Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương: Bộ nhớ và các thiết bị lưu trữ

Kiến trúc máy tính

Bộ nhớ và các thiết bị lưu trữ

NGUYỄN Ngọc Hoá

Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa CNTT

Trường Đại học Công nghệ,

Đại học Quốc gia Hà Nội

16 September 2015

Hoa.Nguyen@vnu.edu.vn

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Bộ nhớ chính

3. Bộ nhớ cache

4. Bộ nhớ ngoài (các thiết bị lưu trữ)

5. Tổng kết và bài tập

Tham khảo chương 4,5,6 của [1]

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

2

1. Khái niệm

 Bộ nhớ: thiết bị có thể bảo quản và khôi phục một thông tin

 Từ nhớ: tập bits có thể được đọc hay ghi đồng thời

 Các kiểu vật liệu nhớ:

 Bán dẫn – semiconductor (register, cache, bộ nhớ chính, …)

 Từ - mangnetic (đĩa mềm, đĩa cứng, …)

 Optic (CD-ROM, DVD-ROM)

 …

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

3

Đặc điểm

1. Vị trí

2. Dung lượng

3. Đơn vị truyền

4. Kiểu truy cập

5. Hiệu năng

6. Kiểu vật liệu

7. Đặc trưng vật liệu

8. Tổ chức

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

4

Đặc điểm…

 Vị trí

 CPU

 Internal

 External

 Dung lượng

 Phụ thuộc vào kích thước từ nhớ, và

 Số lượng từ nhớ

 Đơn vị truyền

 Bên trong: phụ thuộc vào độ rộng bus dữ liệu

 Bên ngoài: block(>từ nhớ)

 Đơn vị có thể đánh địa chỉ được

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

5

Đặc điểm…

 Kiểu truy cập

 Tuần tự: VD băng từ

 Trực tiếp:

 Mỗi 1 block có 1 địa chỉ duy nhất

 Truy cập = cách nhảy đến vùng lân cập và tìm tuần tự

 Thời gian truy cập vào vị trị hiện tại hiện tại và trước đó

 VD: HardDisk, Floppy Disk,…

 Ngẫu nhiên:

 Mỗi địa chỉ xác định chính xác một vị trí

 Thời gian truy cập không phụ thuộc vào vị trí cũng như lần truy cập trước

 VD: RAM, …

 Kết hợp:

 Một từ được định vị thông qua việc sử dụng một phần nội dung của từ đó

 Thời gian truy cập không phụ thuộc vào vị trí cũng như lần truy cập trước

 VD: cache, …

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

6

Đặc điểm…

 Chiến thuật phân cấp bộ nhớ: How much? How fast? How

expensive?

 Registers

 L1 Cache

 L2 Cache

 Main memory

 Disk cache

 Disk

 Optical

 Tape

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

7

Đặc điểm…

 Hiệu năng:

 Thời gian truy cập: khoảng thời gian từ khi gửi địa chỉ cho đến khi thu

được dữ liệu trọn vẹn

 Thời gian chu trình nhớ - Memory Cycle Time:

 Thời gian bộ nhớ đòi hỏi để “hồi phục” trước lần truy cập kế tiếp

 = access + recovery

 Tốc độ chuyển dữ liệu

 Kiểu vật liệu:

 Semiconductor :RAM

 Magnetic: Disk & Tape

 Optical: CD & DVD

 Others: Bubble, Hologram

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

8

Đặc điểm…

 Đặc trưng vật liệu:

 Phân rã - Decay

 Dễ thay đổi - Volatility

 Có thể xoá được - Erasable

 Năng lượng tiêu thụ

 Tổ chức:

 Cách thức sắp xếp các bits trong một từ

 Thường không rõ ràng

 VD: interleaved

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

9

2. Bộ nhớ chính

 Bộ nhớ bên trong máy tính

 Semi-conductor

 Truy cập ngẫu nhiên

 Kiểu:

 RAM- Random Access Memory: lưu giữ những dữ liệu tạm thời

 ROM – Read Only Memory: lưu giữ thông tin cố định

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

10

Read Only Memory (ROM)

 Lưu giữ thông tin cố định - permanent storage, nonvolatile

 Microprogramming

 Library subroutines

 Systems programs (BIOS)

 Function tables

 Kiểu:

 Written during manufacture



Very expensive for small runs

 Programmable (once)



PROM



Needs special equipment to program

 Read “mostly”



Erasable Programmable (EPROM)

