TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN BÀI TẬP THEO NHÓM ĐỀ TÀI: Cấu trúc tổ chức hệ thống nhớ So sánh tổ chức hệ thống nhớ máy tính cá nhân smartphone Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực (Nhóm 8) SHSV Lớp : : : : KSCLC-HTTT&TT-K58 Hà Nội tháng 05/2017 MỤC LỤC Khái quát chung Tổ chức hệ thống nhớ 2.1 Bộ nhớ 2.1.1 Bộ nhớ trung tâm 2.1.1.1 ROM 2.1.1.2 RAM 2.1.2 Bộ nhớ Cache 2.2 Bộ nhớ Phân cấp hệ thống nhớ máy tính So sánh tổ chức hệ thống nhớ máy tính cá nhân smartphone 4.1 So sánh hệ thống phân cấp nhớ 4.2 Cơ chế quản lý nhớ ảo Tài liệu tham khảo 3 3 5 8 10 Phần 1: Cấu trúc tổ chức hệ thống nhớ máy tính Khái quát chung cấu trúc hệ thống nhớ máy tính Bộ nhớ máy tính chia thành loại chính:  Bộ nhớ  Bộ nhớ Cache: Bộ nhớ có thời gian thâm nhập nhanh  Bộ nhớ (Bộ nhớ trung tâm): RAM, DRAM, ROM, PROM,…  Bộ nhớ : băng từ, đĩa (đĩa cứng, đĩa mềm, CD,…) Tổ chức hệ thống nhớ máy tính - - Mọi thứ nhớ máy tính, tạo thành từ đơn vị bản, gọi “bit” hay chữ số nhị phân Mỗi đơn vị lưu cell (tế bào) nhớ máy tính Các tập tin chương trình bao gồm hàng triệu bit, tất xử lý đơn vị xử lý trung tâm hay CPU, hoạt động não máy tính Hình Bộ vi xử lý trung tâm CPU - Thành phần mà CPU gọi đến khởi động ROM (Read Only Memory – Bộ nhớ đọc) Đây gọi trình boot-loader Bộ nhớ 2.1.1 Bộ nhớ trung tâm (hay gọi nhớ chính) 2.1 2.1.1.1 ROM – Bộ nhớ đọc - ROM nhớ đọc, không khả biến Là nới chứa chương trình liệu cố định hệ thống Sơ lược trình khởi động: “Các hệ thống tính toán hoạt động nhờ xử lý trung tâm (hay tập hợp xử lý), thực thi đoạn mã nhớ điều hành, biết đến với tên gọi nhớ hệ thống, với nhiều loại tùy thuộc vào công nghệ sản xuất như: ROM hay RAM Mã hệ điều hành, chương trình ứng dụng liệu thường lưu trữ nhớ bền, nhớ ngoại vi, hay nhớ thứ cấp Các ví dụ loại nhớ là: hard disk (ổ cứng), CD, USB, đĩa mềm Khi máy tính bật, ban đầu dựa hoàn toàn vào mã liệu nằm phần có sẵn đồ nhớ hệ thống, ROM, NVRAM hay CMOS RAM Các đoạn mã liệu "cứng" lưu trữ đồ nhớ hệ thống hướng dẫn cần thiết tối thiểu để truy nhập vào thiết bị cứng ngoại vi nạp vào nhớ hệ thống tất phần cần thiết hệ điều hành Có thể nói khoảng thời gian khởi động máy tính, hệ thống máy tính hệ điều hành nhớ trong”[1] - Các loại nhớ ROM:  Maskable ROM (ROM mặt nạ): thông tin ghi chế tạo  PROM (Programmable ROM): ▪ Khi chế tạo chưa có thông tin ▪ Cho phép ghi thông tin lần thiết bị chuyên dụng  EPROM (Erasable PROM):  EEPROM (Electrically Erasable PROM):  Flash Memory: ▪ Đọc/ghi theo block ▪ Tốc độ nhanh, dung lượng lớn Các máy tính có nhớ ngắn hạn cho tác vụ trước mắt nhớ dài hạn để lưu trữ lâu Sau hệ điều hành khởi động thành công, ta tìm hiểu làm mà nhớ máy tính làm việc tương tác với - Khi chạy chương trình, hệ điều hành xác định khu vực nhớ ngắn hạn để thực câu lệnh Khoảng thời gian CPU xử lý thông tin gọi độ trễ nhớ - Và câu lệnh chương trình phải thực cách nhanh chóng liên tục nên tất vị trí nhớ ngắn hạn truy cập theo thứ tự nào, đặt tên Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên – RAM (Random Access Memory) Vậy RAM gì, cấu trúc hệ thống nhớ hoạt động ? 