BỘ NHỚ TRONG

CHƯƠNG 6: BỘ NHỚ TRONG
Giới thiệu về hệ thống bộ nhớ máy tính
Tìm hiểu về bộ nhớ chính bán dẫn
Bộ nhớ Cache.
6.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH
Các đặc trưng chính của hệ thống bộ nhớ máy tính:
Vị trí
Dung lượng
Đơn vị truyền
Phương thức truy cập
Hiệu suất
Kiểu vật lý
Đặc tính vật lý
Cách tổ chức
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 có thể truy cập được đối với CPU thông qua các 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.

Đơn vị truyền
Với 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, ta 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.

Đơn vị truyền: Đối với bộ nhớ chính, đây 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
Đây là 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 phân tích 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 cập một bản ghi tùy ý biến đổi khá cao. Các đơn vị băng từ, được thảo luận trong chương sau, là 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. Các đơn vị đĩa được trình bày trong chương 7 là các đơn vị truy cập trực tiếp.

Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vị trí khả định địa chỉ trong bộ nhớ có mô tả cơ chế định địa chỉ vật lý duy nhất. Thời gian truy cập một vị trí cho trước độc lập với dãy các truy cập 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 cập trực tiếp. Các hệ thống bộ nhớ chính được truy cập ngẫu nhiên.

Liên kết: Đây 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 sánh 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 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 trí hoặc khuôn dạng truy cập trước đó. Bộ nhớ cache, được đề cập đến trong mục 6.3 có thể tận dụng cách truy cập liên kết này.


Hiệu suất
Đứng trên 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, đây là thời gian cần thiết để thực hiện một thao tác đọc hay ghi, tức là thời gian từ lúc một địa chỉ có mặt trong bộ nhớ cho đến lúc 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 trí 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 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 cách không loại trừ.

Tốc độ truyền: Đây là tốc độ truyền dữ liệu vào/ra một đơn vị bộ nhớ.
Kiểu vật lý
Hiện nay có 2 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 tính vật lý
Đặc tính vật lý của sự lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng.
Trong 1 bộ nhớ khả biến, thông tin phân rã 1 cách tự nhiên hoặc bị mất đi khi nguồn điện bị tắt.
Trong một bộ nhớ bất biến, thông 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).
Sự phân cấp bộ nhớ
Một sự phân cấp bộ nhớ kiểu mẫu được chỉ ra trên hình sau. Khi chúng ta đi từ trên xuống trong sơ đồ phân 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 những 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.

Sự phân cấp bộ nhớ
Sự phân cấp bộ nhớ
6.2 BỘ NHỚ CHÍNH BÁN DẪN
Tất cả các kiểu bộ nhớ được khảo sát trong phần này thuộc về loại truy cập ngẫu nhiên. Tức là từng word nhớ được truy cập trực tiếp qua luận lý định địa chỉ.
Các kiểu bộ nhớ bán dẫn chính gồm có:
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM)
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình (PROM)
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình có thể xóa được (EPROM)
Bộ nhớ flash
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình có thể xóa được về mặt điện tử (EEPROM)
Trong số các kiểu bộ nhớ nói trên, RAM là loại bộ nhớ phổ biến nhất. Một đặc tính nổi bật của RAM là có thể đọc dữ liệu từ bộ nhớ và dễ dàng, nhanh chóng ghi dữ liệu mới vào bộ nhớ. Cả việc đọc và ghi đều được thực hiện thông quaviệc sử dụng tín hiệu điện tử.

Một đặc tính nổi bật khác của RAM là khả biến. Bộ nhớ RAM phải luôn được cung cấp một nguồn điện không đổi. Nếu nguồn điện bị ngắt, dữ liệu sẽ mất đi. Vì lý do đó, RAM chỉ có thể dùng làm nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời.
Công nghệ RAM được chia thành hai nhóm: tĩnh và động. Một RAM động được chế tạo với các ô lưu trữ dữ liệu như cách tích điện trong tụ điện. Sự tồn tại hay biến mất của điện tích trong tụ điện được thông dịch thành các giá trị nhị phân 1 và 0. Do các tụ điện có khuynh hướng tự nhiên là giải điện, các RAM động cần sự làm tươi điện tích theo chu kỳ để duy trì dữ liệu. Trong một RAM tĩnh, các giá trị nhị phân được lưu trữ bằng cách sử dụng các cấu hình cổng luận lý mạch lật truyền thống. Một RAM tĩnh sẽ lưu dữ liệu cho đến khi nào nguồn điện còn được cung cấp cho nó.