 Erased by UV

Electrically Erasable (EEPROM)

 Takes much longer to write than read

Flash memory

 Erase whole memory electrically

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

11

RAM

 DRAM – Dynamic RAM

 Bits được lưu trữ trong các tụ điện

 Đơn giản, kích thước bé, giá thành rẻ

 Chậm, cần 1 chu trình làm tươi ngay cả khi đã được cung cấp nguồn

 SRAM – Static RAM

 Bits được lưu trong các flip-flops

 Không cần làm tươi, có tốc độ cao

 Phức tạp, kích thước to hơn, giá thành cao

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

12

Dynamic RAM

 Đường địa chỉ được kích hoạt khi đọc/ghi bit

 Transistor switch closed (current flows)

 Ghi

 Voltage to bit line

 High for 1 low for 0

 Then signal address line

 Transfers charge to capacitor

 Đọc

 Address line selected

 transistor turns on

 Charge from capacitor fed via bit line to sense amplifier

 Compares with reference value to determine 0 or 1

 Capacitor charge must be restored

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

13

Destructive Read

sense amp

bitline

V_dd

1

0

voltage

Wordline Enabled

Sense Amp Enabled

After read of 0 or 1, cell contains

something close to 1/2

V_dd

storage

cell voltage

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

14

Cơ chế làm tươi - refresh

 Sau khi đọc, nội dung của DRAM cell đã bị thay đổi

 Lưu các giá trị cells trong bộ đệm hàng row buffer

 Ghi lại các giá trị đó cho các cells trong lần đọc kế tiếp

DRAM cells

Sense Amps

Row Buffer

 Thực tế, DRAM cell sẽ mất nội dung

ngay cả khi không có tác vụ đọc

 lý do được gọi là “dynamic”

1

0

 Vì thế các cells trong DRAM cần được

Gate Leakage

định kỳ đọc và ghi lại nội dung

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

15

Static RAM

 Transistor arrangement gives stable logic state

 State 1

 C₁high, C₂low

 T₁T₄off, T₂T₃on

 State 0

 C₂high, C₁low

 T₂T₃off, T₁T₄on

 Address line transistors T₅T₆is switch

 Write – apply value to B & compliment to B

 Read – value is on line B

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

16

SRAM vs. DRAM

 Cả hai đều có tính chất volatile

 Cần cung cấp năng lượng để bảo quản dữ liệu

 Dynamic cell

 Đơn giản, kích thước nhỏ gọn

 Mật độ cell cao

 Chi phí thấp

 Cần chu kỳ làm tươi

 Cho phép kết hợp thành các đơn vi nhớ lớn

 Static

 Nhanh hơn, cồng kềnh hơn

 Cho phép xây dựng các bộ nhớ Cache

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

17

Synchronous DRAM (SDRAM)

 Truy cập được đồng bộ hoá với một đồng hồ bên ngoài

 Địa chỉ được truyền đến RAM

 RAM tìm dữ liệu (CPU đợi như DRAM thông thường)

 Khi SDRAM chuyển dữ liệu theo thời gian đồng bộ với system clock,

CPU biết được khi nào dữ liệu sẵn sàng

=> CPU không cần phải chờ và có thể làm việc khác

 Burst mode: cho phép SDRAM thiết lập dòng dữ liệu theo từng block

 Chỉ chuyển dữ liệu 1 lần trong 1 chu kỳ đồng hồ

 DDR-SDRAM - Double-data-rate 1 SDRAM

 Gửi dữ liệu 2 lần trong một chu kỳ đồng hồ (leading & trailing edge)

 DDR2-SDRAM - Double-data-rate 2 SDRAM

 DDR3-SDRAM - Double-data-rate 3 SDRAM

 Cache DRAM: (misubishi)

 Tích hợp SRAM cache (16k) vào trong DRAM chip

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

18

DRAM Read Timing

Việc truy cập là không đồng

bộ: được kiểm soát bởi các

tín hiệu RAS & CAS, các tín

hiệu này có thể được sinh ra

ngẫu nhiên

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

19

SDRAM Read Timing

Double-Data Rate (DDR) DRAM

transfers data on both rising and

falling edge of the clock

Command frequency

does not change

Burst Length

Timing figures taken from “A Performance Comparison of Contemporary

DRAM Architectures” by Cuppu, Jacob, Davis and Mudge

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

20

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương: Bộ nhớ và các thiết bị lưu trữ - Nguyễn Ngọc Hóa