Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ trong

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

Giảng viên:

Điện thoại/E-mail:

TS. Hoàng Xuân Dậu

dau@ekabiz.vn

Bộ môn:

Khoa học máy tính - Khoa CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 2 năm học 2009-2010

NỘI DUNG

1. Giới thiệu về bộ nhớ trong và cấu trúc

phân cấp của bộ nhớ

2. Phân loại bộ nhớ và tổ chức mạch nhớ

3. ROM

4. RAM

5. Bộ nhớ cache

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 2BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

6. Câu hỏi ôn tập

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 3BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.1 Hệ thống nhớ - mô hình phân cấp

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 4BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.1 Hệ thống nhớ - tham số

4.1 Hệ thống nhớ - Các thành phần

 CPU registers (các thanh ghi của CPU):

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 5BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

. Dung lượng rất nhỏ, khoảng từ vài chục bytes đến vài KB

. Tốc độ truy nhập rất cao (các thanh ghi hoạt động với tốc độ của

CPU); thời gian truy nhập khoảng 0,25ns

. Giá thành đắt

. Sử dụng để lưu toán hạng đầu vào và kết quả của các lệnh.

 Cache (bộ nhớ cache):

. Dung lượng tương đối nhỏ (khoảng 64KB đến 16MB)

. Tốc độ truy nhập cao; thời gian truy nhập khoảng 1-5ns

. Giá thành đắt

. Còn được gọi là “bộ nhớ thông minh” (smart memory) .Sử dụng để

lưu lệnh và dữ liệu cho CPU xử lý.

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 6BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.1 Hệ thống nhớ - Các thành phần

Main memory (bộ nhớ chính):

. Gồm ROM và RAM, có kích thước khá lớn; với hệ thống 32 bít, dung

lượng khoảng 256MB-4GB

. Tốc độ truy nhập chậm; thời gian truy nhập khoảng 50-70ns

. Giá thành tương đối rẻ

. Sử dụng để lưu lệnh và dữ liệu của hệ thống và của người dùng

Secondary memory (bộ nhớ thứ cấp – bộ nhớ ngoài):

. Có dung lượng rất lớn, khoảng từ 20GB-1000GB

. Tốc độ truy nhập rất chậm; thời gian truy nhập khoảng 5ms

. Giá thành rẻ

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 7BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

. Sử dụng để lưu dữ liệu lâu dài dưới dạng các tệp (files)

4.1 Hệ thống nhớ - Vai trò của mô hình phân cấp

 Tăng hiệu năng hệ thống

. Dung hoà được CPU có tốc độ cao và phần bộ nhớ chính và bộ nhớ

ngoài có tốc độ thấp;

. Thời gian trung bình CPU truy nhập dữ liệu từ hệ thống nhớ tiệm cận

thời gian truy nhập cache.

 Giảm giá thành sản xuất

. Các thành phần đắt tiền (thanh ghi và cache) được sử dụng với dung

lượng nhỏ;

. Các thành phần rẻ tiền hơn (bộ nhớ chính và bộ nhớ ngoài) được sử

dụng với dung lượng lớn;

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 8BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

tổng giá thành của hệ thống nhớ theo mô hình phân cấp sẽ rẻ hơn

so với hệ thống nhớ không phân cấp có cùng tốc độ.

4.2 Phân loại bộ nhớ

 Dựa trên kiểu truy nhập:

. Random Access Memory (RAM): bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

. Serial Access Memory (SAM) : bộ nhớ truy nhập tuần tự

. Read Only Memory (ROM): bộ nhớ chỉ đọc Dựa trên khả

năng duy trì dữ liệu:

. Volatile memory: bộ nhớ không ổn định; thông tin mất khi mất nguồn

nuôi: RAM.

. Non-volatile memory: bộ nhớ ổn định; thông tin vẫn được duy trì khi

mất nguồn nuôi: ROM,HDD,...

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 9BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY

TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

 Dựa trên công nghệ chế tạo:

. Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor memory): ROM, RAM

. Bộ nhớ từ tính (Magnetic memory): HDD, FDD, băng từ

. Bộ nhớ quang học (Optical memory): CD, DVD

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 10BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.2 Tổ chức mạch nhớ

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 11BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 12BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.2 Tổ chức mạch nhớ

Address lines:

. Các đường địa chỉ kết nối với bus A;

. Chuyển tín hiệu địa chỉ từ CPU đến mạch nhớ Address

decoder:

. Bộ giải mã địa chỉ

. Sử dụng tín hiệu địa chỉ để chọn ra và kích hoạt ô nhớ/dòng

nhớ cần truy nhập. Data lines:

. Các đường dữ liệu kết nối với bus D;

. Truyễn dữ liệu từ bộ nhớ về CPU và ngược lại.

