4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH
Các đặc trưng của hệ thống bộ nhớ
Các đặc trưng chính của hệ thống bộ nhớ máy tính bao gồm:
Vị trí
Dung lượng
Đ
ơn vị truyềnPhương thức truy cập
Hiệu suất
Kiểu vật lý
Đặc
tính vật lýCách tổ chức
Các mục tiếp sau sẽ trình bày một cách chi tiết về ý nghĩa và tầm quan trọng của từng đặc trưng nói trên.
Vị trí
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, vốn c� thể truy cập được đối với CPU th�ng qua c�c bộ điều khiển nhập/xuất.
Dung lượng
Với bộ nhớ trong, dung lượng thường được biểu diễn dưới dạng byte. [1 byte = 8 bit] 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.
Đ
ơn vị truyềnVới bộ nhớ trong, đơn vị truyền bằng với số đường dữ liệu vào/ra khỏi module bộ nhớ. Giá trị này thường bằng với độ dài của một word, nhưng cũng có thể không. Để hiểu rõ hơn khái niệm này, chúng ta hãy xem xét ba khái niệm có liên quan đến bộ nhớ trong:
Word:
Đơn vị tự nhiên của tổ chức máy tính. Kích thước của một word thường bằng với số bit được sử dụng để biểu diễn một số hay độ dài của chỉ thị. Tuy nhiên có rất nhiều ngoại lệ. Lấy ví dụ, máy CRAY-1 có độ dài word 64 bit trong khi có biểu diễn số nguyên 24 bit. Máy VAX có nhiều loại độ dài chỉ thị dưới dạng bội số của byte, và có kích thước word 32 bit.Các đơn vị khả định địa chỉ:
Trong nhiều hệ thống, đơn vị khả định địa chỉ là word. Mặc dù vậy, có một số hệ thống cho phép định địa chỉ ở mức byte. Trong mọi trường hợp, mối quan hệ giữa độ dài A của một địa chỉ và số N các đơn vị khả định địa chỉ là 2A = N.Đ
ơn vị truyền: Đối với bộ nhớ ch�nh, đ�y là số bit đọc/ghi vào bộ nhớ tại một thời điểm. Đơn vị truyền không nhất thiết bằng một word hay một đơn vị khả định địa chỉ. Với bộ nhớ ngoài, dữ liệu thường được truyền theo những đơn vị lớn hơn nhiều so với word và được gọi là khối.Phương thức truy cập
�y l
à một trong những yếu tố rõ nhất giúp phân biệt các kiểu bộ nhớ. Có bốn loại phương thức truy cập:Truy cập tuần tự:
Bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vị dữ liệu gọi là bản ghi. Việc truy cập phải được thực hiện theo một dãy tuyến tính cụ thể. Thông tin địa chỉ được lưu trữ được dùng để ph�n t�ch c�c 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 tr� được yêu cầu, quét qua và từ chối các bản ghi trung gian. Do đ�, thời gian để truy cập một bản ghi tùy ý biến đổi kh� cao. C�c đơn vị băng từ, được thảo luận trong chương 5, là các đơn vị có dạng truy cập tuần tự.Truy cập trực tiếp:
Cũng như với truy cập tuần tự, truy cập 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 cập được thực hiện thông qua truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để đến được vị trí cuối cùng. Một lần nữa, thời gian truy cập là biến đổi. C�c đơn vị đĩa được trình bày trong chương 5 là các đơn vị truy cập trực tiếp.Truy cập ngẫu nhiên:
Liên kết:
Đ�y là kiểu truy cập ngẫu nhiên bộ nhớ cho phép thực hiện việc so sánh các vị trí bit có yêu cầu trong một word phục vụ cho việc đối s�nh đặc biệt nào đ�, và có thể thực hiện thao tác này cùng một lúc cho tất cả các word. Do đ� một word được trích ra dựa trên một phần nội dung của nó chứ không phải dựa trên địa chỉ. Tương tự như với phương thức truy cập ngẫu nhiên thông thường, mỗi vị trí nhớ có cơ chế định địa chỉ riêng, và thời gian lấy thông tin không đổi, độc lập với vị tr� hoặc khu�n dạng truy cập trước đ�. Bộ nhớ cache, được đề cập đến trong mục 4.3 c� thể tận dụng c�ch truy cập liên kết này.Hiệu suất
