Bài giảng Kiến trúc máy tính: Phần 2 - ĐH Sư phạm kỹ thuật Nam Định

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Kiến trúc máy tính: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Bộ nhớ và các hệ thống lưu trữ; Hệ thống BUS và tổ chức vào/ ra. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kiến trúc máy tính: Phần 2 - ĐH Sư phạm kỹ thuật Nam Định CHƢƠNG 4 : BỘ NHỚ VÀ CÁC HỆ THỐNG LƢU TRỮ 4.1. Khái niệm và phân cấp bộ nhớ 4.1.1 Khái niệm Bộ nhớ là một trong các thành phần quan trọng nhất của máy tính điện tử, được dùng để lưu trữ các lệnh sẽ được thực hiện cũng như dữ liệu. Bộ nhớ được xây dựng từ các phần tử nhớ cơ bản như flip-flop hay các tụ điện. 4.1.2. Phân cấp bộ nhớ Các đặc tính như lượng thông tin lưu trữ, thời gian thâm nhập bộ nhớ, chu kỳ bộ nhớ, giá tiền mỗi bit nhớ khiến ta phải phân biệt các cấp bộ nhớ: các bộ nhớ nhanh với dung lượng ít đến các bộ nhớ chậm với dung lượng lớn (hình 4.1) Hình 4. 1. Các cấp bộ nhớ - Tập thanh ghi: Các thanh ghi bên trong CPU có thể coi là một trường hợp đặc biệt của bộ nhớ. Mức nhớ này truy nhập nhanh nhất và dễ dàng nhất, do vậy đây có thể xem là mức 0 của toàn bộ sự phân cấp bộ nhớ. - Bộ nhớ Cache: Cache được dùng để tăng tốc độ trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ chính, nên được gọi là bộ nhớ đệm truy nhập nhanh. - Bộ nhớ chính (Main memory): là hệ thống nhớ được địa chỉ hoá trực tiếp bởi CPU, bao gồm bộ nhớ ROM, RAM. - Bộ nhớ ngoài (External Memory) Là hệ thống nhớ chứa thư viện chương trình và dữ liệu. Có dung lượng lớn nhưng tốc độ chậm. Dung lượng: Từ vài chục MB đến vài GB. Nhận xét Ta thấy trên hình 4.1, từ trái sang phải các cấp bộ nhớ có đặc điểm sau: - Dung lượng giảm dần. - Tộc độ giảm dần. - Tần suất CPU truy nhập giảm dần. 112 - Giá thành /1 bit giảm dần. Các đặc tính chính của các cấp bộ nhớ dẫn đến hai mức chính là: mức cache - bộ nhớ trong và mức bộ nhớ ảo (bao gồm bộ nhớ trong và không gian cấp phát trên đĩa cứng) (hình 4.2). Cách tổ chức này trong suốt đối với người sử dụng. Người sử dụng chỉ thấy duy nhất một không gian định vị ô nhớ, độc lập với vị trí thực tế của các lệnh và dữ liệu cần thâm nhập. Hình 4. 2. Hai mức bộ nhớ Các cấp bộ nhớ giúp ích cho người lập trình muốn có một bộ nhớ thật nhanh với chi phí đầu tư giới hạn. Vì các bộ nhớ nhanh đắt tiền nên các bộ nhớ được tổ chức thành nhiều cấp, cấp có dung lượng ít thì nhanh nhưng đắt tiền hơn cấp có dung lượng cao hơn. Mục tiêu của việc thiết lập các cấp bộ nhớ là người dùng có một hệ thống bộ nhớ rẻ tiền như cấp bộ nhớ thấp nhất và gần nhanh như cấp bộ nhớ cao nhất. Các cấp bộ nhớ thường được lồng vào nhau. Mọi dữ liệu trong một cấp thì được gặp lại trong cấp thấp hơn và có thể tiếp tục gặp lại trong cấp thấp nhất. Chúng ta có nhận xét rằng, mỗi cấp bộ nhớ có dung lượng lớn hơn cấp trên mình, ánh xạ một phần địa chỉ các ô nhớ của mình vào địa chỉ ô nhớ của cấp trên trực tiếp có tốc độ nhanh hơn, và các cấp bộ nhớ phải có cơ chế quản