Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ Cache - Nguyễn Hằng Phương
+
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
2
Chương 4
Bộ nhớ Cache
4.1 Tổng quan Hệ thống bộ nhớ máy tính
Các đặc tính của hệ thống bộ nhớ
Phân cấp bộ nhớ
4.2 nguyên tắc Bộ nhớ Cache
4.3 Các thành phần của Thiết kế Cache
Cache Addresses
Cache Size
+
Ánh xạ Chức năng
Các thuật toán thay thế
Chính sách ghi
Kích thước line
Số bộ nhớ Cache
4.4 Tổ chức Cache Pentium 4
NỘI DUNG
3
4
Đặc điểm chính của hệ thống bộ nhớ
máy tính
Bảng 4.1 Các đặc điểm chính của hệ thống bộ nhớ máy tính
5
+
Đặc điểm của hệ thống bộ nhớ
Vị trí
Bộ nhớ có thể ở trong và ngoài máy tính
Bộ nhớ trong thường tương đương với bộ nhớ chính
Bộ xử lý cần có bộ nhớ cục bộ riêng của nó, dưới dạng thanh ghi
Cache là một dạng khác của bộ nhớ trong
Bộ nhớ ngoài bao gồm các thiết bị lưu trữ ngoại vi có thể truy cập
vào bộ xử lý thông qua bộ điều khiển I / O
Dung lượng
Bộ nhớ thường được biểu diễn dưới dạng byte
Đơn vị truyền
Đối với bộ nhớ trong, đơn vị truyền bằng số lượng đường dây điện
đi vào và ra khỏi module bộ nhớ
6
Phương pháp truy cập các khối dữ liệu
Truy cập
tuần tự
Truy cập
trực tiếp
Truy cập
ngẫu nhiên
Kết hợp
Mỗi vị trí trong
bộ nhớ có một
cơ chế định địa
chỉ riêng
1 từ được lấy ra
dựa trên 1 phần
nội dung chứ
không dựa trên
địa chỉ của nó
Bộ nhớ được
tổ chức thành
các đơn vị dữ
liệu - records
Dùng cơ chế
đọc-ghi chia
sẻ
Thời gian truy
cập vào 1 vị trí
nhất định không
đổi, không phụ
thuộc vào chuỗi
các truy cập
các block
hoặc record
có địa chỉ duy
nhất dựa trên
vị trí thực tế
Truy cập phải
thực hiện theo
một dãy tuần
tự
mỗi vị trí có cơ
chế định địa chỉ
riêng; thời gian
truy cập không
đổi, không phụ
thuộc vị trí hoặc
các mẫu truy
trước đó
1 vị trí bất kỳ có
thể được lựa
chọn ngẫu nhiên,
đánh địa chỉ và
truy cập trực tiếp
Thời gian truy
cập biến động
cập trước
Thời gian truy
cập biến
động
Bộ nhớ cache
có thể sử dụng
truy cập kết hợp
Bộ nhớ chính và
một số hệ thống
cache là truy
cập ngẫu nhiên
7
Dung lượng và Hiệu năng:
Hai đặc điểm quan trọng nhất của bộ nhớ
Ba tham số hiệu năng được sử dụng:
Thời gian truy cập
Chu kỳ bộ nhớ
(độ trễ)
Tốc độ truyền tải
• Thời gian truy cập cộng
với thời gian cần trước
khi truy cập thứ hai có
thể bắt đầu
• Liên quan đến hệ thống
bus, không liên quan
bộ xử lý
• Đối với bộ nhớ truy
cập ngẫu nhiên, nó
là thời gian cần để
thực hiện 1 thao tác
đọc hoặc ghi
• Đối với bộ nhớ truy
cập không ngẫu
nhiên, nó là thời gian
cần để đặt cơ chế
đọc-ghi đến vị trí
mong muốn
• Tốc độ truyền dữ
liệu vào hoặc ra
khỏi bộ nhớ
• Đối với bộ nhớ truy
cập ngẫu nhiên,
tốc độ truyền tải
bằng 1/(chu kỳ)
8
+
Bộ nhớ
- Các dạng phổ biến nhất: Bộ nhớ bán dẫn, Bộ nhớ bề mặt