Đứng tr
ên quan điểm người sử dụng, hai đặc trưng quan trọng nhất của bộ nhớ là dung lượng và hiệu suất vận hành. Có ba tham số hiệu suất được sử dụng:Thời gian truy cập:
Đối với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, đ�y là thời gian cần thiết để thực hiện một thao t�c đọc hay ghi, tức là thời gian từ lúc một địa chỉ c� mặt trong bộ nhớ cho đến l�c dữ liệu được lưu trữ xong hoặc đã sẵn sàng để sử dụng. Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên, thời gian truy cập là thời gian cần để định vị bộ phận đọc/ghi tại vị tr� được yêu cầu.Thời gian chu kỳ bộ nhớ:
Khái niệm này chủ yếu được áp dụng cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên và bao gồm thời gian truy cập cộng với bất kỳ thời gian phụ thêm nào được yêu cầu trước khi truy cập thứ hai có thể được thực hiện. Phần thời gian phụ thêm này có thể được yêu cầu nhằm phát sinh dữ liệu nếu chúng được đọc một c�ch kh�ng loại trừ.Tốc độ truyền:
Đ�y là tốc độ truyền dữ liệu vào/ra một đơn vị bộ nhớ. Với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trị này bằng 1/[Thời gian Chu kỳ]. Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên, quan hệ sau đ�y được duy trì:TN = TA + N/R
Trong đ�:
TN
= thời gian trung bình để đọc/ghi N bitTA
= thời gian truy cập trung bìnhN
= số các bitR
= tốc độ truyền, theo đơn vị bit/giây [bps]Kiểu vật lý
Hiện nay có hai kiểu vật lý phổ biến nhất là bộ nhớ bán dẫn, sử dụng công nghệ LSI hay VLSI, và bộ nhớ với bề mặt từ hóa, được dùng cho đĩa và băng từ.
Đặc t�nh vật l�
Nhiều đặc t�nh vật lý của sự lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng. Trong một bộ nhớ khả biến, thông tin phân rã một cách tự nhiên hoặc bị mất đi khi nguồn điện bị tắt. Trong một bộ nhớ bất biến, th�ng tin một khi đã được ghi sẽ được lưu giữ mà không bị thoái hóa. Các bộ nhớ có bề mặt từ hóa thuộc loại bất biến. Bộ nhớ bán dẫn có thể khả biến hoặc bất biến. Bộ nhớ không thể xóa thì không thể thay đổi được, ngoại trừ việc phá hủy đơn vị lưu trữ. Bộ nhớ bán dẫn kiểu này được biết đến với tên gọi bộ nhớ chỉ đọc [ROM].
Cách tổ chức
Ở đ�y là cách sắp xếp vật lý các bit để tạo thành các word. Cách sắp xếp hiển nhiên không phải lúc nào cũng được sử dụng, như sẽ được đề cập đến ở phần tiếp theo.
Sự phân cấp bộ nhớ
Một sự phân cấp bộ nhớ kiểu mẫu được chỉ ra trên hình 4.1. Khi chúng ta đi từ trên xuống trong sơ đồ ph�n cấp này, những sự kiện sau sẽ xảy ra:
Giảm phí tổn cho một bit
Tăng dung lượng
Tăng thời gian truy cập
Giảm tần số truy cập bộ nhớ bởi CPU
Do vậy bộ nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, đắt tiền hơn được phụ trợ bởi bộ nhớ lớn hơn, chậm hơn, rẻ hơn. Chìa khóa cho sự thành công trong cách tổ chức này là yếu tố cuối cùng, tức là giảm thiểu tần số truy cập.
Hình 4.1 Sự phân cấp bộ nhớ
Nếu bộ nhớ được tổ chức theo các mục từ [a] đến [c] ở trên, và dữ liệu cùng với chỉ thị có thể được phân phối qua bộ nhớ theo [d], thì một cách trực quan cho thấy sơ đồ này sẽ làm giảm phí tổn toàn thể trong khi vẫn duy trì một mức độ hiệu suất cho trước.