lý và kiểm tra các địa chỉ ánh xạ. 4.2. Các đặc điểm của bộ nhớ Các đặc trưng chính của hệ thống nhớ máy tính bao gồm: Vị trí, dung lượng, đơn vị truyền, phương pháp truy nhập, hiệu suất, kiểu vật lý, đặc tính vật lý, cách tổ chức. Vị trí (Location) 113 Bộ nhớ máy tính bao gồm cả hai loại bộ nhớ trong và ngoài. Bộ nhớ trong của máy tính thường được đề cập đến như bộ nhớ chính. Bộ nhớ ngoài của máy tính gồm các thiết bị lưu trữ ngoại vi, như đĩa và băng từ. Dung lƣợng (Capacity) Với bộ nhớ trong, dung lượng thường được biểu diễn dưới dạng byte hay word. Các độ dài word phổ biến là 8, 16 và 32 bit. Bộ nhớ ngoài có dung lượng được biểu thị theo byte. Đơn vị truyền (Unit of Transfer) Với bộ nhớ trong, đơn vị truyền bằng với số đường dữ liệu vào/ ra khỏi mô-đun bộ nhớ. Giá trị ngày thường bằng với độ dài của một word, nhưng cũng có thể khác. - Truyền theo từ nhớ (bộ nhớ trong). - Truyền theo khối nhớ (bộ nhớ ngoài). Phƣơng pháp truy nhập (Access Method) Đây là một trong những yếu tố rõ nhất giúp phân biệt các kiểu bộ nhớ. Có bốn loại phương pháp truy nhập. - Truy nhập tuần tự (băng từ): Bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vị dữ liệu gọi là bản ghi. Việc truy nhập phải được thực hiện theo một dãy tuyến tính cụ thể. Thông tin địa chỉ được lưu trữ được dùng để phân tách các bản ghi và hỗ trợ quá trình tìm kiếm lấy thông tin. Một bộ phận đọc/ ghi dùng chung được sử dụng. Bộ phận này phải được di chuyển từ vị trí hiện thời của nó đến vị trí được yêu cầu, quét qua và từ chối các bản ghi trung gian. Do đó, thời gian để truy nhập một bản ghi tùy ý biến đổi khá cao. Các đơn vị băng từ là các đơn vị có dạng truy nhập tuần tự - Truy nhập trực tiếp (đĩa từ, đĩa quang): Cũng như với truy nhập tuần tự, truy nhập trực tiếp bao gồm việc dùng chung một bộ phận đọc/ ghi. Tuy nhiên, các khối hay bản ghi riêng lẻ có một địa chỉ duy nhất dựa trên vị trí vật lý. Việc truy nhập được thực hiện thông qua truy nhập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm hay chờ để đến được vị trí cuối cùng. Một lần nữa, thời gian truy nhập là biến đổi. - Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ chính): Mỗi trị trí khả định địa chỉ trong bộ nhớ có một cơ chế định địa chỉ vật lý duy nhất. Thời gian truy nhập một vị trí cho trước độc lập với dãy các truy nhập trước đó và không thay đổi. Do đó, bất kỳ một vị trí nào cũng có thể được chọn ngẫu nhiên và được định địa chỉ cũng như truy nhập trực tiếp. - Truy nhập liên kết (bộ nhớ Cache): Đây là kiểu truy nhập ngẫu nhiên bộ nhớ cho phép thực hiện việc so sánh các ví trí bit có yêu cầu trong một word phục vụ cho việc đối chiếu đặc biệt nào đó, và có thể thực hiện thao tác này cùng một lúc cho tất cả các word. Do đó, một word được trích ra dựa trên một phần nội dung của nó chứ không phải dựa trên địa chỉ. Tương tự với phương thức truy nhập ngẫu nhiên thông 114 thường, mỗi vị trí nhớ có cơ chế định địa chỉ riêng, và thời gian lấy thông tin không đổi ...