được yêu cầu
                           ể        ổ                   ầ
                      Như vậy có thể chạy những tiến trình
                      lớn hơn tổng bộ nhớ sẵn dùng
                      Bộ nhớ chính được gọi là bộ nhớ thực
                      Người dùng ả
                      N ời dù cảm giác bộ nhớ lớ hơn
                                         iá      hớ lớn h
                      bộ nhớ thực


          22 August 2011                                                       67   22 August 2011                                             68




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                                            17
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                                           22 August 2011


          NKK-HUT                                                 NKK-HUT

                     2.6. Hệ thống lưu trữ - RAID                            Đặc điểm của RAID

                                                                              Tập các đĩa cứng vật lý được OS coi như
                                                                              một ổ logic duy nhất     dung lượng lớn
                      Redundant Array of Inexpensive Disks                    Dữ liệu được lưu trữ phân tán trên các ổ
                      Redundant Array of Independent Disks                    đĩa vật lý   truy cập song song (nhanh)
                      Hệ thống nhớ dung lượng lớn                             Có thể sử dụng dung lượng dư thừa để
                                                                              lưu trữ các thông tin kiểm tra chẵn lẻ, cho
                                                                              phép khôi phục lại thông tin trong trường
                                                                              hợp đĩa bị hỏng     an toàn thông tin
                                                                              7 loại phổ biến (RAID 0 – 6)

          22 August 2011                                     69   22 August 2011                                        70




          NKK-HUT                                                 NKK-HUT

                     RAID 0, 1, 2                                            RAID 3 & 4




          22 August 2011                                     71   22 August 2011                                        72




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                                                        18
Bài giảng Hệ thống máy tính                                                                  22 August 2011


          NKK-HUT                                     NKK-HUT

                     RAID 5 & 6                                  Ánh xạ dữ liệu của RAID 0




          22 August 2011                         73   22 August 2011                           74




          NKK-HUT




                                  Hết chương 2




          22 August 2011                         75




Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN                                                                               19

Más contenido relacionado

Destacado

Ngan hang va rui ro trong ngan hang tailieuso.com
Ngan hang va rui ro trong ngan hang  tailieuso.comNgan hang va rui ro trong ngan hang  tailieuso.com
Ngan hang va rui ro trong ngan hang tailieuso.com
Hạnh Ngọc
 

Destacado (13)

bài tập lớn môn quản trị sản xuất
bài tập lớn môn quản trị sản xuấtbài tập lớn môn quản trị sản xuất
bài tập lớn môn quản trị sản xuất
 
PACE CMO - Part 3 - Online Displaying Advertising
PACE CMO - Part 3 - Online Displaying AdvertisingPACE CMO - Part 3 - Online Displaying Advertising
PACE CMO - Part 3 - Online Displaying Advertising
 
Ngan hang va rui ro trong ngan hang tailieuso.com
Ngan hang va rui ro trong ngan hang  tailieuso.comNgan hang va rui ro trong ngan hang  tailieuso.com
Ngan hang va rui ro trong ngan hang tailieuso.com
 
PACE CMO - Part 8 - Relationship Marketing & CRM Tool
PACE CMO - Part 8 - Relationship Marketing & CRM ToolPACE CMO - Part 8 - Relationship Marketing & CRM Tool
PACE CMO - Part 8 - Relationship Marketing & CRM Tool
 
Presentation - [Full] Ky Nang Giao Tiep Hieu Qua
Presentation - [Full] Ky Nang Giao Tiep Hieu Qua Presentation - [Full] Ky Nang Giao Tiep Hieu Qua
Presentation - [Full] Ky Nang Giao Tiep Hieu Qua
 
Bán Hàng Chuyên Nghiệp - Vinalink academy
Bán Hàng Chuyên Nghiệp - Vinalink academyBán Hàng Chuyên Nghiệp - Vinalink academy
Bán Hàng Chuyên Nghiệp - Vinalink academy
 
Quản Lý Rủi Ro - Rủi ro trong môi trường văn hóa - Len Studio
Quản Lý Rủi Ro - Rủi ro trong môi trường văn hóa - Len StudioQuản Lý Rủi Ro - Rủi ro trong môi trường văn hóa - Len Studio
Quản Lý Rủi Ro - Rủi ro trong môi trường văn hóa - Len Studio
 