Cả RAM tĩnh và động đều khả biến. Một ô nhớ động đơn giản hơn một ô nhớ tĩnh. Do vậy, một RAM động trù mật hơn và ít tiền hơn một RAM tĩnh tương ứng. Mặt khác, RAM động đòi hỏi sự hỗ trợ làm tươi mạch. Với những lượng bộ nhớ lớn hơn, phí tổn cố định cho việc làm tươi mạch được đền bù nhiều hơn phí tổn giành cho các DRAM. Như vậy RAM động có khuynh hướng thích hợp cho các yêu cầu về bộ nhớ lớn. Điểm cuối cùng chúng ta cần lưu ý là RAM tĩnh nói chung nhanh hơn RAM động.

Trong mối tương phản rõ nét với RAM là bộ nhớ chỉ đọc (ROM). ROM bao gồm một khuôn mẫu bền vững của dữ liệu không thể thay đổi. Trong khi chúng ta có thể đọc dữ liệu từ ROM, việc ghi vào ROM dữ liệu mới không thể thực hiện được. Một ứng dụng của ROM là vi lập trình. Ngoài ra các ứng dụng khác của ROM gồm:
Các chương trình con thư viện cho các hàm thường xuyên được sử dụng.
Các chương trình hệ thống
Các bảng hàm
Với một kích thước khiêm tốn, lợi điểm của ROM là dữ liệu được lưu trữ bền vững trong bộ nhớ chính và không cần phải tải lên từ một thiết bị lưu trữ phụ.

Một ROM được tạo ra như một chip mạch tích hợp thông thường với dữ liệu được đưa vào trong chip trong quá trình in mạch. Điều này dẫn đến hai bài toán:
Bước đưa dữ liệu vào chip có chi phí tương đối lớn, cho dù một hay hàng ngàn bản sao của một ROM cụ thể sẽ được in ra.
Lỗi trong quá trình sản xuất là không thể chấp nhận được. Chỉ cần một bit bị sai, toàn bộ lô ROM phải bị hủy bỏ.


Khi chỉ cần một lượng tương đối nhỏ ROM với nội dung bộ nhớ đặc biệt, một lựa chọn ít tốn kém hơn là PROM. Giống như ROM, PROM không khả biến và chỉ có thể ghi được đúng một lần. Với PROM, quá trình ghi được thực hiện một cách điện tử và do một nhà cung cấp đảm nhiệm chứ không nhất thiết phải là nhà sản xuất chip ban đầu. Các trang thiết bị đặc biệt sẽ được sử dụng cho quá trình ghi hay "lập trình". PROM mang lại sự linh hoạt và tiện lợi trong khi ROM vẫn thu hút các đơn đặt hàng có số lượng lớn.