2.1.1.2 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên – RAM - Là loại nhớ đọc/ghi, khả biến chứa thông tin tạm thời Các loại nhớ RAM:  SRAM (Static): RAM tĩnh ▪ Mỗi phần tử nhớ mạch lật trạng thái ổn định → thông tin SRAM ổn định (không phải làm tươi) ▪ Tốc độ nhanh ▪ Dung lượng chip nhớ nhỏ ▪ Giá thành đắt ▪ Thường dùng làm nhớ Cache  DRAM (Dynamic): RAM động ▪ Mỗi phần tử nhớ tụ điện nhỏ → sau khoảng thời gian điện tích tụ điện bị mất, thông tin DRAM không ổn định → khắc phục mạch làm tươi (refresh) DRAM ▪ Tốc độ chậm (do thời gian làm tươi DRAM) ▪ Dung lượng chip nhớ lớn, giá thành rẻ ▪ Thường dùng làm nhớ Loại RAM thường dùng máy tính DRAM Khi thực câu lệnh, liệu cần truy xuất cách liên tục nhanh chóng (tức độ trễ phải nhỏ tốt) Trong trường hợp này,máy tính cần có nhớ đệm Cache, loại nằm CPU (L1 Cache) có độ trễ ~1ns , loại nằm CPU DRAM (L2 Cache) có độ trễ ~1020ns độ trễ DRAM nhỏ lớn so với CPU yêu cầu Chúng ta tìm hiểu nhớ Cache 2.1.2 Bộ nhớ đệm Cache - Là loại nhớ có thời gian thâm nhập nhanh So với loại nhớ khác ( DRAM, Băng từ, ổ đĩa,…), nhớ cache có giá thành đắt có kích thước lớn so với ổ đĩa khác có dung lượng, nên nhớ cache dùng loại máy tính có dung lượng nhỏ - Là nhớ có tốc độ cao độ trễ thấp (gần có tốc độ xử lý CPU) - Do hầu hết chương trình thực tế xuất lặp lặp lại liệu hay lệnh y chang Nhờ lưu trữ thông tin lưu nhớ Cache, máy tính khỏi phải truy xuất vào DRAM vốn chậm chạp Và đặc tính nhớ đệm thông tin không bị làm tươi suốt trình hoạt động nên việc truy cập vào liệu có sẵn trở nên nhanh chóng - Khi xử lý cần thâm nhập ( đọc/ghi ) vào số liệu, trước hết xử lý tìm số liệu nhớ cache - Nếu tìm thấy (hit) thâm nhập vào số liệu, không thấy (miss) xử lý tìm số liệu nhớ đồng thời ghi lại liệu vào cache - Do L1 Cache nằm CPU nên tốc độ xử lý nhanh CPU tiến hành kiểm tra liệu cần có L1 Cache hay không không tiếp tục tìm kiếm L2 Cache (nằm Mainboard CPU DRAM) trước phải tìm số liệu nhớ trung tâm Tuy nhiên có vấn đề là, RAM nhớ đệm lưu giữ liệu đến mà có điện Với liệu thiết bị tắt máy, chúng phải chuyển vào lưu trữ dài hạn, nhớ 2.2 - Bộ nhớ Bộ nhớ thường chia thành loại:  Đĩa từ: lưu trữ từ trường, loại rẻ Dữ liệu lưu mô hình từ tính đĩa quay phủ phim từ tính Nhưng phải quay đến nơi liệu lưu trữ để đọc được, nên độ trễ loại ổ chậm gấp 100.000 lần so với DRAM  Đĩa quang: lưu trữ sở quang học đĩa DVD hay Blu-ray sử dụng đĩa quay với lớp phủ phản xạ Chúng mã hóa đường dẫn sáng tối mặt đĩa, sử dụng điốt đọc tia laser Các phương tiện lưu trữ quang học rẻ tiền di chuyển được, chí có độ trễ chậm so với ổ nhớ từ dung lượng tương đương  Flask Disk: loại ổ lưu trữ lâu dài nhanh nhất, ổ lưu trữ dạng rắn Chúng phận chuyển động, thay vào chúng sử dụng bóng bán dẫn cổng nối (floating gate transistor), để lưu trữ bit cách bắt lấy loại bỏ hạt mang điện bên cấu trúc thiết kế đặc biệt 3 Phân cấp hệ thống nhớ máy tính Và với phân tích, tìm hiểu hệ thống nhớ cách hoạt động nhớ máy tính, ta đưa sơ đồ phân cấp hệ thống nhớ máy