PACE CMO - Part1 - Internet Marketing & Social Marketing Introduction
PACE CMO - Part1 - Internet Marketing & Social Marketing IntroductionPACE CMO - Part1 - Internet Marketing & Social Marketing Introduction
PACE CMO - Part1 - Internet Marketing & Social Marketing Introduction
 
Training lam chu cuoc song & su nghiep
Training lam chu cuoc song & su nghiepTraining lam chu cuoc song & su nghiep
Training lam chu cuoc song & su nghiep
 
529 _20._ky_nang_xay_dung_va_thuc_hien_5_s
529  _20._ky_nang_xay_dung_va_thuc_hien_5_s529  _20._ky_nang_xay_dung_va_thuc_hien_5_s
529 _20._ky_nang_xay_dung_va_thuc_hien_5_s
 
slide-ppt-tranning-ky-nang-ban-hang-dinh-cao-full-ban-quyen-2015
slide-ppt-tranning-ky-nang-ban-hang-dinh-cao-full-ban-quyen-2015slide-ppt-tranning-ky-nang-ban-hang-dinh-cao-full-ban-quyen-2015
slide-ppt-tranning-ky-nang-ban-hang-dinh-cao-full-ban-quyen-2015
 
Chuyên đề 4 Nghệ thuật lãnh đạo
Chuyên đề 4 Nghệ thuật lãnh đạoChuyên đề 4 Nghệ thuật lãnh đạo
Chuyên đề 4 Nghệ thuật lãnh đạo
 
Kỹ năng giao tiếp Dùng ngôn ngữ tích cực trong Bán hàng và chăm sóc khách hàng
Kỹ năng giao tiếp Dùng ngôn ngữ tích cực trong Bán hàng và chăm sóc khách hàngKỹ năng giao tiếp Dùng ngôn ngữ tích cực trong Bán hàng và chăm sóc khách hàng
Kỹ năng giao tiếp Dùng ngôn ngữ tích cực trong Bán hàng và chăm sóc khách hàng
 