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 13BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.2 Tổ chức mạch nhớ

 Chip select (CS):

. Chân tín hiệu chọn chip;

. Chip nhớ được kích hoạt khi CS = 0; Thông thường, CPU chỉ có thể

làm việc với một chip nhớ tại một thời điểm.

 Write enable (WE):

. Chân tín hiệu cho phép ghi;

. Cho phép ghi vào dòng nhớ khi WE = 0.

 Read enable (RE):

. Chân tín hiệu cho phép đọc;

. Cho phép đọc dữ liệu từ dòng nhớ khi RE = 0.

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 14BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.3 Bộ nhớ ROM – Giới thiệu

 ROM là bộ nhớ chỉ đọc (Read Only Memory)

. Việc ghi thông tin vào ROM chỉ có thể được thực hiện bằng các thiết

bị hoặc phương pháp đặc biệt;

 ROM là bộ nhớ ổn định

. Thông tin trong ROM vẫn được duy trì khi mất nguồn nuôi

 ROM là bộ nhớ bán dẫn: mỗi ô nhớ của ROM là một cổng

bán dẫn

 ROM thường được sử dụng để lưu các thông tin của hệ

thống:

. Các thông tin về phần cứng hệ thống và BIOS (Basic Input Output

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 15BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

System – hệ thống vào ra cơ sở).

4.3 Bộ nhớ ROM – Ví dụ

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 16BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.3 Bộ nhớ ROM – Các loại ROM

 ROM nguyên thuỷ (Ordinary ROM):

. ROM các thế hệ đầu tiên;

. Sử dụng tia cực tím để ghi thông tin vào ROM

 PROM (Programmable ROM):

. ROM có thể lập trình được;

. Thông tin có thể được ghi vào PROM nhờ một thiết bị đặc biệt gọi là

bộ lập trình PROM.

 EPROM (Erasable programmable read-only memory):

. Là ROM có thể lập trình và xoá được;

. Thông tin trong EPROM có thể xoá được sử dụng tia cực tím có

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 17BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

cường độ cao.

4.3 Bộ nhớ ROM – Các loại ROM

EEPROM: (Electrically Erasable PROM):

. Là PROM có thể xoá được thông tin bằng điện

. Có thể ghi được thông tin sử dụng phần mềm chuyên dụng

Flash memory:

. Là một dạng EEPROM nhưng có tốc độ ghi và đọc thông tin nhanh

hơn.

. Bộ nhớ flash chỉ có thể đọc/ghi theo khối.

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 18BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.4 Bộ nhớ RAM – Giới thiệu

 RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

. Mỗi ô nhớ của RAM có thể được truy nhập một cách ngẫu nhiên không theo

trật tự nào;

. Tốc độ truy nhập các ô nhớ là tương đương.

 RAM là bộ nhớ không ổn định:

. Tất cả thông tin trong RAM sẽ bị mất khi mất nguồn nuôi

 RAM là bộ nhớ bán dẫn: mỗi ô nhớ của RAM là một cổng bán dẫn

 RAM được sử dụng để lưu các thông tin của hệ thống và của

người dùng:

. Thông tin của hệ thống: thông tin phần cứng và hệ điều hành

. Thông tin của người dùng: các chương trình ứng dụng và dữ liệu.

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 19BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 4 – BỘ NHỚ TRONG

4.4 RAM – Các loại RAM

Hai loại RAM cơ bản:

. RAM tĩnh (Static RAM – SRAM):

• Mỗi bít SRAM là một mạch lật – flip-flop

• Thông tin lưu trong các bit SRAM luôn ổn định và không phải “làm

tươi” định kỳ

• SRAM nhanh hơn nhưng đắt hơn DRAM.

. RAM động (Dynamic RAM – DRAM):

• Mỗi bít DRAM dựa trên một tụ điện

• Thông tin lưu trong các bit DRAM không ổn định và phải được

“làm tươi” định kỳ

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 20BỘ MÔN: KHOA HỌC

MÁY TÍNH - KHOA CNTT1

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ trong - Hoàng Xuân Dậu