tính sau: - - Nguyên lý sau:  Khi xử lý thực thâm nhập vào số liệu, xử lý tìm số liệu đơn vị nhớ gần sơ đồ phân cấp (bộ nhớ có thời gian thâm nhập nhanh  Nếu không tìm thấy, xử lý thâm nhập vào đơn vị nhớ mức cao sơ đồ phân cấp đồng thời số liệu tìm thấy ghi vào nhớ mức thấp Mục đích việc phân cấp nhớ: Mục tiêu cung cấp hệ thống nhớ với chi phí cho byte gần thấp tốc độ gần mức nhanh [2] So sánh tổ chức hệ thống nhớ máy tính cá nhân smartphone 4.1 So sánh hệ thống phân cấp nhớ Hệ thống phân cấp máy tính [5] Kiến trúc xử lý di động[6] 4.2 So sánh chế quản lý nhớ ảo - - - Khái niệm: Là kĩ thuật quản lý nhớ thực phần mềm phần cứng Nó liên kết địa ô nhớ dùng phần mềm, gọi địa ảo, tới địa vật lý nhớ máy tính Bộ nhớ tác vụ coi khoảng trống có địa liên tiếp tập hợp vùng liên tiếp Hệ điều hành quản lý ô địa ảo phân vùng từ ổ nhớ thực đến ổ nhớ ảo Phần cứng phụ trách xử lý địa nằm CPU, thường gọi tên MMU (đơn vị quản lý nhớ), tự động chuyển địa ảo sang địa vật lý Phần mềm nằm hệ điều hành tạo vùng địa ảo nằm mở rộng khả lưu trữ vật lý nhớ từ chương trình có nhiều nhớ thực tế máy tính có Lợi ích quan trọng nhớ ảo đảm nhiệm giùm ứng dụng quản lý vùng nhớ chia sẻ, tăng độ an toàn cho vùng nhớ giúp chương trình sử dụng nhiều nhớ nhiều nhớ vật lý mà phần cứng máy tính có, dựa kĩ thuật phân trang [3] Khác với máy tính cá nhân có chế quản lý nhớ ảo, smartphone, lấy ví dụ hệ điều hành Android lại không sử dụng nhớ ảo Smartphone sử dụng nhớ flash để lưu trữ liệu Và việc ghi trang nhớ (cơ chế nhớ ảo) vào nhớ flash không tốt tuổi thọ pin hiệu suất Đặc biệt ứng dụng kiểm soát phần nhớ điện thoại “Paged out” Tất nhiên, Android dựa Linux, sử dụng nhớ ảo theo cách khác mà không hiển thị cho người dùng biết Vì thế, Android phải có MMU, ứng dụng sử dụng địa ảo thay địa vật lý Điều bảo vệ ứng dụng không cho phép liệu cá nhân họ RAM đọc ứng dụng khác Nó sử dụng delayed-commit Linux để tiết kiệm nhớ: tiến trình cần nhiều trang nhớ hơn, nhận trang nhớ vật lý chúng thực sử dụng Trong Android, thực làm việc với swap files, có nghĩa việc kết luật Android nhớ ảo chưa thực xác [4] Tài liệu tham khảo [1][3] Wikipedia.com [2] http://www.edn.com/design/systems-design/4397051/MemoryHierarchy-Design-part-1 [4] https://android.stackexchange.com/questions/62452/android-virtualmemory-support [5] http://slideplayer.com/slide/11382872/ [6] https://www.imgtec.com/blog/building-efficient-multimediaarchitectures-consumer-electronics-mobile-computing/ ... Khái quát chung Tổ chức hệ thống nhớ 2.1 Bộ nhớ 2.1.1 Bộ nhớ trung tâm 2.1.1.1 ROM 2.1.1.2 RAM 2.1.2 Bộ nhớ Cache 2.2 Bộ nhớ Phân cấp hệ thống nhớ máy tính So sánh tổ chức hệ thống nhớ máy tính... So sánh hệ thống phân cấp nhớ 4.2 Cơ chế quản lý nhớ ảo Tài liệu tham khảo 3 3 5 8 10 Phần 1: Cấu trúc tổ chức hệ thống nhớ máy tính Khái quát chung cấu trúc hệ thống nhớ máy tính Bộ nhớ máy... chính:  Bộ nhớ  Bộ nhớ Cache: Bộ nhớ có thời gian thâm nhập nhanh  Bộ nhớ (Bộ nhớ trung tâm): RAM, DRAM, ROM, PROM,…  Bộ nhớ : băng từ, đĩa (đĩa cứng, đĩa mềm, CD,…) Tổ chức hệ thống nhớ máy