Computer System Part 2

  • 1. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Hệ thống máy tính Nội dung học phần Chương 1. Giới thiệu chung Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ ế Chương 2 Chương 3. Kiến trúc vào-ra KIẾN TRÚC BỘ NHỚ Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 22 August 2011 1 22 August 2011 2 NKK-HUT NKK-HUT Nội dung 2.1. Tổng quan về hệ thống nhớ 1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ 2.1. Tổng quan về hệ thống nhớ Vị trí 2.2. 2 2 Bộ nhớ bán dẫn Bên trong CPU: Bê t CPU tập thanh ghi 2.3. Bộ nhớ chính Bộ nhớ trong: 2.4. Bộ nhớ cache bộ nhớ chính 2.5. Bộ nhớ ảo bộ nhớ cache Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ ộ g ị 2.6. 2 6 Hệ thố l t ữ RAID thống lưu trữ Dung lượng Độ dài từ nhớ (tính bằng bit) Số lượng từ nhớ 22 August 2011 3 22 August 2011 4 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1
  • 2. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) Đơn vị truyền Hiệu năng (performance) Từ nhớ Thời gian truy nhập g y ập Khối nhớ Chu kỳ nhớ Phương pháp truy nhập Tốc độ truyền Truy nhập tuần tự (băng từ) Kiểu vật lý Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa) Bộ nhớ bán dẫn Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) Bộ nhớ từ Truy nhập liên kết (cache) Bộ nhớ quang 22 August 2011 5 22 August 2011 6 NKK-HUT NKK-HUT Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) 2. Phân cấp hệ thống nhớ Các đặc tính vật lý Khả biến / Không khả biến g (volatile / nonvolatile) Xoá được / không xoá được Tổ chức 22 August 2011 7 22 August 2011 8 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
  • 3. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Công nghệ bộ nhớ Ví dụ hệ thống nhớ thông dụng Static RAM (SRAM) 0.5ns – 2.5ns, $2000 – $5000 per GB Dynamic RAM (DRAM) 50ns – 70ns, $20 – $75 per GB Ổ đĩa từ 5ms – 20ms, $0.20 – $2 per GB Bộ nhớ lý tưởng ở Từ trái sang phải: Thời gian truy nhập như SRAM dung lượng tăng dần Dung lượng và giá thành như ổ đĩa cứng tốc độ giảm dần giá thành/1bit giảm dần 22 August 2011 9 22 August 2011 10 NKK-HUT NKK-HUT Nguyên lý cục bộ hoá tham chiếu bộ nhớ 2.2. Bộ nhớ bán dẫn 1. Phân loại Trong một khoảng thời gian đủ nhỏ CPU Kiểu bộ nhớ Tiêu Khả năng xoá Cơ chế ghi Tính thường chỉ tham chiếu các thông tin chuẩn khả biến trong một khối nhớ cục bộ ố Read Only Memory Mặt nạ (ROM) Bộ nhớ Không xoá Ví dụ: Programmable ROM chỉ đọc được (PROM) Cấu trúc chương trình tuần tự Erasable PROM bằng tia cực tím, Không Vòng lặp có thân nhỏ (EPROM) Bộ nhớ cả chip khả biến hầu như Bằng điện g ệ Cấu t ú Cấ trúc dữ liệu mảng liệ ả Electrically Erasable El t i ll E bl chỉ đọc bằng điện, bằ điệ PROM (EEPROM) mức từng byte Flash memory bằng điện, Bộ nhớ từng khối Random Access đọc-ghi bằng điện, Khả biến Bằng điện Memory (RAM) mức từng byte 22 August 2011 11 22 August 2011 12 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
  • 4. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT ROM (Read Only Memory) Các kiểu ROM Bộ nhớ không khả biến ROM mặt nạ: thông tin được ghi khi sản xuất Lưu trữ các thông tin sau: rất đắt Thư viện các chương trình con Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS) PROM (Programmable ROM) Các bảng chức năng Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình chỉ ghi được một lần Vi chương trình EPROM (E (Erasable PROM) bl Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình ghi được nhiều lần Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím 22 August 2011 13 22 August 2011 14 NKK-HUT NKK-HUT Các kiểu ROM (tiếp) RAM (Random Access Memory) Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory) EEPROM (Electrically Erasable PROM) Khả biến Có thể ghi theo từng byte Lưu trữ thông tin tạm thời Xóa bằng điện Có hai loại: SRAM và DRAM Flash memory (Bộ nhớ cực nhanh) (Static and Dynamic) Ghi theo khối Xóa bằng điện ằ 22 August 2011 15 22 August 2011 16 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
  • 5. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT SRAM (Static) – RAM tĩnh DRAM (Dynamic) – RAM động Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop Các bit được lưu trữ trên tụ điện thông tin ổn định cần phải có mạch làm tươi Cấu trúc phức tạp Cấu trúc đơn giản Dung lượng chip nhỏ Dung lượng lớn Tốc độ nhanh Tốc độ chậm hơn Đắt tiền Rẻ tiền hơn Dùng làm bộ nhớ cache Dùng làm bộ nhớ chính 22 August 2011 17 22 August 2011 18 NKK-HUT NKK-HUT Một số DRAM tiên tiến 2. Tổ chức của chip nhớ Sơ đồ cơ bản của chip nhớ Enhanced DRAM Cache DRAM Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc được đồng bộ bởi xung clock DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 22 August 2011 19 22 August 2011 20 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