Một biến thể khác của bộ nhớ chỉ đọc là bộ nhớ hầu như chỉ đọc. Loại bộ nhớ này có ích cho các ứng dụng trong đó thao tác đọc thường xuyên hơn thao tác ghi. Có ba dạng phổ biến của bộ nhớ hầu như chỉ đọc là EPROM, EEPROM và bộ nhớ Flash.
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình xóa được bằng quang học (EPROM) được đọc/ghi một cách điện tử như với PROM. Tuy nhiên, trước một thao tác ghi, tất cả các ô lưu trữ phải được xóa về trạng thái ban đầu bằng cách đưa chip đã đóng gói qua nguồn bức xạ tia cực tím. Quá trình xóa này có thể được thực hiện lập đi lập lại, mỗi lần xóa mất khoảng 20 phút. Do vậy, EPROM có thể thay đổi được nhiều lần và cũng như với ROM hay PROM, nó có thể lưu trữ nhiều loại dữ liệu khác nhau. EPROM thường đắt tiền hơn PROM nhưng có lợi thế ở khả năng cập nhật nhiều lần.
Một dạng bộ nhớ hầu như chỉ đọc khác là bộ nhớ chỉ đọc khả trình xóa được bằng điện tử (EEPROM). Với bộ nhớ này, dữ liệu có thể được ghi vào mà không cần phải xóa trước. Thao tác ghi mất nhiều thời gian hơn thao tác đọc, khoảng vài trăm micro giây cho một byte. Bộ nhớ EEPROM kết hợp lợi điểm của tính bất biến và sự linh hoạt trong việc cập nhật tại chỗ bằng cách sử dụng các đường điều khiển, đường địa chỉ, và đường dữ liệu thông thường. EEPROM đắt hơn nhiều so với EPROM và cũng kém trù mật hơn, hỗ trợ ít bit hơn trên mỗi chip.

Dạng mới nhất của bộ nhớ bán dẫn là bộ nhớ chớp (flash - bộ nhớ này được đặt tên như vậy do tốc độ tái lập trình khá cao của nó). Được giới thiệu lần đầu tiên vào giữa thập niên 80, bộ nhớ chớp đóng vai trò trung gian giữa EPROM và EEPROM cả về giá cả lẫn chức năng. Giống như EEPROM, bộ nhớ chớp sử dụng công nghệ xóa điện tử. Một bộ nhớ chớp có thể được xóa trong vài giây, nhanh hơn nhiều so với EPROM. Ngoài ra, chúng ta có thể xóa chỉ các khối nhớ cần thiết hơn là toàn bộ chip. Tuy nhiên, bộ nhớ chớp không cung cấp khả năng xóa ở mức byte. Giống như EPROM, bộ nhớ chớp chỉ sử dụng một transistor cho mỗi bit, và vì thế đạt được độ trù mật cao (so với EEPROM) của EPROM.


TỔ CHỨC
Phần tử cơ sở của một bộ nhớ bán dẫn là ô nhớ. Mặc dù có nhiều công nghệ điện tử được sử dụng, tất cảc các ô nhớ bán dẫn đều có chung một số tính chất sau:

Chúng thể hiện 2 trạng thái ổn định (hay bán ổn định) có thể dùng để biểu thị hai giá trị 1 và 0.
Chúng có khả năng cho phép ghi (ít nhất một lần) để thiết lập trạng thái.
Chúng có khả năng cho phép đọc để lấy trạng thái.

Hoạt động của một ô nhớ
Một cách phổ biến, ô nhớ có ba bộ phận cuối có khả năng mang tín hiệu điện tử. Bộ phận chọn chọn một ô nhớ cho thao tác đọc/ghi. Bộ phận điều khiển chỉ ra thao tác là đọc hay ghi. Đối với thao tác ghi, một bộ phận cuối khác cung cấp một tín hiệu điện tử cho phép thiết lập trạng thái của ô nhớ thành 0 hay 1. Đối với thao tác đọc, bộ phận cuối đó được sử dụng để cho ra trạng thái của ô nhớ. Các chi tiết về tổ chức bên trong, chức năng, và định thời của ô nhớ phụ thuộc vào công nghệ mạch tích hợp cụ thể được sử dụng và vượt quá phạm vi của giáo trình này. Chúng ta chỉ cần biết các ô nhớ riêng lẻ có thể được chọn cho các thao tác đọc và ghi.

6.3 BỘ NHỚ CACHE
NGUYÊN LÝ



Bộ nhớ cache chứa bản sao của một phần bộ nhớ chính. Khi CPU cố gắng đọc một word từ bộ nhớ, word này sẽ được kiểm tra xem có trong cache hay không. Nếu có, word đó sẽ được cung cấp ngay cho CPU. Trong trường hợp ngược lại, một khối bộ nhớ chính, bao gồm một lượng cố định các word sẽ được đọc vào trong cache và sau đó word đó sẽ được cung cấp cho CPU.
Thao tác đọc cache