từ, Bộ nhớ quang, Bộ nhớ quang từ
- Với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, vấn đề quan trọng khi
thiết kế là tổ chức hay sự sắp xếp vật lý của các bit để tạo
thành các từ word
9
+
Bộ nhớ
Một số đặc điểm vật lý quan trọng của lưu trữ dữ liệu:
Bộ nhớ khả biến (Volatile memory)
Thông tin bị phân rã tự nhiên hoặc bị mất khi nguồn điện tắt
Bộ nhớ bất biến (Non-volatile memory)
Thông tin một khi đã được ghi thì sẽ không bị hư hỏng cho
đến khi được cố tình thay đổi
Không cần cấp điện để giữ lại thông tin
Bộ nhớ bề mặt từ (Magnetic-surface memories)
Bất biến
Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor memory)
Khả biến hoặc bất biến
Bộ nhớ không xoá được (Nonerasable memory)
Không thể thay đổi, trừ khi phá hủy các khối lưu trữ
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) là bộ nhớ bán dẫn thuộc loại này
10
+
Phân cấp bộ nhớ
Thiết kế bộ nhớ của máy tính cần trả lời ba câu hỏi:
How much, how fast, how expensive
Cần có sự cân đối giữa dung lượng, thời gian truy cập và chi
phí
Thời gian truy cập nhanh hơn, chi phí lớn hơn cho mỗi bit
Dung lượng lớn hơn, chi phí nhỏ hơn cho mỗi bit
Dung lượng lớn hơn, thời gian truy cập chậm hơn
Giải pháp cho tình trạng khó xử khi thiết kế bộ nhớ:
Không dựa vào một thành phần hoặc công nghệ bộ nhớ
Sử dụng một hệ thống phân cấp bộ nhớ
11
+
Bộ nhớ
- Sơ đ
a. Giảm chi phí cho mỗi bit
b. Tăng dung lượng
c. Tăng thời gian truy cập
dài hơn
d. Giảm tần suất truy cập
bộ nhớ của bộ vi xử lý
+
2. NGUYÊN LÝ BỘ NHỚ CACHE
12
13
Bộ nhớ cache và bộ nhớ chính
BXL kiểm tra
xem từ có trong
cache hay
không:
- Nếu có, cache
gửi từ này đến
BXL (nhanh)
- Nếu không,
cache đọc 1
block trong bộ
nhớ chính, rồi
cache gửi word
đến BXL
14
Cấu trúc bộ nhớ chính/cache
15
ọc
16
+
Tổ chức bộ nhớ cache điển hình
17
3. Các yếu tố khi Thiết kế Cache
Table 4.2 Elements of Cache Design
18
+
Địa chỉ bộ nhớ cache
Bộ nhớ ảo
Cơ sở cho phép các chương trình định địa chỉ bộ nhớ theo
quan điểm logic, không liên quan đến số lượng bộ nhớ
chính vật lý có sẵn
Khi bộ nhớ ảo được sử dụng, trường địa chỉ trong lệnh
chứa địa chỉ ảo
Để đọc ra và ghi vào bộ nhớ chính, một khối phần cứng
quản lý bộ nhớ (memory management unit - MMU) sẽ
dịch từng địa chỉ ảo sang địa chỉ vật lý trong
bộ nhớ chính
+
Cache vật lý
và
cache logic
Ưu điểm? Nhược điểm?
20
Bảng 4.3
Kích
thước
cache
trong
một số
bộ xử lý
a, Hai giá trị cách
nhau bằng dấu /
là cache lệnh và
cache dữ liệu.
b, Cả hai cache
đều là cache lệnh;
Không có cache
dữ liệu.
Tải về để xem bản đầy đủ
52 trang
12/04/2022
5980
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ Cache - Nguyễn Hằng Phương", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_4_bo_nho_cache_nguyen_ha.pdf