  • 6. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Các tín hiệu của chip nhớ Tổ chức của DRAM Các đường địa chỉ: An-1 ÷ A0 có 2n từ nhớ Các đường dữ liệu: Dm-1 ÷ D0 độ dài từ Dùng n đường địa chỉ dồn kênh cho nhớ = m bit phép truyền 2n bit địa chỉ Dung lượng chip nhớ = 2n x m bit Tín hiệu chọn địa chỉ hàng RAS Các đường điều khiển: (Row Address Select) Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select) Tín hiệu chọn địa chỉ cột CAS Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable) (Column Address Select) Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable) Dung lượng của DRAM= 22n x m bit (Các tín hiệu điều khiển thường tích cực với mức 0) 22 August 2011 21 22 August 2011 22 NKK-HUT NKK-HUT Chip nhớ 3. Thiết kế mô-đun nhớ bán dẫn Dung lượng chip nhớ 2n x m bit Cần thiết kế để tăng dung lượng: ầ ế ế ể Thiết kế tăng độ dài từ nhớ Thiết kế tăng số lượng từ nhớ Thiết kế kết hợp 22 August 2011 23 22 August 2011 24 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6
  • 7. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Tăng độ dài từ nhớ Ví dụ tăng độ dài từ nhớ VD1: Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit Thiết kế mô-đun nhớ 4K x 8 bit ôđ hớ Giải: Dung lượng chip nhớ = 212 x 4 bit chip nhớ có: 12 chân địa chỉ 4 chân dữ liệu mô-đun nhớ cần có: 12 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu 22 August 2011 25 22 August 2011 26 NKK-HUT NKK-HUT Bài toán tăng độ dài từ nhớ tổng quát Tăng số lượng từ nhớ VD2: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Cho chip nhớ 2n x mbit Thiết kế mô đun nhớ 8K x 8 bit mô-đun Thiết kế mô-đun nhớ 2n x (k.m) bit Giải: Dùng k chip nhớ Dung lượng chip nhớ = 212 x 8 bit chip nhớ có: 12 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu Dung lượng mô-đun nhớ = 213 x 8 bit 13 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu 22 August 2011 27 22 August 2011 28 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7
  • 8. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Tăng số lượng từ nhớ Bài tập 1. Tăng số lượng từ gấp 4 lần: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Thiết kế mô-đun nhớ 16K x 8 bit 2. Tăng số lượng từ gấp 8 lần: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Thiết kế mô-đun nhớ 32K x 8 bit G A Y0 Y1 3. Thiết kế kết hợp: 0 0 0 1 Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit 0 1 1 0 1 x 1 1 Thiết kế mô-đun nhớ 8K x 8 bit 22 August 2011 29 22 August 2011 30 NKK-HUT NKK-HUT Bộ giải mã 2 4 2.3. Bộ nhớ chính 1. Các đặc trưng cơ bản G B A Y0 Y1 Y2 Y3 Chứa các chương trình đang thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng ử 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính 0 1 0 1 1 0 1 Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU 0 1 1 1 1 1 0 Dung lượng của bộ nhớ chính nhỏ hơn không g g g 1 x x 1 1 1 1 gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý. Việc quản lý logic bộ nhớ chính tuỳ thuộc vào hệ điều hành 22 August 2011 31 22 August 2011 32 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8
  • 9. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT 2. Tổ chức bộ nhớ đan xen (interleaved memory) m=8bit một băng nhớ tuyến tính Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ: m = 8, 16, 32, 64,128 ... bit Các ngăn nhớ được tổ chức theo byte tổ chức bộ nhớ vật lý khác nhau 22 August 2011 33 22 August 2011 34 NKK-HUT NKK-HUT m = 16bit hai băng nhớ đan xen m = 32bit bốn băng nhớ đan xen 22 August 2011 35 22 August 2011 36 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 9
  • 10. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT m = 64bit tám băng nhớ đan xen 2.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) 1. Nguyên tắc chung của cache Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ Cache có thể được đặt trên chip CPU 22 August 2011 37 22 August 2011 38 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ về thao tác của cache Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính CPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớ CPU kiểm tra trên cache với dữ liệu này Nếu có, CPU nhận dữ liệu từ cache (nhanh) Nếu không có, đọc Block nhớ chứa dữ liệu từ bộ nhớ chính vào cache ệ ộ Tiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào CPU 22 August 2011 39 22 August 2011 40 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 10
  • 11. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính (tiếp) Cấu trúc chung của cache / bộ nhớ chính (tiếp) Một số Block của bộ nhớ chính được Bộ nhớ chính có 2N byte nhớ nạp vào các Line của cache. Bộ nhớ chính và cache được chia thành Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block ẻ ế các khối có kích thước bằng nhau nào của bộ nhớ chính hiện đang được Bộ nhớ chính: B0, B1, B2, ... , Bp-1 (p Blocks) chứa ở Line đó. Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ, Bộ nhớ cache: L0, L1, L2, ... , Lm-1 (m Lines) có hai khả năng xảy ra: Kích thước của Block = 8 16 32 64 128 b te th ớc 8,16,32,64,128 byte Từ nhớ đó có trong cache (cache hit) Từ nhớ đó không có trong cache (cache miss). 22 August 2011 41 22 August 2011 42 NKK-HUT NKK-HUT 2. Các phương pháp ánh xạ Ánh xạ trực tiếp Mỗi Block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp (Chính là các phương pháp tổ chức bộ vào một Line của cache: nhớ cache) B0 L0 Ánh xạ trực tiếp B1 L1 (Direct mapping) .... Ánh xạ liên kết toàn phần Bm-1 Lm-1 (Fully associative mapping) Bm L0 Bm+1 L1 Ánh xạ liên kết tập hợp .... (Set associative mapping) Tổng quát Bj chỉ có thể nạp vào L j mod m m là số Line của cache. 22 August 2011 43 22 August 2011 44 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11
  • 12. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Minh hoạ ánh xạ trực tiếp Đặc điểm của ánh xạ trực tiếp 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: 2W = kích thước của Block hay Line Trường Line gồm L bit xác định một trong số các Line trong cache: 2L = số Line trong cache = m Trường Tag gồm T bit: T = N - (W+L) Bộ so sánh đơn giản Xác suất cache hit thấp 22 August 2011 45 22 August 2011 46 NKK-HUT NKK-HUT Ánh xạ liên kết toàn phần Minh hoạ ánh xạ liên kết toàn phần 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 22 August 2011 47 22 August 2011 48 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 12
  • 13. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Đặc điểm của ánh xạ liên kết toàn phần Ánh xạ liên kết tập hợp Cache đươc chia thành các Tập (Set) So sánh đồng thời với tất cả các Tag Mỗi một Set chứa một số Line ộ ộ mất nhiều thời gian Ví dụ: Xác suất cache hit cao. 4 Line/Set 4-way associative mapping Bộ so sánh phức tạp. Ánh xạ theo nguyên tắc sau: B0 S0 B1 S1 B2 S2 ....... 22 August 2011 49 22 August 2011 50 NKK-HUT NKK-HUT Minh hoạ ánh xạ liên kết tập hợp Đặc điểm của ánh xạ liên kết tập hợp Kích thước Block = 2W Word Trường Set có S bit dùng để xác định một trong số V = 2S 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 2,4,8,16Lines/Set 22 August 2011 51 22 August 2011 52 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 13
  • 14. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ về ánh xạ địa chỉ Với ánh xạ trực tiếp Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte N = 32 bit Không gian địa chỉ bộ nhớ chính = 4GB Cache = 256 KB = 2 18 byte. Dung lượng bộ nhớ cache là 256KB Line = 32 byte = 25 byte W = 5 bit Kích thước Line (Block) = 32byte. Số Line trong cache = 218/ 25 = 213 Line Xác định số bit của các trường địa chỉ L = 13 bit cho ba trường hợp tổ chức: T = 32 - (13 + 5) = 14 bit Ánh xạ trực tiếp Ánh xạ liên kết toàn phần Ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường 22 August 2011 53 22 August 2011 54 NKK-HUT NKK-HUT Với ánh xạ liên kết toàn phần Với ánh xạ liên kết tập hợp 4 đường Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte N = 32 bit Bộ nhớ chính = 4GB = 232 byte N = 32 bit Line = 32 byte = 25 byte W = 5 bit Line = 32 byte = 25 byte W = 5 bit Số Line trong cache = 2 ố 18/ 25 = 213 Line Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - 5 = 27 bit Một Set có 4 Line = 22 Line số Set trong cache = 213/ 22 = 211 Set S = 11 bit Số bit của trường Tag sẽ là: T = 32 - (11 + 5) g g ( ) = 16 bit 22 August 2011 55 22 August 2011 56 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 14
  • 15. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Bài tập 3. Thuật giải thay thế (1): Ánh xạ trực tiếp Giả thiết rằng máy tính có 128KB cache tổ chức theo kiểu ánh xạ liên kết tập hợp 4-line. Không phải lựa chọn Cache có tất cả là 1024 Set từ S0 đến Mỗi Bl k chỉ á h xạ vào một Line xác Block hỉ ánh à ột Li á S1023. Địa chỉ bộ nhớ chính là 32-bit và đánh địa chỉ cho từng byte. định a) Tính số bit cho các trường địa chỉ khi truy Thay thế Block ở Line đó nhập cache ? b) Xá đị h b t nhớ có địa chỉ 003D02AF(16) Xác định byte hớ ó đị hỉ được ánh xạ vào Set nào của cache ? 22 August 2011 57 22 August 2011 58 NKK-HUT NKK-HUT Thuật giải thay thế (2): Ánh xạ liên kết 4. Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit Được thực hiện bằng phần cứng (nhanh) Random: Thay thế ngẫu nhiên Ghi xuyên qua (Write-through): ghi cả cache và cả bộ nhớ chính FIFO (First In First Out): Thay thế Block nào nằm lâu nhất ở trong Set đó tốc độ chậm LFU (Least Frequently Used): Thay thế Block Ghi trả sau (Write-back): nào trong Set có số lần truy nhập ít nhất trong chỉ ghi ra cache cùng một khoảng thời gian tốc độ nhanh LRU (Least Recently Used): Thay thế Block ở trong Set tương ứng có thời gian lâu nhất không khi Block trong cache bị thay thế cần phải được tham chiếu tới. ghi trả cả Block về bộ nhớ chính Tối ưu nhất: LRU 22 August 2011 59 22 August 2011 60 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 15
  • 16. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT 2.5. Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) Phân trang Khái niệm bộ nhớ ảo: gồm bộ nhớ chính và Phân chia bộ nhớ thành các phần có kích bộ nhớ ngoài mà được CPU coi như là một thước bằng nhau gọi là các khung trang bộ nhớ duy nhất (bộ nhớ chính). Chia chương trình (tiến trình) thành các trang ế Các kỹ thuật thực hiện bộ nhớ ảo: Cấp phát số hiệu khung trang yêu cầu cho Kỹ thuật phân trang (thông dụng): Chia không gian địa chỉ bộ nhớ thành các trang nhớ có kích tiến trình thước bằng nhau và nằm liền kề nhau HĐH duy trì danh sách các khung trang nhớ Thông dụng: kích thước trang = 4KBytes trống Kỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành Tiến trình không yêu cầu các khung trang liên các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn tiếp nhớ có thể gối lên nhau. Sử dụng bảng trang để quản lý 22 August 2011 61 22 August 2011 62 NKK-HUT NKK-HUT Cấp phát các khung trang Địa chỉ logic và địa chỉ vật lý của phân trang 22 August 2011 63 22 August 2011 64 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 16
  • 17. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Nguyên tắc làm việc của bộ nhớ ảo phân trang Thất bại Phân trang theo yêu cầu Quá nhiều tiến trình trong bộ nhớ quá nhỏ Không yêu cầu tất cả các trang của tiến trình nằm HĐH tiêu tốn toàn bộ thời gian cho việc hoán trong bộ nhớ đổi ổ Chỉ nạp vào bộ nhớ những trang được yêu cầu Có ít hoặc không có công việc nào được thực Lỗi trang hiện Trang được yêu cầu không có trong bộ nhớ Đĩa luôn luôn sáng HĐH cần hoán đổi trang yêu cầu vào Giải pháp: p p Có thể cần hoán đổi một trang nào đó ra để lấy chỗ Thuật toán thay trang Cần chọn trang để đưa ra Giảm bớt số tiến trình đang chạy Thêm bộ nhớ 22 August 2011 65 22 August 2011 66 NKK-HUT NKK-HUT Lợi ích Cấu trúc bảng trang Không cần toàn bộ tiến trình nằm trong bộ nhớ để chạy Có thể hoán đổi trang được yêu cầu ể ổ ầ Như vậy có thể chạy những tiến trình lớn hơn tổng bộ nhớ sẵn dùng Bộ nhớ chính được gọi là bộ nhớ thực Người dùng ả N ời dù cảm giác bộ nhớ lớ hơn iá hớ lớn h bộ nhớ thực 22 August 2011 67 22 August 2011 68 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 17
  • 18. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT 2.6. Hệ thống lưu trữ - RAID Đặc điểm của RAID Tập các đĩa cứng vật lý được OS coi như một ổ logic duy nhất dung lượng lớn Redundant Array of Inexpensive Disks Dữ liệu được lưu trữ phân tán trên các ổ Redundant Array of Independent Disks đĩa vật lý truy cập song song (nhanh) Hệ thống nhớ dung lượng lớn Có thể sử dụng dung lượng dư thừa để lưu trữ các thông tin kiểm tra chẵn lẻ, cho phép khôi phục lại thông tin trong trường hợp đĩa bị hỏng an toàn thông tin 7 loại phổ biến (RAID 0 – 6) 22 August 2011 69 22 August 2011 70 NKK-HUT NKK-HUT RAID 0, 1, 2 RAID 3 & 4 22 August 2011 71 22 August 2011 72 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 18
  • 19. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT RAID 5 & 6 Ánh xạ dữ liệu của RAID 0 22 August 2011 73 22 August 2011 74 NKK-HUT Hết chương 2 22 August 2011 75 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 19